KR20110120501A - 타판 뒷날에 회전자가 설치된 선박용 타 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선박용 타 장치에서 타판의 뒷날부분에 원통형의 회전자를 설치하여 회전시켜줌으로서 회전자가 회전할 때 회전자를 따라 흐르는 유체를 이용하여 압력면을 지나는 유체의 유속을 늦추어 압력을 상승시키는 효과를 얻고, 흡입면을 지나는 유체의 유속을 높여줌으로서 흡입면의 압력을 낮추어 타판에서 발생되는 양력을 향상시켜주는 장치에 관한 것으로서, 본 발명을 적용한 한 예로 보인 선박용 타 장치는 혼과 타판으로 이루어지는 일반형 혼타의 뒷날부분에 고속으로 회전이 가능한 원통형의 회전자를 설치하여 이를 제어할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 타판의 뒷날에 회전자가 설치된 선박용 타 장치를 기술적 구성상의 특징으로 한다.
본원 발명은 첫째, 타판의 뒷날부분을 5~10% 정도를 잘라내고 이 부분에 원통형의 회전자를 붙여주어 회전자가 회전하지 않는 상태에서도 타판의 양력손실이 최소한이 되도록 한 것이며 둘째, 타판의 뒷날을 따라서 한 개 또는 다수의 회전자를 수중모터로 제어 가능하도록 한 것이고 셋째, 타판이 고정되어 있는 상태에서도 회전자의 회전을 제어하는 것만으로도 타력의 변화시킬 수 있으며 넷째, 타 장치의 흡입면을 지나는 유선이 박리현상을 일으켜 뒷날근처에 형성되는 와류를 완화 시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

타판 뒷날에 회전자가 설치된 선박용 타 장치{Ship's rudder with trailing edge rotor on rudder blade}

본 발명은 선박용 타 장치에서 타판의 뒷날부분에 원통형상의 회전자가 설치된 선박용 타 장치에 관한 것으로서, 회전자는 타판의 날개 뒷날을 따라서 한개 또는 다수개로 분할 배치되며 이들 회전자의 회전속도를 제어함으로서 회전자가 회전할 때 회전자를 따라 흐르는 유동이 타 장치의 날개 단면의 흡입면 쪽 유속을 증가시키고 압력면 쪽의 유속을 감소시킴으로 흡입면의 압력을 떨어뜨리고 압력면의 압력을 높여줌으로서 타 장치에서 발생되는 양력을 증가시키도록 고안된 장치에 관한 것이다.

종래의 혼 타는 날개단면의 코드(Chord) 길이의 40%를 고정부인 혼(Horn)이 점하고 가동부인 타판(Rudder)은 통상적으로 나머지 60%를 점하고 있다. 혼 타의 타판이 일정한 타각으로 각 회전을 일으키면 타 장치의 단면형상이 비대칭형으로 바뀌므로 타판의 한쪽 면을 지나는 유선은 길어지게 되어 유속이 빨라지며, 다른 쪽 면에서는 유선은 짧아져서 유속이 느려지게 된다. 이로 인하여 타 장치에는 압력면에서는 압력이 증가하는 한편, 흡입면에서는 압력이 감소하게 되어 두 면 사이에 형성되는 전 압력의 차이로 인하여 양력이 발생하게 된다.

위의 타 장치에서 타판의 뒷날부분을 잘라내고 원통형상의 회전자를 붙여주고 회전자의 회전속도를 제어하면 회전자를 따라서 흐르는 유동으로 인하여 타 장치의 압력면과 흡입면을 지나 흐르는 유속을 제어할 수 있게 되며 이를 이용하여 일반적인 타 장치에서 발생되는 양력 증가시키는 것을 목적으로 하는 타 장치에 관한 것이다.

