KR20110134191A - 오픈 샤프트형 선박 - Google Patents

Abstract

오픈 샤프트형 선박이 개시된다.　 본 발명의 일 측면에 따른 본 발명의 일 측면에 따른 오픈 샤프트형 선박은 선체와, 선체에서 외부로 연장되어 노출되며 단부에 프로펠러가 설치된 샤프트와, 프로펠러의 전방부에서 선체의 저면에 설치되어 샤프트를 지지하는 한 쌍의 받침지주와, 한 쌍의 받침지주 사이에 설치되어 프로펠러의 상부 영역으로 유입되는 유체의 유속을 증가시키는 덕트부재를 포함한다.

Description

오픈 샤프트형 선박 {OPEN SHAFT TYPE SHIP}

본 발명은 오픈 샤프트형 선박에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 선체의 하부에 유체의 유속을 향상시키는 덕트를 설치한 오픈 샤프트형 선박에 관한 것이다.

일반적으로 선박에는 엔진 등으로부터 발생하는 구동력을 전달받는 프로펠러가 구비된다.

이러한 프로펠러는 이 프로펠러는 유체 중에서 회전함에 따라 유체가 빨려지는 면과 유체가 방출되는 면의 압력차가 발생되며, 이에 따라 각 날개에 양력이 발생한다.　 이와 같이 프로펠러에서 발생된 양력은 선박의 추진력으로 작용한다.

이러한 선박의 일례로 여객선 또는 군함 등과 같이 고속의 추진력을 필요로 하는 선박은 프로펠러와 연결된 샤프트의 일부가 선체의 외부로 돌출되어 있으며, 이러한 형태의 선박을 오픈 샤프트형 선박으로 구분할 수 있다.

종래의 오픈 샤프트형 선박은 선체의 외부로 프로펠러가 설치된 샤프트가 돌출되어 있으며, 선체의 저면에는 이와 같이 돌출된 샤프트를 선체에 대해 지지하기 위한 받침지주가 설치된다.

종래의 오픈 샤프트형 선박에 설치된 받침지주는 통상 2개로 이루어지며, V형(V-strut)으로 배치되어 샤프트를 지지한다.

이러한 오픈 샤프트형 선박은 노출된 샤프트 및 이를 지지하는 받침지주에 의해 선체의 후방으로 이동하는 유체 저항이 발생하고 있으며, 이에 따라 프로펠러의 상부로 유입되는 유체의 유속을 저감시키는 요인이 되고 있다.

이와 같이, 프로펠러의 상부로 유입되는 유체의 유속이 낮아지게 되면, 프로펠러의 전방과 후방 사이의 유속차이가 크게 발생되어 캐비테이션이 크게 발생할 수 있으며, 이에 따라 소음 및 기진력이 크게 발생할 수 있다.

한편, 군함과 같은 특수선은 전시에 어뢰 등에 의한 공격 가능성이 있으며, 특히 소리를 감지하는 음향 어뢰에 대한 회피 성능을 향상시키기 위해 고속 추진력과 함께 저소음 기동 성능이 요구되고 있다.

더욱이 군함과 같은 특수선은 선속이 증가함에 따라 캐비테이션이 발생할 수 있으며 이러한 캐비테이션은 소음을 발생시키는 요인이 되므로, 선속을 증가시키는데 제한이 되고 있다.

따라서, 군함과 같은 특수선의 성능향상을 위해 캐비테이션이 발생하지 않으면서도 선속을 증가시키기 위한 기술개발이 요구되고 있으며, 이에 따라 초기에 캐비테이션이 발생하는 선속을 나타내는 캐비테이션의 초생 성능을 향상시키기 위한 시도가 지속되고 있다.

일례로, 종래에는 선체의 저면에 선체의 길이방향으로 형성된 핀(Fin) 등의 부가물을 설치하는 기술이 개시되었으나, 이러한 핀들에 의해 자체적인 캐비테이션이 발생할 수 있어서 완전한 해결방안이 제시되고 있지 않은 상황이다.

본 실시예는 프로펠러의 상부로 유입되는 유체의 유속을 향상시켜 캐비테이션의 발생을 억제하도록 구조를 개선한 오픈 샤프트형 선박을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 오픈 샤프트형 선박은 선체와, 선체에서 외부로 연장되어 노출되며 단부에 프로펠러가 설치된 샤프트와, 프로펠러의 전방부에서 선체의 저면에 설치되어 샤프트를 지지하는 한 쌍의 받침지주와, 한 쌍의 받침지주 사이에 설치되어 프로펠러의 상부 영역으로 유입되는 유체의 유속을 증가시키는 덕트부재를 포함한다.

