KR20110109303A - 상부 방향타와 하부 방향타로 완전 분리되어 개별 구동하는 선박의 분리형 방향타 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양력 손실을 감소시키고 표면에서 발생하는 캐비테이션을 저감시킬 수 있는 선박용 방향타에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스티어링 기어룸(steering gear room)에 회전축으로 연결되어 작동하는 상부 방향타와, 슈피스(shoe piece)에 회전축으로 연결되어 작동하는 하부 방향타로 이루어져 있으며, 상기 상부 방향타 및 하부 방향타는 일정한 간격을 두고 완전히 분리된 상태에서 각각의 타각으로 개별적으로 회전하는 것을 특징으로 하는 선박의 분리형 방향타에 관한 것이다.

Description

상부 방향타와 하부 방향타로 완전 분리되어 개별 구동하는 선박의 분리형 방향타{Ship rudder operating its upper and lower parts separately}

본 발명은 양력 손실을 감소시키고 표면에서 발생하는 캐비테이션을 저감시킬 수 있는 선박용 방향타에 관한 것이다.

선박의 조종성능을 좌우하는 방향타는 추진력을 발생시키는 프로펠러에 비해 상대적으로 제한적인 관심을 받아 왔다. 회전하는 프로펠러의 하류에 위치하는 방향타는 3차원적으로 불균일도가 매우 높은 프로펠러 후류의 반류 유동장(wake field)에서 작동하게 된다. 그런데 최근 들어 선박의 대형화 및 고속화로 인하여 프로펠러와 방향타에 가해지는 유체력 부하가 크게 증가하고 있음에 따라, 이처럼 프로펠러 후류 특성의 영향을 직접적으로 받는 방향타는 양력 및 항력 발생을 유발하는 성능 특성뿐만 아니라 캐비테이션 발생 관점에서도 많은 관심을 불러일으키고 있다.

도 1은 선박의 선미에 설치된 프로펠러(2)와 기존의 방향타(1)의 모습이다. 회전하는 프로펠러의 하류에 설치되는 방향타 상하면에 유입되는 유동의 방향과 받음각의 부호는 도 2와 같이 서로 반대이기 때문에 타의 단면 위치별로 양(+) 또는 음(-)의 타력(양력)을 발생하여 많은 양의 양력을 상쇄시킨다.

따라서 필요한 양력 확보를 위해서는 과도한 타 각도 설정이 필요하게 된다. 그런데 이러한 타 각도의 증가는 타 표면에 캐비테이션 발생량을 증가시켜 타 표면 침식을 유발하는 원인이 된다. 그리고 프로펠러 허브(hub)에 발생하는 보오텍스 캐비테이션은 타 표면에서 붕괴하면서 침식을 유발한다. 비록 많은 연구기관과 조선소 등에서 혼-타(horn rudder; semi-spade rudder)(도 3)나 전가동타(full-spade rudder)(도 5)에서 나타나는 양력 손실과 캐비테이션발생량 저감을 위하여 많은 관심과 노력을 하고 있으나 실효성에 한계가 있는 실정이다.

특히 많은 선주들이 선박에 대한 정통적인 관습 등으로 인하여 고정부(fixed part)와 가동부(movable part)로 구성된 혼-타의 사용을 선호하고 있지만, 혼-타 상하면에서 발생하는 양력의 상쇄 및 이로 인한 양력의 손실에 대한 문제를 극복하는 데에는 한계가 있으며, 수직 및 수평 방향의 간극(gap clearance)에서 침식을 수반하는 심각한 간극 캐비테이션(gap cavitation)의 문제 또한 심각하게 대두되고 있는 실정이다.