일반상선에서는 보편적으로 고정부인 혼과 가동부인 타판으로 구성되는 타 장치가 채택되고 있으며 타 장치는 선박의 추진기(프로펠러 등)의 후방에 설치되어 있어서 추진기에 의하여 가속된 유체 중에서 작동된다. 따라서 설계속도에서 충분한 양력을 얻을 수 있도록 설계되지만 입출항할 때나 번잡한 항로에서 운항할 때는 저속 운항이 불가피하고 타 장치 주위의 유속이 떨어짐에 따라서 안전 운항에 필요한 양력을 확보 할 수 없어서 예인선 등의 도움을 받아 운항하는 실정이다. 이러한 양력의 부족을 극복하며 보다 우수한 조종성능을 확보하기 위하여 타 장치에서 고정부를 없애고 타판 전체를 회전시키는 전 가동타가 사용되고 있다. 또 큰 양력이 요구되는 타 장치에서 양력 확보를 위하여 주 날개와 보조 날개를 기계적으로 연동시켜 높은 양력을 얻는 베커(Becker)식 타 장치로 발전되었으며, 한걸음 더 나아가 주 날개와 보조 날개의 틈새를 통하여 물 제트를 분출시켜 큰 양력을 발생시키도록 콴다(Coanda)현상을 이용한 타 장치가 최근 창안된 바 있다. 상기의 전 가동 타 또는 베커식 타 장치는 구조가 복잡하고 정밀 가공이 요구되고 관련 기술을 베커(Beker)사에서 특허기술로 독점적으로 보유하여 왔으므로 비싼 가격으로 공급되어 왔으며 콴다현상을 이용하는 타 장치는 유체를 흡입하여 분출해야하는 등의 기술적인 문제가 미해결 상태에 있어서 아직 실용화에 이르지 못하고 있다.

이하, 도면에 의하여 설명하면 도1은 종래 기술에 따른 선박용 타 장치의 개략도로서, 핀틀블록(30’-1)이 구비된 러더 혼(30‘)은 선체에 고정되며 혼과 결합된 타판(40’)은 타축(50’)을 중심으로 회전할 수 있도록 구성되어 있다.

도2a, 도2b는 상기 도1의 AA' 단면에서의 중립 및 작동상태의 예시도이다. 여기서, 도 2a는 도 1의 AA' 단면에서 타판이 중립위치에 있을 때의 타 단면 형상과 작동상태를 나타낸 것으로 날개단면이 대칭형으로 배치되어 있어서 유동도 대칭형이 됨으로 양력이 발생하지 않는 것으로 나타나 있으나, 도 2b는 타판이 5°회전한 상태에서의 단면의 형상과 작동상태를 나타낸 것으로서 날개 단면 형상이 비대칭형이 되고 유동도 비대칭이 됨으로 한쪽 면을 지나는 유선은 길어지고 유속이 빨라지게 되고 반대쪽 면에서는 유선이 짧아지고 유속은 느려지게 되어 압력이 높아지는 면을 압력면(p)로 표시하고 유속이 빨라져 압력이 떨어지는 면을 흡입면(i)으로 표시한다. 압력면 (p)와 흡입면(i)에 작용하는 전압력의 차이는 타에 작용하는 양력이 되며 타에서 발생한 양력으로 선박을 조종제어에 사용하게 된다.

이에 본 발명은 상선에서 일반적으로 사용되는 타 장치에서 양력을 증가시킬 것을 목적으로 타판의 뒷날 부분을 양력 손실이 최소한이 되도록 잘라내고 뒷날부분을 고속으로 회전이 가능한 원통형의 회전자를 설치하여 이때의 단면 형상의 변화를 보이기 위한 것으로 도3은 종래 기술의 타 형상과 본 발명에 따른 회전자가 설치된 타 장치의 비교도로서, 도 3a는 종래의 타 장치의 단면 형상이고, 도 3b 및 도 3c는 본 발명의 변화된 단면 형상을 나타내고 있다. 여기서 도 3c는 고정부인 러더 혼(30)없이 타(100) 전체가 움직이도록 설계된 전(全) 가동 날개장치의 뒷날부분에 회전자(10)를 설치하여 양력특성을 개선하는 양력 발생장치를 나타낸 것이다.

