KR20130134034A - 콴다 효과를 적용한 고정식 핀 안정기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 콴다 효과를 적용한 고정식 핀 안정기에 관한 것으로, 선체의 횡 동요를 감쇠시키기 위해 선체의 양측에 선저부에 설치되는 핀 안정기에 있어서; 상기 핀 안정기는 상기 선체와 핀 안정기 사이의 틈새가 생기지 않도록 선저부에 고정되고; 상기 핀 안정기의 뒷날에는 제트 유동 공급구와 원형 슬릿 형상의 제트 유동 분출구를 구비하며; 상기 선체 내부에는 상기 제트 유동 공급구로 유체를 공급하는 펌프가 설치된 것을 특징으로 하는 콴다 효과를 적용한 고정식 핀 안정기를 제공한다.
본 발명에 따르면, 핀 안정기 주변에서 발생되는 캐비테이션을 방지함으로써 선박의 운항 안정성을 극대화시키고, 선체의 진동, 소음, 부식 등의 문제도 일소하면서 핀 안정기 제어를 위한 부대설비들을 필요로 하지 않아 제어의 용이성, 비용 절감 등을 달성하는 효과를 얻을 수 있다.

Description

콴다 효과를 적용한 고정식 핀 안정기{The Fixed Type Fin stabilizer Utilizing the Coanda Effect}

본 발명은 콴다 효과를 적용한 고정식 핀 안정기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 선박의 횡 동요 감쇠장치 중 하나인 핀 안정기 주변에서 발생되는 캐비테이션을 감소시키는 것과 더불어 핀 안정기의 받음각을 고정한 상태에서도 효과적으로 양력을 발생시켜 핀 안정기의 회전을 필요로 하지 않도록 개선된 콴다 효과를 적용한 고정식 핀 안정기에 관한 것이다.

일반적으로, 핀 안정기는 선측에 한 쌍이 설치되어, 파랑 중에 선박에 발생되는 6 자유도 운동 중 횡 동요(rolling)를 감쇠시키는 장치이다.

이러한 핀 안정기의 설치 및 작동을 위해 핀 안정기와 선체 사이의 틈새가 존재하게 되는데, 선박이 고속으로 운항할 경우 이러한 틈새를 통해 흐르는 유동에 의해 핀 안정기 주변에서 캐비테이션이 발생한다.

그리고, 발생된 캐비테이션은 선체에 진동을 유발시키거나 유기소음 및 부식 등 악영향을 끼친다.

통상, 파도에 의한 선체운동이 심해지면 선박의 항해나 설치기기의 운용에 문제가 야기되고, 탑승한 승객들에게도 불편을 줄 수 있다.

따라서, 선박의 운동성능 향상과 승객의 승선감을 높이기 위하여 파도에 의한 선박 운동을 감쇠시킬 필요가 있다.

선박의 6 자유도 운동 중에서도 특히 횡 동요 성분은 감쇠계수가 다른 운동 성분에 비하여 매우 작기 때문에 파랑에 대한 응답성이 상당히 높다.

함정의 경우 횡 동요로 인해 무기 등의 조준성능이 나빠져 운항이 제한되는 등 결국 함정의 작전 성능과 생존성을 저하시키는 문제를 야기하며, 고부가가치 선박인 유람선 및 여객선에 탑승하는 승객 또는 승조원의 안전과 승선감을 떨어뜨린다.

현재까지 주로 사용되는 횡 동요 감쇠 장치로는 핀 안정기(fin stabilizer)를 비롯하여 빌지 킬(bilge keel), 감요탱크(anti-rolling device), 질량 이동형 장치(moving weight stabilizer) 등이 있다.

이 중에서 핀 안정기는 선박 운항시 횡요 저감에 다른 장치보다 효과적인 방법이다. 즉, 잘 설계된 핀 안정기의 경우 통상 횡 동요를 적어도 50% 이상 감쇠시킬 수 있다.