비록 이러한 간극 캐비테이션을 극복하고자 전가동타에 대한 선호도가 점차 높아지고 있으나, 전술한 바와 같은 양력 손실을 극복하기 위하여 증가되는 타각으로 인해 타 표면에 나타나는 캐비테이션을 저감시키는 데에는 한계가 있으며, 혼(horn)타와 전가동타(full spade rudder)는 공히 요구되는 타력 확보를 위하여 타각 증가를 수반하므로 선박의 선회성능 등 조종(양력)성능 향상에 매우 제한적이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 방향타의 양력 손실을 감소시켜 선박의 조종성능을 향상시키며, 항력을 감소시켜 선박의 운항에너지를 절감시키며, 방향타 표면에서 발생하는 캐비테이션을 저감시켜 타 표면 침식을 줄일 뿐 아니라 프로펠러 허브 보오텍스 캐비테이션에 의한 피해를 최소화 할 수 있는 선박용 방향타를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 기타 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 이는 본 발명의 청구범위에 기재된 사항 및 그 실시예의 개시 내용뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내의 수단 및 조합에 의해 보다 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 스티어링 기어룸에 회전축으로 연결되어 작동하는 상부 방향타와, 슈피스(shoepiece)에 회전축으로 연결되어 작동하는 하부 방향타로 이루어져 있으며, 상기 상부 방향타 및 하부 방향타는 일정한 간격을 두고 완전히 분리된 상태에서 각각의 타각으로 개별적으로 회전하는 것을 특징으로 하는, 상부 방향타와 하부 방향타로 완전 분리되어 개별 구동하는 선박의 분리형 방향타를 제시한다.

본 발명에 따르면 상부 및 하부 방향타 각각의 개별적인 받음각 설정이 가능하므로 기존의 일체형 방향타와는 달리 양력 상쇄현상이 거의 발생하지 않는다. 그리고 받음각을 적게 하여도 필요한 타력(양력)을 확보할 수 있기 때문에 방향타 표면에서의 캐비테이션 발생량이 감소하며 표면침식 가능성도 줄어든다. 그리고 보다 적은 받음각에서의 선박 운항은 방향타의 항력(drag) 감소를 유발하므로 선박의 운항 에너지도 절감할 수 있다. 또한 기존의 일체형 방향타에서 발생하는 타력의 상쇄현상이 없어지기 때문에 선박의 선회반경(turning circle)을 줄이며 조종성능을 향상시킬 수 있다. 뿐만 아니라 형상적으로 상부 방향타와 하부 방향타로 분리되어 있어서 프로펠러 허브 보오텍스(propeller hub vortex) 캐비테이션으로 인하여 야기되는 방향타 표면 침식도 피할 수 있다. 이러한 효과는 방향타의 수명연장, 선박의 추진효율 및 조종성능 향상과 연계하여 국내 조선산업 발전에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 사료된다.

본 발명의 다른 효과는, 이상에서 설명한 실시예 및 본 발명의 청구범위에 기재된 사항뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내에서 발생할 수 있는 효과 및 산업 발전에 기여하는 잠정적 장점의 가능성들에 의해 보다 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다.

도 1은 선박의 선미에 부착된 일반적인 프로펠러와 방향타.
도 2는 프로펠러 후류와 방향타.
도 3은 일반적인 혼-타의 형상.
도 4는 일반적인 혼-타의 상, 하부 핀들에서의 단면 형상.
도 5는 일반적인 전가동타의 형상.
도 6은 일반적인 전가동타의 단면 형상.
도 7은 프로펠러와 본 발명에 따른 분리형 방향타.
도 8은 선박의 직진 운항 시 프로펠러 유입류와 본 발명에 따른 분리형 방향타의 배치.
도 9는 선박의 우현 선회 시 프로펠러 유입류와 본 발명에 따른 분리형 방향타의 배치.
도 10은 선박의 좌현 선회 시 프로펠러 유입류와 본 발명에 따른 분리형 방향타의 배치.
도 11은 선미 반류가 존재할 경우 모형시험에서 얻은 프로펠러 후류의 방향타에 대한 입사각 분포.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

선박의 프로펠러는 선미에서 선수를 바라볼 때 일반적으로 시계방향으로 회전하면서 추진력을 얻게 된다. 이러한 프로펠러 회전의 방향성으로 인하여 프로펠러 후방에 위치하는 방향타에는 도 2와 같이 타의 좌현(port) 상부, 우현(starboard) 하부로 프로펠러 후류에 의하여 위치별로 다른 받음각(angle of attack)을 가지고 유입된다. 이러한 프로펠러 후류의 특성으로 인하여 선박의 타각을 0도로 할 지라도 선박의 조종성에 직접 영향을 주는 양력이 ‘0’이 아닌 다른 값이 발생하여 선박이 직선으로 운항을 할 수 없게 된다. 또한 선박의 타각을 조절하여 좌현 또는 우현으로 운항을 할 경우에도 방향타의 상부 또는 하부에 큰 받음각이 나타나 양력 손실을 초래할 수 있다.