도4는 종래 기술의 타 장치와 본 발명에 따른 회전자가 설치된 타 장치 표면의 압력분포도로서, 타 단면 형상의 변화가 양력에 미치는 영향을 알아보기 위하여 타각이 10°인 경우에 대하여 수치계산 프로그램 풀루언트(FLUENT)를 이용하여 수치 계산을 수행하여 종래의 타 형상일 때의 타판 주위의 압력계수의 분포를 점선으로 나타냈으며, 뒷날 부분을 원통형의 회전자로 바꾸어준 상태에서 원통이 회전하지 않고 정지되었을 때의 타판주위의 압력계수 분포를 실선으로 나타냈다. 상기 도 4에 나타난 바와 같이, 타 장치는 타판의 뒷날을 회전하는 원통으로 바꾸어 주더라도 타의 성능에는 큰 영향을 주지 않는 것을 확인 할 수 있다.

도5는 종래 기술의 타장치 주위의 유선분포도와, 본 발명에 따른 고정된 회전자가 설치된 타 장치의 유선분포도를 수치계산원점으로부터 X축방향으로의 거리를 X로, Y축방향으로의 거리를 Y라하고 이를 날개단면의 코드길이 C에 대한 비로 표기하여 나타낸 도면으로서, 타판의 형상이 바뀌더라도 양력특성의 변화가 크지 않다는 것을 알 수 있다.

도 5a는 동일한 상태에서 종래의 타 단면 주위의 유선분포도이며, 도 5b는 본 발명의 원통형 회전자(10)를 정지되어 있는 상태로 설치한 타 장치의 유선분포도이다. 이에 따르면 날개 형상이 바뀌었으나 흡입면에서 박리 현상이 발생되어 동등 규모의 와류(보오텍스)가 형성되고 상기 보오텍스는 시계방향으로 회전함으로 보오텍스의 아래쪽에서는 날개의 앞날쪽으로 유속이 형성되어 날개의 흡입면을 따라서 뒷날쪽으로 흐르는 유속과 상쇄되어 유속이 감소됨에 따라서 흡입면에서 나타나야할 압력저하가 충분히 나타나지 못하는 문제점이 있다.

이상에서 상세하게 설명한 바와 같이 종래의 타 장치 또는 회전자가 설치된 개량형 타 장치에서 모두 흡입면 쪽에서 발생되는 박리 현상과 더불어 강한 보오텍스가 형성되지만 회전자를 회전시켜주면 회전자를 따라서 흐르는 유동이 형성되며, 이는 흡입면에 형성된 보오텍스와 회전 방향이 동일한 보오텍스를 형성하게 됨으로 두 개의 인접한 보오텍스가 상호 간섭을 일으키며 상쇄됨으로 흡입면을 지나는 유속을 증가 시키는 효과가 나타나 압력저하를 촉진하여 양력의 증가로 이어지게 될 것으로 기대된다.

본 발명은 이와 같이 회전자를 회전시켜 흡입면에 형성되는 보오텍스와 같은 방향으로 회전하는 보오텍스를 형성 시키고 이들이 상쇄되도록 한 것으로서 첨부도면에 의하여 보다 상세하게 설명하기로 한다. 도 6은 본 발명의 뒷날에 회전자가 설치된 개량형 선박용 타(100) 장치의 사시도로서, 타 장치는 핀틀블록(30-1)이 구비된 혼(30)과 타판(40)으로 구성되며, 타판의 뒷날부분에 중심축(20)을 중심으로 회전하는 원통형의 회전자(10)가 설치된다. 이 회전자(10)는 타판 내부에서 전력을 공급받는 수중 모터(도시 생략)로 구동된다.

도7a 내지 도7d는 회전자가 고정된 경우 및 회전하는 경우의 회전자 주위의 확대 유선분포도이며, 도8은 회전자의 표면속도가 유입속도의 2배인 경우에 본 발명에 따른 회전자가 설치된 타 장치 주변의 유선분포도이다.