그러나, 최근 선박의 고속화 추세에 따라 선박의 운항속도가 크게 증가하면서 선체와 핀안정기 사이의 틈새에서 캐비테이션이 발생하게 되어 선체 부와 핀 안정기 부의 침식 등이 발생되고 있다.

이러한 틈새 캐비테이션을 없애기 위한 방법으로 고속 운항 시에 핀 안정기를 선체 안으로 격납하는 방법을 사용하는 방법도 사용되고 있지만 복잡한 기계장치들이 필요하게 된다.

예컨대, 종래 핀 안정기는 도 1과 같이, 파랑에 의해 선박의 횡 동요가 발생되면 이를 감지하여 유압동력장치(4)에 신호를 보내 구동부(3)를 회전하게 하여 선체 측면에 설치된 한 쌍의 핀 안정기(1)를 통해 양력을 얻어 횡 동요를 감소시키도록 구성되었다.

따라서, 핀 안정기(1)의 설치시 회전축(2)이 필요하게 되며, 부득이 선체와 핀 안정기(1) 사이의 틈새가 존재하게 된다.

더구나, 선박이 고속으로 운항할 경우 이러한 틈새를 통해 빠르게 흐르는 유동에 의해 핀 안정기(1) 주변에서 캐비테이션이 발생하게 되어, 선체에 진동을 유발시키거나 유기소음 및 부식 등 악영향을 끼친다.

뿐만 아니라, 회전축(2) 설치에 따라 주변을 씰링해야 하는 문제, 회전구동을 위한 많은 기계적 수단들을 선체 안에 장착해야 하는 등 설계상, 구조상 많은 불편과 어려움이 따랐다.

또한, 도 2에서와 같이, 종래 핀 안정기(1)는 일반적인 날개 단면을 사용하여 받음각의 변화에 따른 날개 흡입면과 압력면의 압력차이에 의해 발생되는 양력의 힘을 통해 횡 동요를 제어하게 되는데, 고속운항 중에서는 빠른 유속이 핀 안정기(1)로 유입되어 양력이 증가되기 때문에 효과적으로 횡 동요를 제어할 수 있지만 저속운항 중에서는 핀 안정기(1)로 유입되는 유속이 작기 때문에 양력은 속도의 제곱배 만큼 줄어들게 되어 횡 동요를 효과적으로 제어할 수 없다는 한계를 가지고 있었다.

다른 예로, 등록특허 제0544899호에서는, 선체 좌우현에 차인라인이 형성된 20노트 이상의 고속선박에 상기 차인라인을 기점으로 폭이 높이 보다 크거나 같으면서 경사각이 3~10°인 직삼각형 형상의 에어포일형 핀을 설치하는 형태로 차인 선형을 구성하여 횡요 방지 효과를 높인 바 있고, 선체에 핀(Fin)을 형성한 관련 기술로 횡요와 달리 선박의 추진 효율을 향상시킬 목적으로 공개특허 제2008-92850호, 공개특허 제2010-2086호가 있는데, 공개특허 제2008-92850호의 경우에는 선체평행부의 후단보다 후방의 빌지부의 외판 양쪽 현에 빌지 핀이 설치되고, 선미 끝의 프로펠러 근방의 외판 양쪽 현에 선미 끝 핀이 설치되는 선박에서, 빌지 핀은 선미 방향을 향해 상향 경사지게 배치되고 선미 끝 핀은 프로펠러의 전진시 회전방향과 반대방향으로 경사지게 배치시킨 예이고, 제2010-2086호는 선체의 좌,우현에 제1,2핀을 구비하되 선미 수선과 이 선미 수선으로부터 수선간장의 10% 전방 위치 사이에서 수평방향으로 뻗어 설치되고, 제1핀이 제2핀의 하방에 위치되며, 제1핀의 전단은 제2핀의 전단보다 전방에 위치시킨 예이다.

