KR20130128112A - 익형 단면을 가지며 전류효과를 포함하는 에너지 절감형 선미 부착 핀 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 선미 프로펠러 축 중심 부근에 삼각형 형상의 핀을 수평으로 부착하여 선미의 유선을 제어함으로써 선미의 압력회복을 도모하여 선체저항성능의 개선에 기여하고 프로펠러에 유입되는 반류 변화를 통한 자항성능의 개선을 이룰 수 있는, 익형 단면을 가지며 전류효과를 포함하는 에너지 절감형 선미 부착 핀을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명에 따른 익형 단면을 가지며 전류효과를 포함하는 에너지 절감형 선미 부착 핀은, 선미 프로펠러 축 중심 부근에서 좌현 및 우현 양쪽에 대칭이 되도록 수평으로 부착되는 삼각형 형상의 핀으로서, 상기 핀은 익형 단면을 가지며, 상기 핀의 길이(x)는 프로펠러 보스가 시작되는 지점에서부터 선체표면의 압력 부호가 바뀌는 지점에 이르기까지 분포하며, 상기 핀의 스팬(y)은 선체표면에서부터 보오텍스 중심에 이르기까지 분포하며, 상기 핀의 높이방향 부착위치(z)는 보오텍스 중심과 프로펠러 축 중심 사이이며, 프로펠러에 근접한 상기 핀 끝단의 일부는 좌현 및 우현에서 서로 반대방향으로 꺾이도록 각을 주는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면 특히 상기 핀 끝단의 뒤틀어진 형상으로 인하여 프로펠러로 유입되는 유동장에 전류효과(pre-swirl effect)를 발생시켜 프로펠러의 추력 증가와 선각효율의 증가를 함께 유도할 수 있다.

Description

익형 단면을 가지며 전류효과를 포함하는 에너지 절감형 선미 부착 핀{energy saving stern-fin with pre-swirl effect and hydro-foil section}

본 발명은 익형 단면을 가지며 전류효과를 포함하는 에너지 절감형 선미 부착 핀에 관한 것이다.

최근 지속적인 국제유가 상승에 기인한 선박 운항비의 급상승에 따라 에너지 절감을 위한 신 개념 선박의 개발이 요구되고 있다. 한편, 지구 온난화에 기인한 국제적인 환경 규제 움직임에 따라 국제해사기구(IMO)에서는 선박에 대한 이산화탄소 설계지표(ship design CO2 emission index)를 정하여 강제 규정 발효를 추진하고 있는데, 이 경우 특히 선박의 에너지 절감 기술(energy saving technology)은 이러한 설계지표 값에 직접적으로 영향을 줄 수 있다.

이와 관련하여, 종래의 기술에 따르면 선박의 에너지 절감을 위한 다양한 부가물 장치가 개발되고 있긴 하나, 이들은 선박 부착비용 대비 효율성이 떨어질 뿐만 아니라 새로운 선형에만 적용할 수 있고 기존 선형에는 적용할 수 없는 한계가 있다. 따라서 선박 부착비용 대비 효율성이 높으며 새로운 선형뿐만 아니라 기존 선형에도 적용할 수 있는 새로운 개념의 에너지 절감 장치의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 선미 프로펠러 축 중심 부근에 삼각형 형상의 핀을 수평으로 부착하여 선미의 유선을 제어함으로써 선미의 압력회복을 도모하여 선체저항성능의 개선에 기여하고 프로펠러에 유입되는 반류 변화를 통한 자항성능의 개선을 이룰 수 있는, 익형 단면을 가지며 전류효과를 포함하는 에너지 절감형 선미 부착 핀을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

선미 프로펠러 축 중심 부근에서 좌현 및 우현 양쪽에 대칭이 되도록 수평으로 부착되는 삼각형 형상의 핀으로서,

상기 핀은 익형 단면을 가지며,

상기 핀의 길이(x)는 프로펠러 보스가 시작되는 지점에서부터 선체표면의 압력 부호가 바뀌는 지점에 이르기까지 분포하며,

상기 핀의 스팬(y)은 선체표면에서부터 보오텍스 중심에 이르기까지 분포하며,

상기 핀의 높이방향 부착위치(z)는 보오텍스 중심과 프로펠러 축 중심 사이이며,

프로펠러에 근접한 상기 핀 끝단의 일부는 좌현 및 우현에서 서로 반대방향으로 꺾이도록 각을 주는 것을 특징으로 하는,

익형 단면을 가지며 전류효과를 포함하는 에너지 절감형 선미 부착 핀을 제공한다.

