KR20110100899A - 선박의 러더 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선박의 러더에 설치되는 추력용 날개 형상에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 선박의 추진 성능을 향상시킬 수 있음은 물론, 추력용 날개를 통하여 연료 절감 효과를 가져올 수 있는 선박의 러더에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 선박의 러더에 의하면, 러더 벌브의 양측에 날개를 비대칭으로 형성시킴으로써, 상기 날개를 지나는 유체와 러더 몸체의 간섭을 줄여 날개에 의한 추력을 최대화하고, 항력도 감소시켜 속도 성능의 향상으로 연료 절감 효과를 이룰 수 있다.

Description

선박의 러더{RUDDER FOR SHIP}

본 발명은 선박의 러더에 설치되는 추력용 날개 형상에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 선박의 추진 성능을 향상시킬 수 있음은 물론, 추력용 날개를 통하여 연료 절감 효과를 가져올 수 있는 선박의 러더에 관한 것이다.

일반적으로, 선박은 선미에 장착된 프로펠러의 수중 회전에 의해 추진된다. 상세히, 프로펠러는 회전하면서 주위의 물을 후방으로 밀어냄으로써 선박의 추진력을 발생시킨다.

또한, 선박의 이동 방향을 조정하기 위해, 프로펠러의 후방에는 러더(Rudder:방향타)가 설치되어 있다.

프로펠러의 회전에 의해 프로펠러의 후방에는 프로펠러의 회전 방향에 따라 회전되는 후류가 형성된다. 프로펠러에 의한 후류는 러더에 입사되며, 러더에서 프로펠러의 축선을 중심으로 상하 위치에 따라 좌우측의 압력이 각각 다르게 형성된다.

선박의 후방에서 볼 때 러더를 중심으로 시계 방향으로 회전하는 프로펠러를 예로 들면, 러더의 좌측 상부와 우측 하부에서는 압력면이 형성되고, 러더의 우측 상부와 좌측 하부에서는 흡입면이 형성된다.

즉, 프로펠러의 회전에 의해 일 방향으로 회전하는 후류가 러더에 가하는 압력은, 러더의 좌, 우측에서 각각 다른 비대칭으로 형성된다.

이러한 비대칭 압력 분포 하에서 러더가 단순한 평판의 형상, 즉 프로펠러의 축선을 기준으로 러더의 상, 하측의 두께 방향 수평 단면이 대칭인 형상으로 형성된 경우에는, 러더의 저항이 크게 될 뿐만 아니라 흡입면이 형성되는 부위에서 캐비테이션이 발생되어 러더의 침식이 야기되는 문제점이 있다.

후류에 의해 러더에 작용되는 비대칭 압력이 러더에 미치는 영향을 최소화시키면서, 선박의 추진 효율을 향상시키기 위해 러더 벌브(Rudder Bulb)가 사용될 수도 있다. 그러나, 러더 벌브는 대체적으로 프로펠러 방향으로 크게 돌출되고, 대형의 벌브가 설치되어야 한다는 단점이 있다.

일본의 카와사키(Kawasaki) 조선소의 알에프에스-에프(RFS-F)를 비롯하여 1970년대 이후부터 적용된 공지된 러더 벌브 기술은 다수가 공지되어 있으나, 대칭형으로 크기가 클 뿐만 아니라 비대칭 단면에 직접 적용이 어렵고, 플레이트를 사용하여 형상을 만들기 때문에 그 자체가 케비테이션에 의한 침식의 대상이 되고 또한 쉽게 파손되는 문제가 있다.

한편, 선박의 추진 효율을 향상시키기 위한 종래 기술로서 일본공개특허 제1999-139395호가 공지되어 있다.

일본공개특허 제1999-139395호에 따르면, 도 1에서와 같이 러더(3)에 벌브(4)를 설치하고, 이 벌브(4)의 양측으로 날개(5a)(5b)를 설치함으로써, 부가 저항의 증가보다 추진 효율이 증가되도록 구성하였다.

그러나, 상기와 같이 날개를 설치하는 기술에는 다음과 같은 문제가 있다.

프로펠러 후류의 벡터 성분(angle of attack)을 고려하여 양력을 증가시키려면, 후류의 상기 날개(5a, 5b)로의 입사각을 크게 해야 한다. 그러나, 후류의 상기 날개(5a, 5b)로의 입사각이 커지면, 상기 날개(5a, 5b)를 지나는 유체가 러더(3)를 지나면서 간섭을 일으켜 와류가 발생되고, 이에 의해 항력이 증가하고 성능이 감소되는 문제가 있다.

본 발명의 실시예는 날개를 지나는 유체와 러더 몸체와의 간섭을 줄임으로써 날개에 의한 추력을 높임과 동시에 항력을 감소시킬 수 있는 선박의 러더를 제공하고자 한다.

