KR20120132082A - 프로펠러 날개 끝에 곡판이 부착된 덕트 프로펠러 추진장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 종래의 단독 프로펠러, 덕트 프로펠러 및 링 프로펠러의 단점을 배제하고 장점만을 취합하여 캐비테이션 발생을 억제하고 추진효율을 향상시킨 새로운 개념의 덕트 프로펠러 추진장치로서, 보다 상세하게는 덕트 및; 상기 덕트 내부면에 삽입되며 날개 끝에 곡판이 부착된 프로펠러;를 포함하는 프로펠러 날개 끝에 곡판이 부착된 덕트 프로펠러 추진장치를 제공한다. 본 발명에 따르면 다음과 같은 유리한 효과가 복합적으로 발생한다. 첫째, 종래의 단독 프로펠러에서 발생하는 날개 끝 보오텍스 유동의 에너지 손실을 감소시켜 추진효율을 향상시키고 날개 끝 보오텍스 캐비테이션 발생을 억제할 수 있다. 둘째, 종래의 덕트 프로펠러에서 덕트와 프로펠러 간의 상호작용에 의하여 사이공간에서 발생하는 유동손실(leakage loss)을 최소화하여 추진효율을 향상시킬 수 있다. 셋째, 덕트 표면을 따라 흐르는 유동이 프로펠러 날개 끝 곡판에 유입되기 때문에 곡판에 유입되는 유동입사각이 거의 0도가 되므로 날개 끝 곡판의 항력을 최소화 할 수 있다. 넷째, 종래의 덕트 프로펠러가 장착된 선박에 종래의 프로펠러 대신 본 발명에 따른 날개 끝에 곡판이 부착된 프로펠러를 대체하여 설치할 수 있으므로 최소의 비용으로 실용화가 용이하다.

Description

프로펠러 날개 끝에 곡판이 부착된 덕트 프로펠러 추진장치{ducted propeller with blade tip shrouded with curved plate}

본 발명은 종래의 단독 프로펠러, 덕트 프로펠러 및 링 프로펠러의 단점을 배제하고 장점만을 취합하여 캐비테이션 발생을 억제하고 추진효율을 향상시킨 새로운 개념의 덕트 프로펠러 추진장치에 관한 것이다.

선박용 프로펠러는 선체 내부에 설치된 엔진과 프로펠러 축(shaft)으로 연결되어 회전하면서 엔진이 주는 동력을 사용하여 선박의 선속을 발생시키는 추진장치이다.

선박이 고속화 및 대형화 되면서 프로펠러에 작용하는 부하가 증가함에 따라 프로펠러에서 발생하는 캐비테이션이 점차 심화되어 왔다. 이러한 상황은 프로펠러의 추진효율 감소, 선체를 진동시키는 기진력 발생, 프로펠러 표면 침식 및 유동소음 유발 등 공학적으로 많은 문제점을 주고 있다.

프로펠러의 추진효율 향상은 에너지 저감(energy saving) 및 선박의 운항비 절감 측면에서 매우 중요한 사항이다. 캐비테이션에 의한 기진력 발생은 선체구조물에 균열을 발생시켜 구조물의 안전성 확보에 치명적인 영향을 준다. 소음 발생은 기진력 발생과 더불어 승선자의 안락성을 저해하므로 국제적으로 많은 규제가 강화되고 있다. 캐비테이션에 의한 프로펠러 날개면 침식은 프로펠러 수명을 단축시켜 유지보수에 많은 시간과 비용을 초래하며 선박의 운항 경제성을 약화시킨다.

도 11과 같이 종래의 프로펠러(5)만을 선박(1)에 설치하는 경우에는 도 1과 같이 유체역학적으로 선박용 프로펠러의 날개 끝(blade tip)(8)에서 유동이 휘어 감기는 과정(flow roll up)에 의하여 날개 끝에 강한 보오텍스 유동(vortex flow)이 발생하며 이로 인하여 에너지 손실(energy loss)이 유발된다. 날개 끝 보오텍스의 강도가 클 경우에는 도 1의 (a)와 같이 날개 끝 캐비테이션(tip vortex cavitation)(2)이 발생하며 선체표면 변동압력과 유동소음이 발생한다. 도 1의 (b)와 같이 프로펠러에 캐비테이션 발생량이 많은 경우에는 추력 감소, 선체표면 변동압력 발생, 유동소음 발생 및 날개표면 침식을 유발하여 선박 성능에 나쁜 결과를 초래한다. 도 1의 (a)에서 프로펠러 날개 끝 부근에 하얗게 발생한 것이 날개 끝 캐비테이션(tip vortex cavitation)(2)이며, 도 1의 (b)에서는 프로펠러 날개면에 넓게 발생한 캐비테이션(28)을 보여준다.