본 발명에 따르면 선체 선미 부근에서 핀 상방의 하강류와 핀 하방의 상승류를 수평의 핀으로 제어함으로써 선체 선미 부근의 압력회복을 유도하여 선체의 전체적인 저항저감을 유도할 수 있을 뿐만 아니라, 나아가 프로펠러에 근접한 핀 끝단의 일부를 좌현 및 우현에서 서로 반대방향으로 꺾이도록 각을 줌으로써 프로펠러로 유입되는 유동장에 전류효과(pre-swirl effect)를 발생시켜 프로펠러의 추력 증가와 선각효율의 증가를 함께 유도할 수 있다. 또한, 본 발명은 형상이 비교적 간단하고 단순히 선미에 핀을 부착하는 것만으로 설치를 완료할 수 있으므로 그 제작 및 설치가 간편하고 경제적이며 새로운 선형뿐만 아니라 기존에 운항 중인 선형에도 적용이 가능하다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 익형 단면을 가지며 전류효과를 포함하는 에너지 절감형 선미 부착 핀의 기본 설치 개념을 보여주는 그림(입체도).
도 2는 본 발명에 따른 익형 단면을 가지며 전류효과를 포함하는 에너지 절감형 선미 부착 핀의 기본 설치 개념을 보여주는 그림(측면도).
도 3은 본 발명에 따른 익형 단면을 가지며 전류효과를 포함하는 에너지 절감형 선미 부착 핀의 기본 설치 개념을 보여주는 그림(평면도).
도 4는 선미 프로펠러면의 반류분포(CFD 시뮬레이션 결과)와 이에 근거하여 본 발명에 따른 익형 단면을 가지며 전류효과를 포함하는 에너지 절감형 선미 부착 핀의 스팬(y) 및 높이방향 부착위치(z)를 결정하는 모습.
도 5는 선체표면의 압력분포(CFD 시뮬레이션 결과)와 이에 근거하여 본 발명에 따른 익형 단면을 가지며 전류효과를 포함하는 에너지 절감형 선미 부착 핀의 길이(x)를 결정하는 모습.
도 6은 본 발명에 따른 익형 단면을 가지며 전류효과를 포함하는 에너지 절감형 선미 부착 핀의 설치 유무에 따른 선체표면의 유선을 비교한 그림.
도 7은 본 발명에 따른 익형 단면을 가지며 전류효과를 포함하는 에너지 절감형 선미 부착 핀의 설치 유무에 따른 선체표면의 압력분포를 비교한 그림.
도 8은 본 발명에 따른 익형 단면을 가지며 전류효과를 포함하는 에너지 절감형 선미 부착 핀의 설치 유무에 따른 저항계수를 비교한 표.
도 9는 본 발명에 따른 익형 단면을 가지며 전류효과를 포함하는 에너지 절감형 선미 부착 핀의 설치 유무에 따른 프로펠러면의 반류분포를 비교한 그림.
도 10은 본 발명에 따른 익형 단면을 가지며 전류효과를 포함하는 에너지 절감형 선미 부착 핀의 설치 유무에 따른 프로펠러 작동 시 선박의 자항특성을 비교한 표.
도 11은 본 발명에 따른 익형 단면을 가지며 전류효과를 포함하는 에너지 절감형 선미 부착 핀의 끝단 형상.
도 12는 본 발명에 따른 익형 단면을 가지며 전류효과를 포함하는 에너지 절감형 선미 부착 핀의 단면 형상.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다. 한편, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1 내지 도 3은 각각 본 발명에 따른 익형 단면을 가지며 전류효과를 포함하는 에너지 절감형 선미 부착 핀(이하, ‘핀’이라고 함)의 기본 설치 개념을 보여주는 그림(입체도, 측면도 및 평면도)이다.

본 발명에 따른 핀(1)은 전체적으로 볼 때 선미 프로펠러 축 중심 부근에서 좌현 및 우현 양쪽에 대칭이 되도록 수평으로 부착되는 삼각형 형상의 핀으로서, 기본적으로는 선체 선미 부근에서 핀(1) 상방의 하강류와 핀(1) 하방의 상승류를 제어함으로써 선체 선미 부근의 압력회복을 유도하여 선체의 전체적인 저항저감을 유도하는 작용을 한다.