또한, 연료 절감 효과를 이룰 수 있는 선박의 러더를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 선박의 러더는, 프로펠러의 후류 방향에 회동 가능하게 제공되는 몸체; 상기 몸체의 상기 프로펠러측 단부에 제공되는 벌브; 및 상기 벌브의 양측에 비대칭으로 형성되는 제 1 날개 및 제 2 날개를 포함한다.

또한, 상기 제 2 날개는 상기 프로펠러에 의해 형성되는 후류가 상대적으로 고속으로 흐르는 측에 형성되고, 상기 제 1 날개의 스팬(span)은 상기 제 2 날개의 스팬보다 더 긴 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 2 날개의 스팬은 상기 프로펠러의 반지름의 50% 이내의 길이로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 1 날개의 스팬은 상기 프로펠러의 반지름의 50% 내지 70%의 길이로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 1 날개는, 상기 벌브측 단부의 코드(chord)가 상기 벌브측 단부로부터 상기 제 1 날개의 스팬의 70% 지점까지 유지되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 2 날개는, 상기 벌브측 단부의 코드가 타측 단부의 코드보다 2.5배 이상이 되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 2 날개는, 전단부가 외측으로 갈수록 후방 경사지도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 1 날개 및 상기 제 2 날개는 상기 프로펠러의 회전축에 대응되는 높이에 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 2 날개의 전단부는 상기 제 1 날개의 전단부보다 상기 프로펠러에 가깝게 위치되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명의 실시예에 따른 선박의 러더에 의하면, 러더 벌브의 양측에 날개를 비대칭으로 형성시킴으로써, 상기 날개를 지나는 유체와 러더 몸체의 간섭을 줄여 날개에 의한 추력을 최대화하고, 항력도 감소시켜 속도 성능의 향상으로 연료 절감 효과를 이룰 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 선박의 러더를 보여주는 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 선박의 러더의 사시도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 선박의 러더의 평면도.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 러더를 장착한 선박의 연료 절감 효과를 보여주는 도면.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 연료 절감을 위한 러더의 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 연료 절감을 위한 러더의 평면도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 선박의 러더(100)는, 선미(미도시) 하부에 선체의 중심선에 일치하도록 설치된 프로펠러(200)의 후방에 설치될 수 있다. 상기 프로펠러(200)에 의해 형성되는 후류는 상기 러더(100)로 입사된다.

이하에서는 상기 프로펠러(200)가 선박의 후방에서 바라볼 때 시계 방향으로 회전되며, 상기 러더(100)는 상기 러더(100)의 중심선과 상기 프로펠러(200)의 회전축이 일직선 상에 위치되도록 배치되는 것을 예로 들어 설명하겠다.

상기 러더(100)는 상기 선미(미도시)에 수직으로 설치되고 선미부에 조립된 조타 장치에 의하여 회동될 수 있다.

상기 러더(100)에는 상기 프로펠러(200)에 의해 형성되는 후류의 방향을 조절하여 선체의 진행 방향을 조절하는 러더 몸체(110), 상기 몸체(110)의 프로펠러측 단부(본 실시예에서는 전단부)에 형성되는 러더 벌브(Rudder Bulb, 120), 상기 벌브(120)의 양측 방향에 형성되는 제 1 날개(130) 및 제 2 날개(140)가 포함될 수 있다.

상기 벌브(120)는 상기 몸체(110)로부터 상기 프로펠러(200)를 향해 소정 길이 돌출되는 형태로 형성될 수 있다. 또한, 상기 벌브(120)는 상기 프로펠러(200)의 회전축에 대응되는 높이에 횡단면이 유선형이 되도록 형성될 수 있으며, 상기 몸체(110)와 일체로 형성될 수 있다.

상기 제 1 날개(130) 및 상기 제 2 날개(140) 또한 상기 프로펠러(200)의 회전축에 대응되는 높이에 형성될 수 있으며, 상기 날개(130, 140)는 상기 러더 벌브(120)와 일체형으로 형성될 수 있다.

여기서, 상기 제 1 날개(130)는 상기 벌브(120)의 좌측에 제공되고, 상기 제 2 날개(140)는 상기 벌브(140)의 우측에 형성된다. 따라서, 상기 제 1 날개(130)를 좌측 날개, 상기 제 2 날개(140)를 우측 날개라고 부를 수도 있다.

상기 제 1 날개(130)와 상기 제 2 날개(140)는 상기 프로펠러(200)의 회전에 의해 발생되는 후류의 유동 특성에 맞게 서로 비대칭으로 형성된다. 따라서, 상기 날개(130, 140)를 지나는 유동과 상기 몸체(110) 사이의 간섭이 줄어들고 항력이 감소하여 상기 러더(100)의 속도 성능이 향상될 수 있다.