도 8에서 보는 종래의 덕트 프로펠러(duct propeller)의 경우 덕트(16)는 도 12와 같이 선체에 고정되며 프로펠러(5)는 덕트(16)로 싸여진 내부공간에서 회전하면서 추진력을 발생시킨다. 이 경우 덕트 내부면(inner surface of duct)(20)과 프로펠러 날개 끝(propeller blade tip)(8) 사이에는 일정한 간격을 유지하게 되어 있다. 하지만 이는 덕트 내부면과 날개 끝 사이의 공간에서 발생하는 날개 끝 유동손실(tip leakage loss)로 인한 추진효율 감소의 요인으로 작용한다.

도 9에 보이는 종래의 링 프로펠러(ring propeller)는 링(22)이 프로펠러 날개 끝(8)을 연결하면서 360도로 둘러싸고 있어 프로펠러 날개 끝(8)에서의 보오텍스 유동 발생을 억제하는 효과가 있다. 하지만 링 프로펠러는 날개만의 효율 향상에는 기여하지만, 도 10과 같이 링 프로펠러가 선체에 의하여 발생하는 3차원 불균일 유동장에서 작동하므로 프로펠러 날개(5)를 에워싸는 링(22)에 유입되는 유동의 입사각(25)을 갖게 되며 링(22)의 표면적이 커서 이에 따른 항력(drag force)이 발생하여 추진효율이 저하되므로 현재에는 거의 사용되고 있지 않다.

링 프로펠러의 경우 링(22)에 의해 발생하는 마찰항력은 링(22)의 표면적과 유속의 제곱에 비례하여 증가한다. 링(22)은 360도 방향에 걸쳐서 분포되어 있으므로 넓은 표면적을 갖게 되며 이 표면적에 비례하여 마찰항력이 작용하게 된다. 그리고 링(22)은 프로펠러 축(4)에서 가장 멀리 떨어진 날개 끝에 부착되어 프로펠러와 함께 회전하기 때문에 링(22)의 원주방향(circumferential direction) 회전속도는 클 수밖에 없다. 또한 링 프로펠러는 3차원 불균일 반류 유동장(non-uniform wake field)에서 회전하기 때문에 일정한 각도로 부착된 링(22)은 회전 위치각도에 따라 정도의 차이는 있으나 유입유동의 입사각(25)을 갖게 되므로 항력증가 요인이 될 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 종래의 단독 프로펠러에 발생하는 날개 끝 보오텍스의 발생을 억제하여 추진효율을 향상시키고, 종래의 덕트 프로펠러에 존재하는 프로펠러 날개 끝과 덕트 사이의 공간을 없애어 유동손실(leakage loss)을 억제하여 추진효율을 향상시키고 해당 공간에 발생하는 캐비테이션의 발생을 억제하여 침식 가능성을 회피하며, 종래의 링 프로펠러의 단점인 링에 의한 항력 발생을 감소시켜 추진효율을 향상시킬 수 있는 새로운 개념의 덕트 프로펠러 추진장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

덕트 및;

상기 덕트 내부면에 삽입되며 날개 끝에 곡판이 부착된 프로펠러;

를 포함하는 프로펠러 날개 끝에 곡판이 부착된 덕트 프로펠러 추진장치를 제공한다.

본 발명에 따르면 다음과 같은 유리한 효과가 복합적으로 발생한다.

첫째, 종래의 단독 프로펠러 날개단면에 발생하는 순환(circulation)값이 날개 끝에서 갑자기 0이 되어 발생하는 날개 끝 보오텍스 유동의 에너지 손실을 감소시켜 추진효율을 향상시키고 날개 끝 보오텍스 캐비테이션 발생을 억제할 수 있다.

둘째, 종래의 덕트 프로펠러에서 덕트와 프로펠러 간의 상호작용에 의하여 사이공간에서 발생하는 유동손실(leakage loss)을 최소화하여 추진효율을 향상시킬 수 있다.

셋째, 덕트 표면을 따라 흐르는 유동이 프로펠러 날개 끝 곡판에 유입되기 때문에 곡판에 유입되는 유동입사각이 거의 0도가 되므로 날개 끝 곡판의 항력을 최소화 할 수 있다. 따라서 종래의 덕트 프로펠러의 장점과 링 프로펠러의 장점을 유지하면서 단점을 보완할 수 있다.