그런데, 이처럼 핀(1)이 상기와 같은 작용을 제대로 수행할 수 있게 하기 위해서는, 우선 선미 프로펠러면의 반류분포와 선체표면의 압력분포를 면밀히 검토하고 이에 근거하여 핀(1)의 기본적인 크기 및 위치를 결정할 필요가 있다.

이와 관련하여, 도 4는 선미 프로펠러면의 반류분포(CFD 시뮬레이션 결과)와 이에 근거하여 핀(1)의 스팬(y) 및 높이방향 부착위치(z)를 결정하는 모습을, 도 5는 선체표면의 압력분포(CFD 시뮬레이션 결과)와 이에 근거하여 핀(1)의 길이(x)를 결정하는 모습을 보여준다. 도 4에는 핀(1)이 설치되기 전의 선형(barehull)에 대하여 프로펠러가 작동하는 면에서 유동장의 반류분포(축방향속도 및 횡방향속도 벡터)를 나타낸 CFD(전산유체역학) 시뮬레이션 결과가 나타나 있으며, 도 5에는 핀(1)이 설치되기 전의 선형에 대하여 선체 선미부의 압력분포를 나타낸 CFD 시뮬레이션 결과가 나타나 있다. 이러한 CFD 시뮬레이션 결과를 통하여 핀(1)의 적절한 크기 및 위치, 즉 핀(1)의 길이(x), 스팬(y) 및 높이방향 부착위치(z)를 결정할 수 있다. 이하, 그 결정된 사항에 대하여 설명한다.

먼저, 본 발명에서, 핀(1)의 길이(x)는 도 5에서 보는 바와 같이 프로펠러 보스가 시작되는 지점에서부터 선체표면의 압력 부호가 바뀌는 지점에 이르기까지 분포하는 것이 바람직하다. 도 5에서, 핀(1)의 길이(x)가 시작되는 지점은 x1으로, 핀(1)의 길이(x)가 끝나는 지점은 x2로 표시되어 있는데, 이 경우 x1이 바로 프로펠러 보스가 시작되는 지점이며, x2가 바로 선체표면의 압력 부호가 바뀌는 지점(도 5의 CFD에서 압력값이 0으로 표시된 지점)이다. 이처럼 핀(1)의 길이(x)가 끝나는 지점(x2)을 선체표면의 압력 부호가 바뀌는 지점으로 잡은 이유는 이하에서 설명하는 바와 같다.

선박의 운항 시 선체표면의 유선 분포에 따라 선수와 선미 간에는 소정의 압력 차이가 발생하며 이러한 압력 차이는 결국 선박의 진행을 방해하는 전체적인 저항으로 작용하게 된다. 한편, 통상적으로 선박의 선미는 수면 아래의 횡단면이 점차 줄어들면서 급격한 굴곡의 변화를 동반하는 형상을 갖기 때문에, 선미에서는 도 6의 (a)에서 보는 바와 같이 하강류와 상승류가 고속으로 밀집하여 만나 후방으로 빠져나가는 유선 분포를 이루게 되며, 이 과정에서 발생하는 선미의 압력 강하는 선수와 선미 간에 발생하는 압력 차이의 주된 원인이 된다. 따라서 선미의 하강류와 상승류를 적절히 제어하여 선미의 압력 강하를 줄이고 이에 따라 선수와 선미 간에 발생하는 압력 차이를 줄이는 것은 곧 선체의 전체적인 저항저감을 유도하는 방안으로 연결될 수 있는 것이다.

이와 관련하여, 도 6은 핀(1)의 설치 유무에 따른 선체표면의 유선을 비교한 그림을, 도 7은 핀(1)의 설치 유무에 따른 선체표면의 압력분포를 비교한 그림을, 도 8은 핀(1)의 설치 유무에 따른 저항계수를 비교한 표를 보여준다. 도 6의 (b)에서는 핀(1)이 선체 선미 부근에서 핀(1) 상방의 하강류와 핀(1) 하방의 상승류를 제어함(특히, 핀(1) 상방의 급속한 하강류를 차단하고 핀(1) 하방의 상승류 속도를 저하시킴)을 확인할 수 있으며, 도 7에서는 핀(1)이 핀(1) 상방의 하강류와 핀(1) 하방의 상승류를 제어함으로 인하여 선체 선미 부근의 압력회복(즉, 선미의 압력이 증가하고 이에 따라 선수와 선미 간에 발생하는 압력 차이가 줄어듦)이 일어나고 있음을 확인할 수 있으며, 도 8에서 보면 상기 압력회복으로 인하여 선체의 전체적인 저항이 저감됨을 확인할 수 있다. 도 8에서, 전저항계수(CT)는 선박의 저항값을 속도와 선체표면적 등으로 무차원화 한 계수로서 마찰저항계수(CF)와 압력저항계수(CP)의 합으로 표시되는데, 핀(1)을 설치함으로써 압력저항만으로는 약 3%, 전체저항으로는 약 1%의 저감효과가 발생함을 확인할 수 있다.