하지만, 개시된 상기 특허 기술을 포함한 당해 분야의 대부분의 기술들은 선박의 추진 효율을 향상시키거나 횡요를 억제하기 위한 기술로 국한된 것으로, 특히 고속선과 같이 고속 항주시 핀 안정기 주변에서 발생되는 캐비테이션을 감소시키기 위한 기술 구성을 개시한 예는 미비한 실정이다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 한계점을 고려하여 이를 효과있게 해결할 수 있도록 창출된 것으로, 핀 안정기를 선체에 틈새 없이 고정시킬 수 있어, 틈새를 지나는 유동에 의한 캐비테이션이 사라지게 되며, 또한 슬릿을 통해 제트 유동의 공급량을 변화시켜가며 핀 안정기의 양력 조절이 가능하여 선박의 횡 동요를 효과적으로 제어함으로써 핀 안정기를 회전시키기 위한 복잡한 장치들을 필요로 하지 않으면서 효율적이고 확실한 제어가 가능하도록 한 콴다 효과를 적용한 고정식 핀 안정기를 제공함에 그 주된 목적이 있다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 선체의 횡 동요를 감쇠시키기 위해 선체의 양측에 선저부에 설치되는 핀 안정기에 있어서; 상기 핀 안정기는 상기 선체와 핀 안정기 사이의 틈새가 생기지 않도록 선저부에 고정되고; 상기 핀 안정기의 뒷날에는 제트 유동 공급구와 원형 슬릿 형상의 제트 유동 분출구를 구비하며; 상기 선체 내부에는 상기 제트 유동 공급구로 유체를 공급하는 펌프가 설치된 것을 특징으로 하는 콴다 효과를 적용한 고정식 핀 안정기를 제공한다.

또한, 상기 핀 안정기는 상기 펌프의 공급량 조절을 통해 콴다 제트의 공급유량이 제어되어 양력 발생이 조절되는 것에도 그 특징이 있다.

뿐만 아니라, 상기 핀 안정기는 앞날로부터 0.3C 부분까지는 NACA 0015에 따르는 일반적인 날개 단면을 이루고, 뒷날에는 콴다 효과를 발생시키기 위한 원형실린더가 위치되는데, 원형실린더의 반경은 날개 전체 코드의 7%로 하며, 제작공차 내에서 슬릿의 높이를 선정한 후 앞날로부터 0.3C 되는 위치에서부터 슬릿 높이까지를 직선 또는 스플라인으로 연결한 것에도 그 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 핀 안정기 주변에서 발생되는 캐비테이션을 방지함으로써 선박의 운항 안정성을 극대화시키고, 선체의 진동, 소음, 부식 등의 문제도 일소하면서 핀 안정기 제어를 위한 부대설비들을 필요로 하지 않아 제어의 용이성, 비용 절감 등을 달성하는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 핀 안정기의 설치상태를 보인 개략도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 핀 안정기의 단면 형상을 보인 예시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 고정식 핀 안정기의 설치상태를 보인 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 고정식 핀 안정기의 예시적인 평단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 고정식 핀 안정기의 설계예를 보인 예시도이다.
도 6a,b는 종래 핀 안정기와 본 발명 핀 안정기의 단면 주위 압력분포 및 유선분포도이다.
도 7은 종래 핀 안정기와 본 발명 핀 안정기의 양력 특성을 보인 그래프이다.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명 설명에 앞서, 이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.

또한, 본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 핀 안정기(5)는 기존과 달리 고정식으로 구성된다.

즉, 본 발명에 따른 고정식 핀 안정기(5)는 회전을 통해 받음각을 변화시키는 종래의 핀 안정기(1, 도 1 참조)와는 다르게 고정되어 있기 때문에 많은 기계적 장치들이 필요하지 않게 된다.

다만, 도 3과 같이, 콴다 효과를 이용한 양력조절을 가능하게 하는 펌프(6)만 배치되면 된다.