도 11은 일반 혼-타에 대한 캐비테이션 터널에서의 모형시험 결과를 나타낸다. 본 시험은 선체 반류, 프로펠러, 혼-타가 있을 경우에 프로펠러와 혼-타 사이에서 유동장을 측정하여 방향타로의 입사각을 측정한 것이다. Z축은 방향타의 높이 방향을 의미하며 D는 프로펠러의 직경을 의미한다. X축은 방향타의 앞날에 대한 프로펠러 후류의 입사각(incident angle)을 나타낸다. 도 11을 보면 Z/D = 0(프로펠러 축)을 경계로 상부와 하부에서 서로 부호가 다른 프로펠러 후류 입사각이 발생하여 방향타에 서로 반대의 영향을 주고 있음을 알 수 있다. 이러한 현상은 프로펠러의 회전 특성으로 인해 필연적으로 나타나는 것이며 방향타를 일체형으로 일정 각도로 회전시킬 경우 양력의 손실이 발생할 수밖에 없다. 또한 Z/D = 0.15 위치에서 40도에 가까운 입사각이 나타나고 있으나 Z/D ≥ 0.2 이상의 영역에서는 20도 미만의 입사각이 나타나 방향타의 높이에 따라 방향타 입사각이 다르게 형성되고 있음을 알 수 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하고자 도 7과 같은 선박의 분리형 방향타를 제공하는 바, 본 발명에 따른 분리형 방향타는, 스티어링 기어룸(steering gear room)(6)에 회전축으로 연결되어 작동하는 상부 방향타(5)와, 슈피스(shoe piece)(7)에 회전축으로 연결되어 작동하는 하부 방향타(8)로 이루어져 있으며, 상기 상부 방향타(5) 및 하부 방향타(8)는 일정한 간격(D)을 두고 완전히 분리된 상태에서 각각의 타각으로 개별적으로 회전하는 것을 특징으로 한다. 이하 본 발명에 따른 분리형 방향타에 대하여 보다 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 분리형 방향타는 상부(이하 ‘상부 방향타’라고 함)와 하부(이하 ‘하부 방향타’라고 함)가 일정한 간격(D)을 두고 완전히 분리되어 있으며, 이들 상부 방향타(5)와 하부 방향타(8)는 임의의 타각으로 각각 회전 가능하다.

상부 방향타(5)는 기존의 경우와 같이 스티어링 기어룸(6)에 회전축으로 연결되어 작동하고, 하부 방향타(8)는 선미 바닥의 슈피스(7)에 회전축으로 연결되어 작동한다. 이 경우 하부 방향타(8)는 슈피스(7) 내에 설치되어 유압으로 작동하는 구동장치(9)에 의해 작동되도록 한다.

즉, 상부 방향타(5) 및 하부 방향타(8)는 각각 스티어링 기어룸(6)과 슈피스(7)에 설치되어 그곳의 구동력을 공급받아 타의 단면별로 선체와 프로펠러의 반류(wake flow)의 받음각이 최적화되도록 독립적으로 작동하는 것이다.

한편, 상부 방향타(5)와 하부 방향타(8) 간에는 이들을 연결하는 어떠한 구조물(예를 들면, 회전축이나 봉 등)도 설치하지 않는다. 즉, 상부 방향타(5)와 하부 방향타(8)의 분리된 간격에는 텅 빈 공간이 형성되는 것이다. 프로펠러 허브 보오텍스(propeller hub vortex) 캐비테이션으로 인하여 야기되는 방향타 표면 침식도 피할 수 있어서 좋다.

이때 상부 방향타(5)와 하부 방향타(8)의 분리된 간격(D)은 프로펠러 축 중심을 기준으로 프로펠러 직경의 7% 내지 35%의 범위가 되도록 하는 것이 바람직하다. 만약 간격(D)의 크기가 프로펠러 직경의 7%보다 작다면 상부 방향타(5)와 하부 방향타(8)가 회전하는 과정에서 서로 간섭을 일으킬 우려가 있으므로 바람직하지 못하며, 간격(D)의 크기가 프로펠러 직경의 35%보다 크다면 간격 부분에서 발생하는 양력 손실 및 캐비테이션이 크게 부담으로 작용할 수 있으므로 역시 바람직하지 못하기 때문이다.