덕트부재가 설치된 높이는 샤프트의 중심축에서 프로펠러 반경의 0.5 내지 1.5배에 대응하는 높이에 설치될 수 있다.

덕트부재는 샤프트의 중심축에 대해 원호형으로 형성될 수 있다.

덕트부재는 단면의 형상이 하방으로 볼록한 형태의 수중익형(hydrofoil)일 수 있다.

한 쌍의 받침지주는 프로펠러의 전방에 설치될 수 있다.

한 쌍의 받침지주는 각각의 일단부가 샤프트에 설치되고, 각각의 타단부는 상측으로 벌어지면서 선체의 저면에 설치될 수 있다.

샤프트는 한 쌍으로 이루어지고, 한 쌍의 샤프트는 선체의 중심선에 대해 좌우 대칭으로 배치될 수 있다.

따라서, 프로펠러의 상부측으로 유입되는 유체가 덕트를 통과하는 과정에서 유속이 빨라지게 되어 프로펠러의 전방과 후방 사이의 속도차이를 줄일 수 있고, 이에 따라 캐비테이션이 발생하는 시기를 지연시켜 캐비테이션의 초생 성능을 향상시킬 수 있다.　 이와 같이, 캐비테이션의 초생 성능을 향상시킴에 따라 선박의 속도를 빠르게 유지할 수 있고, 프로펠러의 회전시 발생하는 기진력을 감소시킬 수 있고, 선체로 전달되는 진동을 저감시켜 승선감을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 오픈 샤프트형 선박의 일부를 도시한 측면도.
도 2는 도 1의 A-A선의 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 오픈 샤프트형 선박의 일부를 하부에서 본 사시도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 오픈 샤프트형 선박의 덕트를 통과하는 유체의 속도분포를 도시한 그래프.
도 5의 (a)는 일반적인 오픈 샤프트형 선박의 프로펠러에서 발생하는 반류분포를 도시한 그래프이고, (b)는 본 실시예에 따른 오픈 샤프트형 선박의 프로펠러에서 발생하는 반류분포를 도시한 그래프.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.

이하, 본 발명에 따른 오픈 샤프트형 선박의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 오픈 샤프트형 선박의 일부를 도시한 측면도이고, 도 2는 도 1의 A-A선의 단면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 오픈 샤프트형 선박의 일부를 하부에서 본 사시도이다.

도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 실시예에 따른 오픈 샤프트형 선박(10)은 선체(12)와, 방향타(14)와, 샤프트(20)와, 프로펠러(22)와, 받침지주(24)와, 연결부(26)와, 덕트부재(30)를 포함할 수 있다.

본 실시예에 따른 오픈 샤프트형 선박(10)에는 선체(12)의 내부에 엔진을 포함하는 추진기관이 설치되고, 이 추진기관에는 구동력을 전달하기 위한 샤프트(20)의 일단부가 연결될 수 있다.

그리고, 이 샤프트(20)의 타단부는 선체(12)에서 외부로 연장되어 노출되며, 그 단부에 추진력을 발생시키기 위한 프로펠러(22)가 설치된다.

이러한 샤프트(20)는 추진기관으로부터 전달된 구동력을 전달하여 프로펠러(22)를 회전시킨다.

또한, 선체(12)의 저면에는 프로펠러(22)의 후방에서 선체(12)에 대해 회전 가능하게 설치된 방향타(14)가 설치될 수 있다.　 이 방향타(14)는 프로펠러(22)에 의해 발생되는 반류의 방향을 제어하여 선박(10)의 진행방향을 조정할 수 있다.

한편, 선박(10)에는 외부로 연장되어 노출된 샤프트(20)의 단부를 지지하여 흔들림을 방지하기 위한 받침지주(24)가 설치될 수 있다.

본 실시예에서 받침지주(24)는 한 쌍으로 이루어질 수 있다.　 한 쌍의 받침지주(24)는 각각의 일단부가 샤프트(20)에 설치되어 샤프트(20)를 회전 가능하게 지지할 수 있다.　 또한, 한 쌍의 받침지주(24)는 각각의 타단부가 선체(12)의 저면에 설치된다.

이때, 한 쌍의 받침지주(24)는 타단부가 상측으로 벌어지면서 선체(12)의 저면에 설치될 수 있으며, 이에 따라 샤프트(20)를 안정적으로 지지할 수 있다.

일례로 본 실시예에서 한 쌍의 받침지주(24)는 V형태로 설치될 수 있으며, 이러한 형태의 받침지주(24)를 브이 스트럿(V-strut)형 받침지주(24)라 한다.

