KR20130000396U - 질량 분사 방법에 의한 허브 보오텍스 캐비테이션 초생 속도 제어 장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 허브의 끝단에 형성된 질량분출공; 공기보다 무거운 질량을 가지며 상기 질량분출공을 통하여 분출되는 질량물을 저장하는 질량저장탱크 및; 상기 질량분출공과 상기 질량저장탱크를 연결하며 상기 질량물의 이동통로가 되는 질량이동관;을 포함하는 질량 분사 방법에 의한 허브 보오텍스 캐비테이션 초생 속도 제어장치를 제공한다. 본 고안에 따라 허브 보오텍스 중심에 공기보다 무거운 질량을 갖는 물 또는 혼합물을 분사하면 허브 보오텍스의 세기를 완전하게 제압하는 것이 가능해져서, 허브 보오텍스 캐비테이션이 완전히 소멸되거나 허브 보오텍스 캐비테이션의 발생속도가 상당히 지연되게 되며, 이에 동반하여 허브 보오텍스 캐비테이션에 의한 방사소음이 크게 줄어들게 된다.

Description

질량 분사 방법에 의한 허브 보오텍스 캐비테이션 초생 속도 제어 장치{Hub vortex cavitation inception speed control device by mass ejection method}

본 고안은 질량 분사 방법에 의한 허브 보오텍스 캐비테이션 초생 속도 제어 장치에 관한 것이다.

물이 액체의 상태에서 기체의 상태로 바뀌는 과정은 두 가지 경로가 있다. 첫째는 물이 일정한 압력에서 온도의 상승으로 끓어 수증기가 되는 현상으로 이를 '비등(boiling)'이라고 하며, 둘째는 상온에서 주위압력이 포화증기압 이하로 강하되어 액체의 상태에서 기체의 상태로 바뀌는 현상으로 이를 '캐비테이션(공동현상, cavitation)'이라고 한다. 캐비테이션이란 문자 그대로 이해하면 물 속에 빈 공간(공동, cavity)이 생긴다는 뜻이다. 이렇게 부르는 것은 물과 수증기의 밀도의 비가 약 1000 : 1인 것을 감안할 때 공동의 내부는 역학적 관점에서 볼 때 상대적으로 빈 공간이라고 부를 수 있기 때문이다.

베르누이 방정식에 따라, 선박의 프로펠러 표면에서는 속도가 증가하면 압력이 감소하게 되며, 속도가 계속 증가하면 압력이 포화증기압 이하로 내려가게 되고 캐비테이션이 발생하게 된다. 현재 대부분의 선박은 그 추진 장치로 스크류 프로펠러를 사용하고 있다. 그러나 이러한 스크류 프로펠러가 고속으로 회전할 경우 프로펠러에 캐비테이션 즉, 선박 프로펠러 날개 주위의 압력이 증기압보다 낮아져서 날개 표면에 거품이 생기는 현상이 발생하게 된다.

선박 프로펠러에서는 날개 끝의 보오텍스에 의한 캐비테이션(팁 보오텍스 캐비테이션)이 가장 먼저 발생하게 되며, 상기 팁 보오텍스 캐비테이션에 의해 발생한 캐비티가 후류로 이동할 경우 점차 압력이 상승하여 캐비티가 붕괴되는 현상이 발생한다. 이와 같이 캐비티가 붕괴되는 경우 높은 소음 및 진동이 수반되기 때문에 선박의 표면이 침식되고 성능이 저하되며 승선감이 떨어지는 문제가 발생한다.

한편, 프로펠러가 고속으로 회전하는 경우에는 프로펠러 허브에서도 보오텍스가 발생하는데 이를 허브 보오텍스라 한다. 허브 보오텍스는 도 1에서 보는 바와 같이 허브에서 연결되는 흰색의 거품이며 거의 직선형의 보오텍스 캐비테이션 띠를 형성한다. 이러한 허브 보오텍스 캐비테이션(hub vortex cavitation, HVC) 또한 상술한 팁 보오텍스 캐비테이션과 마찬가지로 높은 소음 및 진동을 유발하므로 이를 방지하기 위한 수단을 개발할 필요가 있다.

본 고안은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 허브 보오텍스 중심에 공기보다 무거운 질량을 갖는 물 또는 혼합물을 분사하여 허브 보오텍스 캐비테이션의 발생을 지연시키며 이에 따라 허브 보오텍스 캐비테이션에 의한 방사소음을 감소시킬 수 있는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 고안은,

허브의 끝단에 형성된 질량분출공;

공기보다 무거운 질량을 가지며 상기 질량분출공을 통하여 분출되는 질량물을 저장하는 질량저장탱크 및;

상기 질량분출공과 상기 질량저장탱크를 연결하며 상기 질량물의 이동통로가 되는 질량이동관;

을 포함하는 질량 분사 방법에 의한 허브 보오텍스 캐비테이션 초생 속도 제어 장치를 제시한다.