도7a 내지 도7d에 나타난 바와 같이, 타판의 뒷날에 붙여진 회전자를 회전시켰을 때 회전자를 따라서 회전하는 회전유동이 보오텍스를 형성하며 이 보오텍스는 타판의 뒷날 근처 흡입면에 형성된 강한 보오텍스 유동을 상쇄시키는 것을 확인할 수 있는 회전자 주위의 확대 유선분포도이다. 여기서, 도 7a는 도 5b의 확대 상세도면으로서, 회전자가 정지 되어 있는 상태이고, 도 7b는 회전자 표면의 원주방향 속도(U_C)와 유입 유속(U_∞)의 비 U_C/U_∞ 가 0.5인 경우에 대하여 계산 한 것으로서 도 7a에서 보이던 강한 보오텍스가 회전자의 회전에 의하여 두 개의 보오텍스로 나눠지는 것이 잘 나타나 있다. 또 회전 속도가 증가하여 회전자 표면의 원주방향 속도(U_C)와 유입 유속(U_∞)의비 U_C/U_∞ 가 1이 되면 도 7b에서 두 개로 분리되었던 한 쌍의 보오텍스의 세기가 점차 줄어들어 도 7c와 같아지는 것을 알 수 있다. 그리고 회전자의 회전 속도를 더욱 증가시켜 회전자 표면의 원주방향 속도(U_C)와 유입 유속(U_∞)의비 U_C/U_∞ 가 2에 이르면 후방의 보오텍스는 소멸되어 도 7d와 같아지는 것이 확인되고 U_C/U_∞=2인 상태에서 타 전체의 유선 분포는 도 8과 같이 나타나게 된다.

이상의 각각의 계산 결과로부터 타 단면의 전진 속도가 레이놀즈 수(Rn)로 3.752×10⁵인 상태에서 회전자의 속도를 변화시키고 회전자의 속도 변화에 따르는 타 장치에 작용하는 양력과 항력을 계산하면 다음의 <표 1>에서 보는 것과 같은 결과를 얻을 수 있다.

회전자를 붙인 타에서 회전자의 회전속도 변화에 따른 양력 및 항력 특성

UC/U∞	CL	Increase of CL (%)	CD	Increase of CD(%)	CL/CD
0	0.419	100.0	0.065	100	6.48
0.5	0.512	122.1	0.068	105.83	7.48
1	0.610	145.4	0.072	111.58	8.45
2	0.808	192.8	0.080	123.56	10.11

표의 내용에서 확인할 수 있는 것과 같이 회전자의 회전속도가 증가하면 양력(C_L)과 항력(C_D)이 모두 증가하지만 양력의 증가가 항력의 증가에 비하여 빠르기 때문에 양항력 비 (C_L/C_D)도 증가하게 된다. 특히 타판에 유입되는 유속의 2배에 해당하는 표면 속도가 되도록 회전자의 회전 속도를 높여 주었을 때를 보면 양력은 92.8% 증가하는데 대하여 항력은 23.56%증가에 그치기 때문에 양항비는 6.48로부터 10.11로 개선됨으로 개선율로는 56.0%가 개선되는 것을 알 수 있다.

따라서, 회전자의 회전속도를 증가시켜주면 타판의 뒷날부분의 회전자 주위에서 강력한 보오텍스가 회전자의 회전속도 증가에 따라서 감쇄되어 양력을 증가시키며, 양항력비도 개선시킴으로서 타 장치의 성능을 향상한다. 러더 혼 없이 타 전체가 움직이도록 설계된 전(全) 가동 날개장치의 뒷날부분에 회전자를 설치할 경우에도 같은 성능향상 효과가 있다.

도1은 종래 기술에 따른 선박용 타 장치의 개략도이며,
도2a, 도2b는 상기 도1의 AA' 단면에서의 중립 및 작동상태의 예시도이고,
도3a는 종래 기술의 타 단면형상이고, 도3b 및 도3c는 본 발명에 따른 회전자가 설치된 혼 타 및 전(全)가동 타의 단면형상이며,
도4는 종래 기술의 타 장치와 본 발명에 따른 회전자가 설치된 타 장치 표면의 압력분포도이고,
도5a, 도5b는 종래 기술의 타장치 주위의 유선분포도와, 본 발명에 따른 고정된 회전자가 설치된 타 장치의 유선분포도이며,
도6은 본 발명에 따른 회전자가 설치된 타 장치의 사시도이고,
도7a 내지 도7d는 회전자가 고정된 경우 및 회전하는 경우의 회전자 주위의 유선분포의 상세도이며,
도8은 회전자의 표면속도가 유입속도의 2배인 경우에 본 발명에 따른 회전자가 설치된 타 장치 주변의 유선분포도이다.