이러한 한 쌍의 받침지주(24)는 프로펠러(22)의 전방에 설치될 수 있다.　 또한, 이러한 받침지주(24)들은 샤프트(20)의 선체(12)에 대한 돌출 시작 위치에서 후방으로 소정 거리만큼 이격되어 설치될 수 있다.

본 실시예에서 샤프트(20)는 받침지주(24)가 설치되는 연결부(26)를 더 포함할 수 있다.　 또한 연결부(26)의 내부에는 샤프트(20)를 회전 가능하게 지지하는 (도시되지 않은) 베어링이 구비될 수 있다.

한편, 한 쌍의 받침지주(24) 사이에는 프로펠러(22)의 상부 영역으로 유입되는 유체의 유속을 증가시키는 덕트부재(30)가 설치될 수 있다.

또한, 본 실시예에서 덕트부재(30)는 양단부가 한 쌍의 받침지주(24) 사이에 설치된 것으로 설명하고 있으나, 이에 한정되지 않는다. 일례로 덕트부재(30)는 한 쌍의 받침지주(24) 사이 및 각각의 받침지주(24)에서 외측으로 더 돌출되어 형성되는 것도 가능하다. 또한, 덕트부재(30)는 각각의 받침지주(24)에 서로 독립적으로 설치될 수 있다. 즉, 덕트부재(30)는 각각의 받침지주(24)에서 마주 보는 한쪽 측면에만 설치되거나 각각의 받침지주(24)의 양쪽 측면 모두에 설치되는 것도 가능하다. 이때, 덕트부재(30)는 받침지주(24) 사이에 설치된 부분이 서로 분리된 상태일 수 있으며, 분리된 덕트부재(30) 사이에 굴곡율이 다른 보조 덕트부재가 더 설치되는 것도 가능하다.

본 실시예에 따른 선박(10)은 추진기관이 복수개로 설치될 수 있으며, 일례로 본 실시예는 추진기관이 2개로 이루어질 수 있으며, 각각의 추진기관에서 외부로 노출된 샤프트(20)가 쌍을 이루는 쌍축형 선박(10)으로 구분될 수 있다.　

여기서, 각각의 추진기관에 연결된 샤프트(20)는 선체(12)의 중심선에 대해 좌우 대칭으로 배치될 수 있다.　 또한, 각각의 샤프트(20)는 서로 반대방향으로 회전하며 프로펠러(22)를 회전시킬 수 있다.

본 실시예에서 선박(10)에 설치된 추진기관 및 이에 연결된 샤프트의 개수와 설치 위치는 한정되지 않으며, 다양한 실시예로 변형될 수 있다.　 일례로, 다른 실시예에 따르면, 선박(10)은 하나의 추진기관을 포함할 수 있으며, 이 추진기관에 연결된 추진축이 선체(12)의 중심선에 배치될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 오픈 샤프트형 선박의 덕트를 통과하는 유체의 속도분포를 도시한 그래프로서, 이를 참고하면 덕트부재(30)는 단면의 형상이 하방으로 볼록한 형태의 수중익형(hydrofoil)으로 형성될 수 있다.

이에 따라 덕트부재(30)는 유체가 덕트부재(30)를 통과하는 흐름에 의해 덕트부재(30)의 상부에는 정압이 작용하고, 덕트부재(30)의 하부에는 양력이 발생한다.　 그리고, 덕트부재(30)에 의해 발생된 양력은 유체의 진행방향으로 작용하는 힘과 합해지면서 덕트부재(30)의 하부로 통과하는 유체의 유속을 증가시킨다.

이와 같이 본 실시예의 선박(10)의 프로펠러(22)의 상부영역을 덕트부재(30)를 이용하여 상, 하부로 구분할 수 있고, 이에 따라 덕트부재(30)에 의한 파셜 덕트(Patial duct)의 효과에 의해 유체의 유속을 부분적으로 증가시킬 수 있다.

본 실시예에서 덕트부재(30)의 단면형상은 한정되지 않으며, 유체의 유속을 증가시키기 위해 받음각이나, 형태 등을 다양하게 설계 변경될 수 있다.

도 5의 (a)는 일반적인 오픈 샤프트형 선박의 프로펠러에서 발생하는 반류분포를 도시한 그래프이고, (b)는 본 실시예에 따른 오픈 샤프트형 선박의 프로펠러에서 발생하는 반류분포를 도시한 그래프이다.

도 5의 (a)를 참고하면, 일반적인 오픈 샤프트형 선박(10)은 프로펠러(22) 하부영역을 통과하는 유체는 선체(12)에 대한 영향을 받지 않는다.

한편, 프로펠러(22)의 상부영역의 유속은 선체 등에 의한 영향으로 프로펠러(22) 하부영역의 유속에 비해 느리다.