본 고안에 따라 허브 보오텍스 중심에 공기보다 무거운 질량을 갖는 물 또는 혼합물을 분사하면 허브 보오텍스의 세기를 완전하게 제압하는 것이 가능해져서, 허브 보오텍스 캐비테이션이 완전히 소멸되거나 허브 보오텍스 캐비테이션의 발생속도가 상당히 지연되게 되며, 이에 동반하여 허브 보오텍스 캐비테이션에 의한 방사소음이 크게 줄어들게 된다.

도 1은 허브 하류쪽(좌측 부분)으로 허브 보오텍스 캐비테이션이 형성된 상태를 보여주는 사진.
도 2는 본 고안의 바람직한 실시 예에 따른 질량 분사 방법에 의한 허브 보오텍스 캐비테이션 초생 속도 제어 장치의 개요도.
도 3은 본 고안의 바람직한 실시 예에 따른 허브 및 질량분출공의 외관을 하류에서 본 모습과 질량분출공에 질량이동관이 연결된 모습을 보여주는 도면(우측 그림에서는 복잡성을 피하기 위해 A-A 단면의 한 질량분출공만 도시함).
도 4는 본 고안의 작용으로 허브 하류쪽(좌측 부분)의 허브 보오텍스 캐비테이션이 제거된 상태를 보여주는 사진.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 고안에 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 고안을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 고안의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 고안의 바람직한 실시 예를 설명할 것이나, 본 고안의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

도 2는 본 고안의 바람직한 실시 예에 따른 질량 분사 방법에 의한 허브 보오텍스 캐비테이션 초생 속도 제어 장치의 개요도이며, 도 3은 본 고안의 바람직한 실시 예에 따른 허브 및 질량분출공의 외관을 하류에서 본 모습과 질량분출공에 질량이동관이 연결된 모습을 보여주는 도면(우측 그림에서는 복잡성을 피하기 위해 A-A 단면의 한 질량분출공만 도시함)이다. 그리고 도 4는 본 고안의 작용으로 허브 하류쪽(좌측 부분)의 허브 보오텍스 캐비테이션이 제거된 상태를 보여주는 사진이다(도 1과 비교).

본 고안은 허브 보오텍스 중심에 공기보다 무거운 질량을 갖는 물 또는 혼합물(이하 '질량물'이라 함)을 분사하여 허브 보오텍스 캐비테이션의 발생을 지연시키며 이에 따라 허브 보오텍스 캐비테이션에 의한 방사소음을 감소시킬 수 있는 장치를 제공하는 것을 목적으로 하는바, 이러한 목적을 달성하기 위한 본 고안은 질량분출공(4), 질량저장탱크(5) 및 질량이동관(6)을 포함하여 이루어진다.

질량분출공(4)은 도 2에서 보는 바와 같이 허브(1)의 끝단에 형성된 일종의 배출구로서, 질량저장탱크(5)로부터 공급받은 질량물을 허브 보오텍스 중심에 분사한다. 질량저장탱크(5)는 질량분출공(4)을 통하여 분출되는 질량물을 저장한다. 그리고 질량이동관(6)은 질량분출공(4)과 질량저장탱크(5)를 연결하며 질량물의 이동통로로서의 역할을 한다. 이 경우 질량이동관(6)의 임의의 지점에 위치한 펌프가 질량물을 질량저장탱크(5)로부터 질량분출공(4) 쪽으로 펌핑하게 된다. 질량물의 공급량은 밸브(7)로 조절할 수 있다. 한편 본 고안의 경우 질량이동관(6)은 도 2에서 보는 바와 같이 프로펠러 축(3) 및 허브(1) 내에 포함되는 것이 바람직하다.

질량분출공(4)이 질량물을 허브 보오텍스 중심에 분사하면 허브 보오텍스 캐비테이션의 발생이 지연되며 이에 따라 허브 보오텍스 캐비테이션에 의한 방사소음도 감소하게 된다. 이하에서는 그 작용원리에 대하여 상세히 설명한다.