상세히, 상기 제 1 날개(130)의 좌우 방향 길이, 즉 스팬(span, L1)은 상기 프로펠러(200)의 반지름(R)의 50% 내지 70%의 길이로 형성될 수 있다. 또한, 상기 제 1 날개(130)의 전후 방향 길이, 즉 코드(chord)는 상기 벌브(120)에 접하는 내측 단부(131)의 코드가 상기 내측 단부(131)로부터 상기 L1의 70%에 대응되는 지점까지 유지되고, 이후에는 점차 감소하는 형태로 형성될 수 있다.

그리고, 상기 제 2 날개(140)의 스팬(L3)은 상기 프로펠러(200)의 반지름(R)의 50% 이하의 길이로 형성될 수 있다. 또한, 상기 제 2 날개(140)는 외측 단부(142)의 코드(L4)가 상기 벌브(120)에 접하는 내측 단부(141)의 코드(L5)의 40% 이하가 되도록 형성될 수 있다. 다시 말하면, 상기 L5는 상기 L4의 2.5배 이상일 수 있다.

이때, 상기 제 2 날개(140)의 내측 단부(141)의 전단부는 상기 프로펠러(200)에 가깝게 형성되고, 상기 제 2 날개(140)의 외측 단부(142)는 상기 프로펠러(200)로부터 멀리 떨어지도록 형성될 수 있다. 즉, 상기 제 2 날개(140)의 전단부가 외측으로 갈수록 후방 경사지도록 형성될 수 있다. 따라서, 상기 제 2 날개(140)를 지나는 유동과 상기 몸체(110)와의 간섭을 최소화할 수 있다.

예를 들면, 상기 제 2 날개(140)의 전단부는 상기 제 1 날개(130)의 전단부보다 상기 프로펠러(200)에 더 가깝게 형성되고, 상기 제 2 날개(140)의 외측 단부(142)는 상기 제 1 날개(130)의 내측 단부(131)의 위치에 대응되는 위치에 형성될 수 있다.

또한, 상기 날개(130, 140)는 종단면이 에어포일(airfoil)과 같은 유선형으로 형성될 수 있다.

상기 제 1 날개(130)와 상기 제 2 날개(140)의 형상은 상기 프로펠러(200)에 의해 형성되는 유동에 따라 서로 교체될 수 있다. 즉, 본 실시예에서와 같이 상기 프로펠러(200)가 시계 방향으로 회전하며 추력을 발생시키는 경우에는 상기 제 1 날개(130)가 상기 몸체(110)의 좌측에 형성되고, 상기 제 2 날개(140)가 상기 몸체(110)의 우측에 형성되나, 상기 프로펠러(200)가 시계 반대 방향으로 회전하며 추력을 발생시키는 경우에는 상기 제 1 날개(130)가 상기 몸체(110)의 우측에 형성되고, 상기 제 2 날개(140)가 상기 몸체(110)의 좌측에 형성될 수 있다. 이는 상기 프로펠러(200)에 의해 형성되는 후류의 특성에 따른 것으로서 구체적인 내용은 후술하겠다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 실시예에 따른 선박의 러더(100)의 작용을 설명하면 다음과 같다.

시계 방향으로 회전하는 상기 프로펠러(200)에 의해 형성되는 후류를 상기 몸체(110) 주변에서 벡터 분석해보면, 상기 몸체(110)의 우측면으로부터 상기 프로펠러(200)의 반지름(R)의 50% 이내의 위치에서 상기 제 2 날개(140)의 추력을 증가시키는 벡터 성분을 발견할 수 있다.

따라서, 상기 제 2 날개(140)의 스팬(L3)을 상기 프로펠러(200)의 반지름(R)의 50% 이하로 형성하면, 상기 추력 증가 벡터 성분의 효과를 극대화할 수 있으므로 선박의 추력을 증가시킬 수 있다.

또한, 상기 몸체(110)의 우측 유동은 좌측 유동에 비해 상대적으로 빠른 속도를 갖는다. 따라서, 상기 제 2 날개(140)의 내측 단부(141)를 상기 프로펠러(200)에 가깝게 위치시키고, 상기 제 2 날개(140)를 후방 경사지도록 형성함과 동시에, 상기 제 2 날개(140)의 외측 단부(142)의 코드(L4)를 내측 단부(141)의 코드(L5)의 40% 이하로 형성함으로써, 상기 제 2 날개(140)를 지나는 유동과 상기 몸체(110)의 간섭을 줄이고 와류의 발생을 억제하여 상기 러더(100)의 속도 성능을 향상시킬 수 있다.

또한, 상대적으로 유동의 속도가 빠른 상기 몸체(110)의 우측에 제공되는 상기 제 2 날개(140)의 스팬(L3)을 상기 제 1 날개(130)의 스팬(L1)보다 작게 형성함으로써 항력을 감소시켜 추력을 증가시킬 수 있다.