일례로, 프로펠러(22) 직경의 0.5 내지 1.5배에 대응하는 높이의 유속을 보면, 프로펠러(22) 하부 또는 측면 주변 영역의 유속을 ‘1’이라 할 때, 프로펠러(22) 상부 영역의 유속은 약 0.6 내지 0.85로 나타나며, 유속의 평균값은 약 0.7임을 알 수 있다.

한편, 도 5의 (b)를 참고하면, 본 실시예에서 덕트부재(30)는 샤프트(20)의 중심축에서 프로펠러(22) 반경의 0.5 내지 1.5배에 대응하는 높이에 설치될 수 있다.　 즉, 덕트부재(30)는 한 쌍의 받침지주(24) 사이에 샤프트(20)의 중심축을 기준으로 프로펠러(22) 반경의 0.5 내지 1.5배에 대응하는 높이에 설치될 수 있다.

본 실시예와 같이, 받침지주(24) 사이에 설치된 덕트부재(30)는 프로펠러(22) 상부영역의 유속을 증가시킬 수 있다.

일례로 덕트부재(30)는 샤프트(20)의 중심축에서 프로펠러(22) 반경의 약 1.0배에 대응하는 높이에 설치될 수 있다. 이때 프로펠러(22) 하부 또는 측면 주변 영역의 유속을 ‘1’이라 할 때, 프로펠러 상부 영역에서 덕트부재(30)의 하부는 유속이 약 0.75 내지 0.9로 나타나며, 유속의 평균값은 약 0.8임을 알 수 있다. 따라서 본 실시예와 같이 덕트부재(30)이 형성될 경우, 덕트부재가 없는 경우에 비해 프로펠러(22) 상부 영역의 유속이 증가됨을 알 수 있다.

이와 같이, 프로펠러(22) 상부 영역의 유속이 증가되면, 프로펠러(22)의 회전시 캐비테이션이 발생하는 시기를 지연시킬 수 있다.　 따라서 본 실시예는 덕트부재(30)에 의해 초생 캐비테이션이 발생하는 위치의 반류의 속도가 증가되므로, 초생성능을 향상시킬 수 있다.

한편, 덕트부재(30)에 의한 모형선의 전체저항(RTM)은 덕트부재(30)가 없는 경우에 비해 약 0.7% 정도 증가되나, 캐비테이션의 초생 성능 향상에 따라 선속을 빠르게 유지시킬 수 있다.　

이와 같이, 본 실시예는 캐비테이션의 초생 성능이 향상되므로, 선박(10)의 평시 선속을 향상시킬 수 있으며, 어뢰 등의 위협으로부터 선박(10)을 안전하게 지킬 수 있고, 전시 생존 가능성을 증가시킬 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10 : 선박　　　　 12 : 선체
14 : 방향타　　　　 20 : 샤프트
22 : 프로펠러　　　　 24 : 받침지주
26 : 연결부　　　　 30 : 덕트부재

Claims (7)

1. 선체와,
   상기 선체에서 외부로 연장되어 노출되며 단부에 프로펠러가 설치된 샤프트와,
   상기 프로펠러의 전방부에서 상기 선체의 저면에 설치되어 상기 샤프트를 지지하는 한 쌍의 받침지주와,
   상기 한 쌍의 받침지주 사이에 설치되어 상기 프로펠러의 상부 영역으로 유입되는 유체의 유속을 증가시키는 덕트부재를 포함하는 오픈 샤프트형 선박.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 덕트부재가 설치된 높이는 상기 샤프트의 중심축에서 상기 프로펠러 반경의 0.5 내지 1.5배에 대응하는 높이에 설치된 것을 특징으로 하는 오픈 샤프트형 선박.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 덕트부재는 상기 샤프트의 중심축에 대해 원호형으로 형성된 것을 특징으로 하는 오픈 샤프트형 선박.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 덕트부재는 단면의 형상이 하방으로 볼록한 형태의 수중익형(hydrofoil)인 것을 특징으로 하는 오픈 샤프트형 선박.
5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 한 쌍의 받침지주는 상기 프로펠러의 전방에 설치된 것을 특징으로 하는 오픈 샤프트형 선박.
6. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 한 쌍의 받침지주는 각각의 일단부가 상기 샤프트에 설치되고, 각각의타단부는 상측으로 벌어지면서 상기 선체의 저면에 설치되는 것을 특징으로 하는 오픈 샤프트형 선박.
7. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 샤프트는 한 쌍으로 이루어지고,
   상기 한 쌍의 샤프트는 상기 선체의 중심선에 대해 좌우 대칭으로 배치된 것을 특징으로 하는 오픈 샤프트형 선박.
   

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