본 발명에서는 일반적인 설계방법에 의하여 타 장치를 설계하여 타 단면의 형태를 결정하고, 단면의 형태를 코드 길이(Chord Length: C )를 5~10%정도 잘라내어 날개 단면의 뒷날에 베어링 등을 포함한 일반적인 방법으로 회전축(20)을 축으로 회전하는 원통형 회전자(10)를 설치한다. 이때 타 단면의 양력특성은 도 5b에 나타난 바와 같이 거의 변화하지 않도록 한다. 회전자(10)는 당초 설계된 타판의 뒷날을 따라서 설치되며 타판의 구조에 적합한 한 개 또는 다수 개로 분할 배치하여도 좋다. 회전자를 구동시키기 위한 모터는 타판 내부의 공간에 배치하며 모터는 속도조절이 가능한 일반 모터 또는 수중모터를 사용한다. 모터의 형상에 따라서 회전자와 평행하게 또는 직교하는 방향으로 배치하며 모터와 회전자의 배치에 적합한 동력전달 방법을 사용하여 회전자에 동력을 전달한다. 동력전달기구로서는 기어방식, 체인 구동방식, 벨트 구동방식 등의 기계적인 동력 전달 방식을 사용하거나 타판 내부에 소형고속고압 원심 펌프를 두어 제트를 회전자에 붙여진 날개 열에 분사시키는 터빈 구동방식으로 회전 시키는 것이 가능하다. 또한 가늘고 긴 모터를 회전자에 직결 구동하는 방법도 사용할 수 있다.

타판 내부에 설치되는 모터에 전력을 공급하기 위하여서는 타판이 +40도에서 -40도 사이를 단순 왕복한다는 특성을 가지므로 중공식 타축을 채택하여 전선을 축내부로 배선하는 방법을 사용할 수 있으며, 직류 전동기 또는 회전 계측기기 등에서 사용하는 슬립링과 카본 브러시방식을 채택하던가 전력공급용 트로리선 방식 등의 다양한 방법으로 타판 내부에 전력공급이 가능하다.

10 : 회전자 20 : 회전자 축
30, 30‘ : (러더)혼 30-1, 30’-1 : 핀틀블록
40, 40‘ : 타판 50, 50’ : 타축
100 : 타

Claims (4)

1. 혼(30)과 타판(40)이 타축(50)으로 결합되는 선박용 타(100) 장치에 있어서,
   타판(40)의 뒷날부분 일부를 절단하여 원통형 회전자(10)를 설치하고, 상기 회전자(10)가 회전자축(20)을 중심으로 회전할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 타판 뒷날에 회전자가 설치된 선박용 타 장치
   
2. 제1항에 있어서,상기 타판(40)의 뒷날부분의 일부 절단 위치는 타(100) 단면의 코드 길이(Chord Length: C )의 5~10% 인 것을 특징으로 하는 타판 뒷날에 회전자가 설치된 선박용 타 장치
   
3. 선박용 타(100) 장치에 있어서, 타(100)의 뒷날부분 일부를 절단하여 원통형 회전자(10)를 설치하고, 상기 회전자(10)가 회전자축(20)을 중심으로 회전할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 타판 뒷날에 회전자가 설치된 선박용 타 장치
   
4. 제3항에 있어서, 상기 타(100)의 뒷날부분의 일부 절단 위치는 타(100) 단면의 코드 길이(Chord Length: C )의 5~10% 인 것을 특징으로 하는 타판 뒷날에 회전자가 설치된 선박용 타 장치

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