또한, 고정식이기 때문에 선체와 핀 안정기(5) 사이의 틈새가 없으므로 고속에서 발생되는 틈새 유동에 의해 발생되는 캐비테이션이 사라지게 된다.

이러한 고정식 핀 안정기(5)의 원리를 살펴보면, 먼저 도 4와 같은 단면을 가진다.

그리고, 고정식 핀 안정기(5)의 내부에 고속의 제트 유동(1'-4)을 공급하기 위한 제트공급부(1'-1)와 제트 유동 분출구(1'-2)가 있다.

따라서, 분사된 제트 유동(1'-4)은 뒷날 원형 곡면(1'-3)을 따라가 흘러가게 되면서 뒷날 주변의 유동을 압력면 방향으로 끌고 가게 되면서 날개 전체의 순환이 증가해 양력을 얻게 된다.

이 경우, 제트 유동(1'-4)의 양은 펌프(6)를 통해 공급하는 양을 조절함으로써 제어하게 된다.

이와 같이, 본 발명은 제트 유동 분사를 통해 양력을 조절하게 되므로 핀 안정기(5)의 회전 없이도 횡 동요를 감쇠시킬 수 있게 된다.

이상에서 상세하게 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 고정식 핀 안정기(5)의 경우, 핀 안정기(5)를 선체에 틈새없이 고정시킬 수 있어, 틈새를 지나는 유동에 의한 캐비테이션이 사라지게 되며, 또한 뒷날 원형 곡면(1'-3)과 핀 안정기(5) 사이의 슬릿을 통해 제트 유동(1'-4)의 공급량을 변화시켜 가며, 핀 안정기(5)의 양력을 조절하여 선박의 횡 동요를 제어함으로써 핀 안정기(5)를 회전시키기 위한 복잡한 장치들을 필요로 하지 않으면서 고정상태에서도 쉽게 횡 복원력 조절이 가능하게 된다.

한편, 본 발명에 따른 효과를 확인하기 위하여 종래 핀 안정기와 본 발명 고정식 핀 안정기에 대해 수치계산을 수행하였다.

이때, 단면형상은 미국항공자문위원회(NACA) 0015의 날개 단면을 선정하고, 고정식 핀 안정기의 단면은 제트 유동을 분사할 수 있도록 도 5와 같이 변경 설계하였다.

이 경우, 앞날로부터 0.3C 되는 부분은 종래 날개 단면과 동일하게 택하고, 뒷날에는 콴다 효과를 적용하기 위한 원형 곡면을 설치하기 위해 반경이 코드(Chord)의 7%가 되는 원형 곡면을 만들고 앞날과 뒷날을 직선 또는 스플라인으로 연결하였다.

여기에서, C는 Chord의 약어로서, 날개의 x방향 길이를 말한다.

다시 말해, 상기 핀 안정기(5)는 앞날로부터 0.3C 부분까지는 NACA 0015에 따르는 일반적인 날개 단면을 이루고, 뒷날에는 콴다 효과를 발생시키기 위한 원형실린더가 위치되는데, 원형실린더의 반경은 날개 전체 코드의 7%로 하며, 제작공차 내에서 슬릿의 높이를 선정한 후 앞날로부터 0.3C 되는 위치에서부터 슬릿 높이까지를 직선 또는 스플라인으로 연결한 것이다.

아울러, 종래 핀 안정기와 본 발명 고정식 핀 안정기의 효과를 조사하기 위해 수치계산 프로그램 FLUENT를 활용하여 양력성능의 변화를 조사하였다.

이때, 제트 공급장치를 통해 뒷날로 분사되는 유동의 모멘텀 계수(Cj)는 다음과 같이 정의된다.

여기서

는 질량유량(kg/s),

는 슬릿을 통해 분사되는 제트유동의 평균유속이다.