넷째, 종래의 덕트 프로펠러가 장착된 선박에 종래의 프로펠러 대신 본 발명에 따른 날개 끝에 곡판이 부착된 프로펠러를 대체하여 설치할 수 있으므로 최소의 비용으로 실용화가 용이하다.

도 1은 회전하는 프로펠러의 날개 끝에 발생한 날개 끝 보오텍스 캐비테이션(tip vortex cavitation)의 모습을 보여주는 사진.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따라 날개 끝에 곡판이 부착된 프로펠러의 모습.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 덕트의 모습.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 프로펠러 날개 끝에 곡판이 부착된 덕트 프로펠러 추진장치의 모습(입체도).
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 프로펠러 날개 끝에 곡판이 부착된 덕트 프로펠러 추진장치의 모습(정면도).
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 프로펠러 날개 끝에 곡판이 부착된 덕트 프로펠러 추진장치가 선박에 설치된 모습(측면단면도).
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 프로펠러 날개 끝에 곡판이 부착된 덕트 프로펠러 추진장치가 선박에 설치된 모습(입체단면도).
도 8은 종래의 덕트 프로펠러 추진장치의 모습.
도 9는 종래의 링(ring) 프로펠러의 모습.
도 10은 종래의 링 프로펠러의 링에 유입되는 유동 입사각 변화.
도 11은 프로펠러 단독으로 작동하는 종래의 선박 추진장치의 모습.
도 12는 종래의 덕트 프로펠러가 선박에 부착된 모습.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대하여 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.

본 발명은 종래의 단독 프로펠러, 덕트 프로펠러 및 링 프로펠러의 단점을 배제하고 장점만을 취합하여 캐비테이션 발생을 억제하고 추진효율을 향상시킨 새로운 개념의 덕트 프로펠러 추진장치를 제공하고자 한다.

보다 구체적으로 본 발명은 종래의 단독 프로펠러에 발생하는 날개 끝 보오텍스의 발생을 억제하여 추진효율을 향상시키고, 종래의 덕트 프로펠러에 존재하는 프로펠러 날개 끝과 덕트 사이의 공간을 없애어 유동손실(leakage loss)을 억제하여 추진효율을 향상시키고 해당 공간에 발생하는 캐비테이션의 발생을 억제하여 침식 가능성을 회피하며, 종래의 링 프로펠러의 단점인 링에 의한 항력 발생을 감소시켜 추진효율을 향상시킬 수 있는 새로운 개념의 덕트 프로펠러 추진장치를 제공하고자 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 덕트(16) 및; 덕트 내부면(20)에 삽입되며 날개 끝(8)에 곡판(10)이 부착된 프로펠러(5);를 포함하는 프로펠러 날개 끝에 곡판이 부착된 덕트 프로펠러 추진장치를 제공한다.

본 발명의 실시 예에 따른 덕트(16)는 도 3에서 보는 바와 같으며, 이는 종래의 덕트 프로펠러에서의 덕트(16)와 실질적으로 동일하다(도 8). 그리고 프로펠러(5)는 도 2와 같이 날개 끝(8)에 곡판(10)이 부착되어 있으며, 도 4 내지 도 7과 같이 덕트 내부면(20)에 삽입되도록 설치된다. 따라서 본 발명에 따르면 날개 끝(8) 곡판(10)의 작용으로 종래의 단독 프로펠러 날개단면에 발생하는 순환(circulation)값이 날개 끝에서 갑자기 0이 되어 발생하는 날개 끝 보오텍스 유동의 에너지 손실이 감소하여 추진효율이 향상되고 날개 끝 보오텍스 캐비테이션 발생이 억제될 수 있다.

이때 곡판(10)은 소정의 길이만큼 각각 단절되어 프로펠러(5)의 날개 끝(8)마다 부착된다. 이 경우 프로펠러(5)의 날개 끝(8)에는 곡판(10)이 볼트로 체결될 수 있도록 볼트구멍(9)이 형성되어 있다. 이러한 볼트구멍(9)은 물론 곡판(10)에도 형성된다(도 2).

그리고 덕트 내부면(20)과 곡판 외부면(14) 사이는 프로펠러 회전이 용이한 정도의 최소한의 간격(27)을 유지한다(도 5). 이 경우 곡판(10)은 프로펠러 날개 끝(8) 영역에서의 덕트(16) 및 프로펠러(5) 간의 상호작용을 순화시킴으로써 날개 끝 보오텍스 유동과 이에 따른 유동손실을 최소화한다. 또한 덕트(16) 표면을 따라 흐르는 유동이 프로펠러 날개 끝 곡판(10)에 유입되기 때문에 곡판(10)에 유입되는 유동입사각이 거의 0도가 되므로 날개 끝 곡판의 항력을 최소화 할 수 있다. 따라서 본 발명에 따르면 종래의 덕트 프로펠러의 장점과 링 프로펠러의 장점을 유지하면서 단점을 보완할 수 있다.