허브 보오텍스가 고속으로 회전할 때, 허브 보오텍스의 회전관성 모멘트를 I 라 하고 보오텍스의 회전속도를 ω ₁ 이라 하면 허브 보오텍스의 각운동량은 Iω ₁ 이 된다. 허브 보오텍스에 새로운 질량을 추가하여 회전관성 모멘트를 I+ΔI 로 증가시키고 이때의 회전속도를 ω ₂ 라고 표시하면, 각 운동량 보존법칙에 따라 Iω ₁ =(I＋ΔI)ω ₂ 이므로, ΔI 의 증가만큼 ω ₂ 는 ω ₁ 보다 감소하게 된다. 이 경우 감소된 속도의 제곱에 비례하여 압력이 상승하게 되므로, 그 결과 허브 보오텍스의 캐비테이션 발생 현상이 지연된다.

이때 단위 길이의 허브 보오텍스 중심부의 회전관성 모멘트 I 는 질량물의 밀도를

허브 보오텍스의 반경을

로 표시하면

의 식으로 표현된다. 이 식을 각 운동량 보존법칙에 대입하면,

의 관계가 성립하며, 물 또는 해수와 유사한 밀도를 갖는 질량물을 공급하는 경우

이므로, 각 운동량 보존식은

가 된다. 즉 질량분사 후의 회전속도 ω ₂ 는

의 관계식에 의해 허브 보오텍스 변화의 4승에 반비례하여 감소한다. 즉 질량 분사로 허브 보오텍스의 크기가 25％ 증가하면, 즉

가 되면, ω ₂ 는 ω ₁ 의 약 40％로 감소하게 되는 것이다. 허브 보오텍스의 크기를 25％ 증가시키는 것은 상대적으로 달성이 용이한 수치이며, 이로 인해 허브 보오텍스의 회전속도가 60％ 정도 감소하는 것은 상당히 효과적인 허브 보오텍스 캐비테이션 초생 속도 제어방법이 될 수 있다.

한편, 선박이 정상 전진하는 상태일 때, 허브 보오텍스는 프로펠러의 회전방향으로 강력하게 회전하는 특징을 갖는다. 이때 허브 보오텍스의 회전운동과 반대방향으로 질량을 분사해 주면, 허브 보오텍스의 회전운동과 서로 상쇄되는 효과가 있다. 이를 위하여 본 고안에서는 도 3에서 보는 바와 같이 질량이동관(6)은 허브(1)의 중심을 관통하도록 하고, 질량분출공(4)은 허브(1)의 끝단에 다수 개(3∼6개 정도로 구조강도가 허용하는 한 프로펠러 축(3) 중심 쪽에 위치하는 것이 바람직함)가 방사상으로 형성되도록 하며, 이 경우 질량이동관(6)은 프로펠러 날개(2)의 허브(1)에서의 피치각 φ 만큼 기울여져서 질량분출공(4)과 연결되도록 한다. 이 상태에서 질량 분사를 하면 허브 보오텍스의 회전운동에너지를 보다 효과적으로 상쇄시킬 수 있다.

상술한 바와 같이 허브 보오텍스 중심에 공기보다 무거운 질량을 갖는 물 또는 혼합물을 분사하면 허브 보오텍스의 세기를 완전하게 제압하는 것이 가능해져서, 도 4에서 보는 바와 같이 허브 보오텍스 캐비테이션이 완전히 소멸되거나 허브 보오텍스 캐비테이션의 발생속도가 상당히 지연되게 되며, 이에 동반하여 허브 보오텍스 캐비테이션에 의한 방사소음이 크게 줄어들게 된다(도 1과 비교).

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

1 : 허브 2 : 프로펠러 날개
3 : 프로펠러 축 4 : 질량분출공
5 : 질량저장탱크 6 : 질량이동관
7 : 밸브

Claims (3)

1. 허브의 끝단에 형성된 질량분출공;
   공기보다 무거운 질량을 가지며 상기 질량분출공을 통하여 분출되는 질량물을 저장하는 질량저장탱크 및;
   상기 질량분출공과 상기 질량저장탱크를 연결하며 상기 질량물의 이동통로가 되는 질량이동관;
   을 포함하는 질량 분사 방법에 의한 허브 보오텍스 캐비테이션 초생 속도 제어 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 질량이동관은 허브의 중심을 관통하는 것을 특징으로 하는 질량 분사 방법에 의한 허브 보오텍스 캐비테이션 초생 속도 제어 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 질량분출공은 허브의 끝단에 다수 개가 방사상으로 형성되며, 이 경우 상기 질량이동관은 프로펠러 날개의 허브에서의 피치각만큼 기울여져서 상기 질량분출공과 연결되는 것을 특징으로 하는 질량 분사 방법에 의한 허브 보오텍스 캐비테이션 초생 속도 제어 장치.

Images