그런데, 상기 효과는 도 5에서 보는 바와 같이 핀(1)의 길이(x)가 끝나는 지점(x2)을 선체표면의 압력 부호가 바뀌는 지점으로 잡는 경우에 최적으로 발생하는 것이다. 왜냐하면, 만약 핀(1)의 길이(x)가 끝나는 지점(x2)이 양(+) 압력 영역에 머물게 되면(도 5의 ①방향) 핀(1)은 상당량의 하강류와 상승류를 제어(차단)하지 못하고 그대로 놓쳐(흘려)버리게 되어 그만큼 압력회복의 크기도 크게 줄어들 수밖에 없게 되므로 바람직하지 못하며, 반대로 핀(1)의 길이(x)가 끝나는 지점(x2)이 음(-) 압력 영역에까지 도과하게 되면(도 5의 ②방향) 핀(1)의 크기 증가 및 이로 인한 핀(1) 자체 저항의 증가효과가 음(-) 압력 영역에 분포하는 소량의 하강류와 상승류를 좀 더 제어(차단)하는 데서 오는 선체의 미미한 전체저항 저감효과보다 더욱 크게 되어 저항측면에서 오히려 부정적인 효과가 발생하므로 바람직하지 못하기 때문이다.

한편, 본 발명에서, 핀(1)의 스팬(폭)(y)은 도 4에서 보는 바와 같이 선체표면에서부터 보오텍스(vortex) 중심(P)에 이르기까지 분포하는 것이 바람직하다. 이를 달리 표현하면, 핀(1)의 스팬(y)은 최소한 보오텍스 중심(P)을 도과하지 않도록 부착하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 만약 핀(1)의 스팬(y)이 보오텍스 중심(P)을 도과하는 경우(도 4의 ①방향)에는 핀(1)이 프로펠러면의 외곽에서 상승하는 회전류마저 과도하게 차단하게 되어 그것이 오히려 프로펠러의 효율을 떨어뜨리는 결과를 가져올 수 있기 때문이다.

한편, 본 발명에서, 핀(1)의 높이방향 부착위치(z)는 도 4에서 보는 바와 같이 보오텍스 중심(P)과 프로펠러 축 중심(A) 사이인 것이 바람직하다. 또한, 핀(1)의 두께는 구조강성을 견딜 수 있을 정도의 최소 두께인 것이 바람직하며, 나아가 핀(1)의 단면 형상은 도 12에서 보는 바와 같이 익형(hydro-foil section)인 것이 바람직하다. 이는 부가물인 핀(1) 자체의 항력 및 이로 인한 선체저항의 증가를 최소화하기 위함이다.

한편, 본 발명이 갖는 또 하나의 중요한 특징은, 프로펠러에 근접한 핀(1) 끝단의 일부를 좌현 및 우현에서 서로 반대방향으로 꺾이도록 각을 줌으로써 프로펠러로 유입되는 유동장에 전류효과(pre-swirl effect)를 발생시켜 프로펠러의 추력 증가와 선각효율의 증가를 유도한다는 점이다.

이와 관련하여, 도 9는 핀(1)의 설치 유무에 따른 프로펠러면의 반류분포를 비교한 그림을, 도 10은 핀(1)의 설치 유무에 따른 프로펠러 작동 시 선박의 자항특성을 비교한 표를, 도 11은 전류효과를 발생시키는 핀(1)의 끝단 형상을 보여준다.

도 11에서 보는 바와 같이, 본 발명은 프로펠러로 유입되는 유동장의 전류효과를 위하여, 핀(1) 전체 길이의 10% 정도에 해당하는 끝단을, 우현 측 핀(1)은 상방으로 좌현 측 핀(1)은 하방으로, 20˚ 내지 30˚ 정도의 크기만큼 꺾이도록 각을 주었다. 이처럼 핀(1) 끝단의 뒤틀어진 형상으로 인하여 프로펠러로 유입되는 유동장에 전류효과를 발생시킬 수 있는데, 이러한 전류효과는 프로펠러의 회전방향과 반대방향으로 프로펠러에 유입되는 원주방향의 유속성분을 추가로 생성시켜 프로펠러 후류에서 프로펠러에 의한 회전에너지를 상쇄시킴으로써 프로펠러의 효율을 향상시키는 효과가 있으며, 이로 인하여 프로펠러가 발생시키는 추력이 증가하고 전체 선각효율이 증가하는 효과를 기대할 수 있다.