한편, 곡판(10)의 곡률은 덕트 내부면(20)의 곡률과 동일하도록 설치된다. 이는 곡판(10)이 덕트(16)의 내부면(20)과 곡률 상으로 어긋나지 않도록 함으로써 프로펠러(5)의 회전 시 곡판(10)에 의한 추가적인 저항이나 항력이 최소한으로 발생하도록 하기 위함이다.

도 6 및 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 프로펠러 날개 끝에 곡판이 부착된 덕트 프로펠러 추진장치가 선박에 설치된 모습을 보여준다. 덕트(16)는 덕트 지지대(15)로 선박의 선미부(1)에 고정된다. 작업자는 프로펠러(5)의 날개를 돌려가면서 곡판(10)을 프로펠러(5)의 날개 끝(8)에 하나씩 볼트로 체결할 수 있다. 그리고 프로펠러(5)의 날개 위치각도는 프로펠러 축(4)을 돌려가면서 임의로 조절할 수 있다. 특히 본 발명에서는 곡판(10)을 프로펠러(5) 날개 끝(8)마다 독립적으로 설치하기 때문에 덕트(16)의 내부면(20)과 곡판(10) 사이의 간격(27) 유지 및 설치상의 정확도를 용이하게 확보할 수 있다.

이처럼 본 발명은 소형선박에서부터 대형선박에 이르기까지 적용이 가능하고 분해 및 결합 등의 작업이 용이하므로, 본 발명에 따르면 선박의 정기검사 및 유지보수를 편리하게 할 수 있고 추진장치의 성능을 일정하게 유지할 수 있는 유리한 효과가 발생한다. 특히 본 발명은 종래의 덕트 프로펠러가 장착된 선박에 종래의 프로펠러 대신 본 발명에 따른 날개 끝에 곡판이 부착된 프로펠러를 대체하여 설치할 수 있으므로 최소의 비용으로 실용화가 용이하다.

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 실시 예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 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. 선박의 선미부
2. 프로펠러 날개 끝 보오텍스 캐비테이션(tip vortex cavitation)
3. 물 4. 프로펠러 축
5. 프로펠러 또는 프로펠러 날개 6. 프로펠러 날개 앞날
7. 프로펠러 날개 뒷날 8. 프로펠러 날개 끝(blade tip)
9. 볼트구멍 10. 날개 끝 곡판
11. 날개 끝 곡판 앞날 12. 날개 끝 곡판 뒷날
13. 날개 끝 곡판의 내부면 14. 날개 끝 곡판의 외부면
15. 덕트 지지대 16. 덕트
17. 덕트 단면(section) 18. 덕트 앞날(leading edge)
19. 덕트 뒤날(trailing edge) 20. 덕트 내부면
21. 덕트 외부면 22. 링(ring)
23. 링의 앞날 24. 링의 뒷날
25. 링 프로펠러의 링에 유입되는 유동의 방향
26. 프로펠러(축) 회전방향
27. 덕트 내부면과 날개 끝 곡판 외부면과 간격
28. 프로펠러 날개면에 발생한 캐비테이션

Claims (5)

1. 덕트 및;
   상기 덕트 내부면에 삽입되며 날개 끝에 곡판이 부착된 프로펠러;
   를 포함하는 프로펠러 날개 끝에 곡판이 부착된 덕트 프로펠러 추진장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 곡판은 소정의 길이만큼 단절되어 상기 프로펠러의 날개 끝마다 부착되는 것을 특징으로 하는 프로펠러 날개 끝에 곡판이 부착된 덕트 프로펠러 추진장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 곡판의 곡률은 상기 덕트의 내부면의 곡률과 동일한 것을 특징으로 하는 프로펠러 날개 끝에 곡판이 부착된 덕트 프로펠러 추진장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 프로펠러의 날개 끝단에는 상기 곡판이 나사로 체결될 수 있는 나사구멍이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 프로펠러 날개 끝에 곡판이 부착된 덕트 프로펠러 추진장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 덕트 내부면과 상기 곡판 외부면 사이는 상기 프로펠러 회전이 용이한 정도의 최소한의 간격을 유지하는 것을 특징으로 하는 프로펠러 날개 끝에 곡판이 부착된 덕트 프로펠러 추진장치.

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