또한, 상부 방향타(5) 및 하부 방향타(8)는 프로펠러 축을 중심으로 하여 상하 대칭의 간격(D)을 두고 분리되도록 하는 것이 바람직하다. 이는 프로펠러 허브 보오텍스 캐비테이션으로 인하여 야기되는 방향타 표면 침식을 피하는 효과를 극대화하기 위함이다.

도 8은 선박이 직선으로 운항할 경우 프로펠러 후류와 방향타의 평면도(top view)를 나타낸다. 일반적인 방향타의 경우 비록 타각은 0도이나 프로펠러 후류가 특정 받음각으로 유입되므로 양력을 완전히 제거할 수 없다. 그러나 본 발명에 따른 분리형 방향타의 경우 상부 방향타와 하부 방향타의 타각을 적절히 조절하여 받음각이 0도가 되게 할 수 있으며 양력과 항력을 최소화 할 수 있다. 또한 본 발명에 따른 분리형 방향타의 경우 받음각을 최소화하였으므로 타의 몸체에서 발생하는 캐비테이션을 감소시킬 수 있다.

도 9 및 도 10은 선박이 우현 및 좌현으로 선회하는 경우 프로펠러 후류와 방향타의 평면도(top view)를 나타낸다. 일반적인 방향타의 경우에는 타 상부면과 하부면의 양력상쇄가 발생하므로 원하는 조타력 또는 양력을 얻기 위해서 타각을 더 크게 해야 한다. 타각이 너무 커지면 양력을 증가시킬 수는 있으나 타의 흡입면에서 강한 캐비테이션이 발생하여 타 표면에 심각한 침식을 초래할 수 있다. 그러나 본 발명에 따른 분리형 방향타의 경우 상부 방향타와 하부 방향타의 타각을 흡입류의 입사각에 적합하게 설정하여 원하는 양력을 효율적으로 얻을 수 있으며, 이때 상대적으로 유동의 받음각이 크지 않아 캐비테이션에 의한 손상을 방지할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1 : 방향타 2 : 프로펠러
3 : 혼-타 4 : 전가동타
5 : 상부 방향타 6 : 스티어링 기어룸(steering gear room)
7 : 슈피스(shoe piece) 8 : 하부 방향타
9 : 구동장치

Claims (6)

1. 스티어링 기어룸에 회전축으로 연결되어 작동하는 상부 방향타와, 슈피스에 회전축으로 연결되어 작동하는 하부 방향타로 이루어져 있으며, 상기 상부 방향타 및 하부 방향타는 일정한 간격을 두고 완전히 분리된 상태에서 각각의 타각으로 개별적으로 회전하는 것을 특징으로 하는, 상부 방향타와 하부 방향타로 완전 분리되어 개별 구동하는 선박의 분리형 방향타.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 상부 방향타 및 하부 방향타는 프로펠러 축을 중심으로 하여 상하 대칭의 간격을 두고 완전히 분리되는 것을 특징으로 하는, 상부 방향타와 하부 방향타로 완전 분리되어 개별 구동하는 선박의 분리형 방향타.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 상부 방향타와 하부 방향타의 분리된 간격은 프로펠러 축 중심을 기준으로 프로펠러 직경의 7% 내지 35%의 범위가 되도록 하는 것을 특징으로 하는, 상부 방향타와 하부 방향타로 완전 분리되어 개별 구동하는 선박의 분리형 방향타.
4. 구조적으로 완전 분리된 상부 방향타 및 하부 방향타가 각각 스티어링 기어룸과 슈피스에 연결 및 구동되도록 하여, 상부 방향타 및 하부 방향타가 각각의 타각으로 개별적으로 회전할 수 있게 하는 것을 특징으로 하는, 상부 방향타와 하부 방향타로 완전 분리되어 개별 구동하는 선박의 분리형 방향타의 제조방법.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 상부 방향타 및 하부 방향타는 프로펠러 축을 중심으로 하여 상하 대칭의 간격을 두고 완전히 분리되는 것을 특징으로 하는, 상부 방향타와 하부 방향타로 완전 분리되어 개별 구동하는 선박의 분리형 방향타의 제조방법.
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 상부 방향타와 하부 방향타의 분리된 간격은 프로펠러 축 중심을 기준으로 프로펠러 직경의 7% 내지 35%의 범위가 되도록 하는 것을 특징으로 하는, 상부 방향타와 하부 방향타로 완전 분리되어 개별 구동하는 선박의 분리형 방향타의 제조방법.

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