본 발명에 따른 전류효과와 관련하여서는 도 9 및 도 10을 참조할 수 있겠는데, 도 9에는 핀(1)의 설치 전후를 비교하여 프로펠러가 작동하는 면에서 유동장의 반류분포(축방향속도 및 횡방향속도 벡터)를 나타낸 CFD(전산유체역학) 시뮬레이션 결과가 나타나 있다. 또한, 도 10과 관련하여, K_T는 프로펠러 추력계수, K_Q는 프로펠러 토크계수, η_H는 선체효율, η_o는 프로펠러 단독효율, η_R은 상대회전효율, J는 전진비, n은 프로펠러 회전수, η_D는 준추진효율을 나타내는데, 도 10의 표에 의하면 본 발명의 경우 핀(1) 부착 전 선박에 비해 추력(K_T)과 토크(K_Q)가 증가하고, 선체효율(η_H)의 증가로 인해 최종 선박의 준추진효율(η_D)이 약 1% 증가함을 확인할 수 있다. 이처럼 본 발명에 따르면, 상술한 바와 같은 선체의 전체저항 저감 효과 이외에, 프로펠러 동작 시 자항특성에서의 준추진효율(η_D)의 증가 및 이로 인한 선박의 최종마력 저감 효과가 더욱 커지는 기술적 이익을 얻을 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 선체 선미 부근의 압력회복을 유도하여 선체의 전체적인 저항저감을 유도할 수 있을 뿐만 아니라, 프로펠러로 유입되는 유동장에 전류효과를 발생시켜 프로펠러의 추력 증가와 선각효율의 증가를 함께 유도할 수 있다. 또한, 본 발명은 형상이 비교적 간단하고 단순히 선미에 핀을 부착하는 것만으로 설치를 완료할 수 있으므로 그 제작 및 설치가 간편하고 경제적이며 새로운 선형뿐만 아니라 기존에 운항 중인 선형에도 적용이 가능하다는 장점이 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 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 : 핀

Claims (5)

1. 선미 프로펠러 축 중심 부근에서 좌현 및 우현 양쪽에 대칭이 되도록 수평으로 부착되는 삼각형 형상의 핀으로서,
   상기 핀은 익형 단면을 가지며,
   상기 핀의 길이(x)는 프로펠러 보스가 시작되는 지점에서부터 선체표면의 압력 부호가 바뀌는 지점에 이르기까지 분포하며,
   상기 핀의 스팬(y)은 선체표면에서부터 보오텍스 중심에 이르기까지 분포하며,
   상기 핀의 높이방향 부착위치(z)는 보오텍스 중심과 프로펠러 축 중심 사이이며,
   프로펠러에 근접한 상기 핀 끝단의 일부는 좌현 및 우현에서 서로 반대방향으로 꺾이도록 각을 주는 것을 특징으로 하는,
   익형 단면을 가지며 전류효과를 포함하는 에너지 절감형 선미 부착 핀.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 핀의 두께는 구조강성을 견딜 수 있을 정도의 최소 두께인 것을 특징으로 하는,
   익형 단면을 가지며 전류효과를 포함하는 에너지 절감형 선미 부착 핀.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 핀 전체 길이의 10%에 해당하는 끝단을 좌현 및 우현에서 서로 반대방향으로 꺾이도록 각을 주는 것을 특징으로 하는,
   익형 단면을 가지며 전류효과를 포함하는 에너지 절감형 선미 부착 핀.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 핀의 우현 측 끝단은 상방으로, 좌현 측 끝단은 하방으로 꺾이도록 각을 주는 것을 특징으로 하는,
   익형 단면을 가지며 전류효과를 포함하는 에너지 절감형 선미 부착 핀.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 핀 끝단은 20˚ 내지 30˚의 크기만큼 꺾이도록 각을 주는 것을 특징으로 하는,
   익형 단면을 가지며 전류효과를 포함하는 에너지 절감형 선미 부착 핀.

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