실험결과, 도 6a에 나타난 바와 같이, 종래 핀 안정기의 경우 회전에 의한 날개 받음각 변화에 따라 양력성능이 변화하게 되며, 10°의 받음각이 주어진 경우 압력면과 흡입면의 압력차이가 발생되며, 정체적이 앞날의 압력면 근처에 발생됨을 보아 양력이 발생되는 것을 확인 할 수 있다.

그러나, 도 6b의 경우와 같이 본 발명에 따른 고정식 핀안정기는 받음각이 0°인 상태임에도 불구하고 제트 유동이 뒷날의 곡면을 따라 갈 수 있게 분사함으로써, 날개의 앞날과 뒷날부근에서 흡입면과 압력면의 압력차이로 인해 양력이 발생되는 것을 알 수 있다.

이러한 콴다 효과는 유입유의 유속이 없는 상태에서도 양력을 발생시킬 수 있어, 저속에서도 효과적으로 선박의 횡 동요를 감쇠시킬 수 있는 것으로 나타났다.

아울러, 핀 안정기의 양항력 성능을 비교한 도 7을 참조하면, 종래 핀 안정기의 경우 받음각 30°까지는 선형적으로 양력이 증가하다가 30°이후 실속(stall)의 발생 양력이 줄어드는 것을 볼 수 있다.

반면에, 고정식 핀 안정기의 경우는 받음각이 0°로 고정된 상태에서 제트 유동을 공급함으로써 종래의 핀 안정기보다 크게 발생되는 것을 알 수 있으며, 제트 유동 공급량을 조절하여, 양력을 쉽게 조절할 수 있음을 확인하였다.

정리하자면, 본 발명에서는 핀 안정기 앞날로부터 0.3C가 되는 부분은 일반적인 날개 단면의 형태로 택하고, 콴다 효과를 적용하기 위해 뒷날에 반지름이 코드의 7%인 원형 곡면을 두고 제트 유동 분사를 위한 노즐을 위치시고, 핀 안정기 내부에는 뒷날에 제트 유동을 공급하기 위한 펌프가 설치되며, 공급된 제트 유동은 뒷날의 노즐에서 분사되어 원형 곡률을 따라가게 하여 효과적인 콴다 효과를 통해 핀 안정기에 양력을 발생시키게 된다.

1'-1 : 제트 유동 공급부 1'-2 : 제트 유동 분출구
1'-3 : 뒷날 원형 곡면 1'-4 : 제트 유동
5 : 핀 안정기 6 : 펌프

Claims (3)

1. 선체의 횡 동요를 감쇠시키기 위해 선체의 양측에 선저부에 설치되는 핀 안정기에 있어서;
   상기 핀 안정기는 상기 선체와 핀 안정기 사이의 틈새가 생기지 않도록 선저부에 고정되고;
   상기 핀 안정기의 뒷날에는 제트 유동 공급구와 원형 슬릿 형상의 제트 유동 분출구를 구비하며;
   상기 선체 내부에는 상기 제트 유동 공급구로 유체를 공급하는 펌프가 설치된 것을 특징으로 하는 콴다 효과를 적용한 고정식 핀 안정기.
   
2. 청구항 1에 있어서;
   상기 핀 안정기는 상기 펌프의 공급량 조절을 통해 콴다 제트의 공급유량이 제어되어 양력 발생이 조절되는 것을 특징으로 하는 콴다 효과를 적용한 고정식 핀 안정기.
   
3. 청구항 1에 있어서;
   상기 핀 안정기는 앞날로부터 0.3C 부분까지는 NACA 0015에 따르는 일반적인 날개 단면을 이루고, 뒷날에는 콴다 효과를 발생시키기 위한 원형실린더가 위치되는데, 원형실린더의 반경은 날개 전체 코드의 7%로 하며, 제작공차 내에서 슬릿의 높이를 선정한 후 앞날로부터 0.3C 되는 위치에서부터 슬릿 높이까지를 직선 또는 스플라인으로 연결한 것을 특징으로 하는 콴다 효과를 적용한 고정식 핀 안정기.

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