한편, 상기 프로펠러(200)에 의해 형성되는 상기 몸체(110)의 좌측 영역에서의 유동은, 우측 영역에서의 유동에 비해 속도는 느리나 받음각(angle of attack)이 크다. 이 경우, 날개의 스팬을 길게 하고, 코드를 줄이는 것이 추력 증가에 유리하다.

따라서, 상기 제 1 날개(130)의 스팬(L1)을 상기 제 2 날개(140)의 스팬(L3)보다 긴 상기 프로펠러(200)의 반지름(R)의 50% 내지 70%의 길이로 형성하고, 상기 제 1 날개(130)의 내측 단부(131)의 코드(L2)를 상기 내측 단부(131)로부터 상기 L1의 70%에 대응되는 지점까지 유지하면 추력을 효과적으로 증가시킬 수 있다.

도 4 및 도 5는 상기와 같은 선박의 러더(100)를 장착한 선박의 연료 절감 효과를 보여주는 그래프이다.

도 4는 탱크(tank)형의 저장고를 갖는 선박에 상기 러더(100)를 적용했을 때의 효과를 나타내는 도면이다.

도 4를 참조하면, 프로드 수(Froude number)가 0.13일 때 약 2.2%의 연료 절감 효과가 있는 것을 알 수 있다. 이러한 효과는 선박의 속도가 증가함에 따라, 즉 프로드 수가 커짐에 따라 거의 선형적으로 증가함을 알 수 있다.

도 5는 컨테이너선에 상기 러더(100)를 적용했을 때의 효과를 나타내는 도면이다.

도 5를 참조하면, 프로드 수가 0.18일 때 약 2%의 연료 절감 효과가 있으며, 이러한 효과는 도 4의 경우와 마찬가지로 프로드 수가 커짐에 따라 거의 선형적으로 증가함을 알 수 있다.

즉, 상기 러더(100)에 의한 속도 성능 향상, 추력 증가의 효과는 일정 범위 내에서 선박의 속도가 증가함에 따라 커진다는 것을 알 수 있다.

상술한 바와 같이 상기 좌현날개(130)와 우현날개(140)를 서로 비대칭으로 형성함으로써, 상기 날개(130, 140)에 의해 형성되는 추력은 최대화될 수 있으며, 항력도 감소될 수 있다. 또한, 상기 선박의 속도 성능도 향상되는 바, 연료 절감 효과를 얻을 수 있다.

이상 본 발명의 실시예에 따른 선박의 러더의 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 각 구성요소의 재질, 크기 등을 적용 분야에 따라 용이하게 변경할 수 있으며, 개시된 실시형태들을 조합/치환하여 적시되지 않은 형상의 패턴을 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.

100 : 러더 200 : 프로펠러
110 : 몸체 120 : 벌브
130 : 제 1 날개 140 : 제 2 날개

Claims (9)

1. 프로펠러의 후류 방향에 회동 가능하게 제공되는 몸체;
   상기 몸체의 상기 프로펠러측 단부에 제공되는 벌브; 및
   상기 벌브의 양측에 비대칭으로 형성되는 제 1 날개 및 제 2 날개를 포함하는 선박의 러더.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 2 날개는 상기 프로펠러에 의해 형성되는 후류가 상대적으로 고속으로 흐르는 측에 형성되고,
   상기 제 1 날개의 스팬(span)은 상기 제 2 날개의 스팬보다 더 긴 것을 특징으로 하는 선박의 러더.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 제 2 날개의 스팬은 상기 프로펠러의 반지름의 50% 이내의 길이로 형성되는 것을 특징으로 하는 선박의 러더.
   
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 제 1 날개의 스팬은 상기 프로펠러의 반지름의 50% 내지 70%의 길이로 형성되는 것을 특징으로 하는 선박의 러더.
   
5. 제 2 항에 있어서,
   상기 제 1 날개는,
   상기 벌브측 단부의 코드(chord)가 상기 벌브측 단부로부터 상기 제 1 날개의 스팬의 70% 지점까지 유지되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 선박의 러더.
   
6. 제 2 항에 있어서,
   상기 제 2 날개는,
   상기 벌브측 단부의 코드가 타측 단부의 코드보다 2.5배 이상이 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 선박의 러더.
   
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제 2 날개는,
   전단부가 외측으로 갈수록 후방 경사지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 선박의 러더.
   
8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제 1 날개 및 상기 제 2 날개는 상기 프로펠러의 회전축에 대응되는 높이에 형성되는 것을 특징으로 하는 선박의 러더.
   
9. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제 2 날개의 전단부는 상기 제 1 날개의 전단부보다 상기 프로펠러에 가깝게 위치되는 것을 특징으로 하는 선박의 러더.

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