KR20140072824A

KR20140072824A - 덕트 장치

Info

Publication number: KR20140072824A
Application number: KR1020130150437A
Authority: KR
Inventors: 존 리차드 웹스터; 폴 존 뉴튼; 폴 플레처
Original assignee: 롤스-로이스 피엘씨
Priority date: 2012-12-05
Filing date: 2013-12-05
Publication date: 2014-06-13
Also published as: EP2740661B1; EP2740661A2; US20140150919A1; US9127784B2; EP2740661A3

Abstract

본 발명은 물 분사 추진기(10)를 위한 덕트 장치(18)에 관한 것이다. 덕트 장치(18)는 입구(20)를 가진 메인 덕트(30)를 포함한다. 입구(20)는, 주축(34)을 따라 연장된 기다란 메인 부분(32), 및 메인 부분과 유체 연통하는 하나 이상의 측 방향 부분(36)을 가진다. 하나 이상의 측 방향 부분(36)은 메인 부분(32)의 길이를 따라서 부분적으로만 연장된다.

Description

덕트 장치{DUCT ARRANGEMENT}

본 발명은 덕트 장치에 관한 것이다. 특히 그러나 배타적은 아니게, 본 발명은 물 분사 추진기를 위한 덕트 장치에 관한 것이다.

해상 선박 추진을 위한 물 분사가 공지되어 있다. 물 분사는 시속 50 내지 100 킬로미터와 같은 비교적 높은 속도에서 프로펠러에 비해 더 효율적인 작동을 제공한다. 물 분사는, 선박의 수선 아래에 위치되는 개구로부터 덕트를 통해 물을 유입하고, 선미에서 수선 위에서 물의 고속 분사를 배출함으로써 작동된다. 물 분사의 반력은 추진력을 제공한다.

종래기술의 장치에서, 덕트는, 선체의 수중 표면과 동일 표면에 있는 개구를 포함하는 흡입 장치를 포함한다. 이러한 개구는, 상향으로 펌프 임펠러에 연결되는 경사진 덕트의 종료 지점이고, 펌프 임펠러는 선박의 수선 위의 배출구를 통해 배출하기 위해 수압 및 물의 속도를 증가시킨다.

낮은 선속에서, 물은 상류, 하류 및 측 방향으로부터 흡입구로 유입된다. 일반적으로, 상류 방향은 수상 선박의 항해 방향에 대응하고, 하류 방향은 반대 방향에 대응한다. 고속에서, 물은, 선박의 기준 프레임에서 접근하는 물의 운동량으로 인해 주로 상류 방향으로부터 유입된다.

더 큰 효율을 제공하기 위해, 고속에서의 최적 흡입 애퍼처 영역에 비해 저속에서 비교적 큰 흡입 애퍼처 영역이 최적이다. 비교적 고속을 위해 최적인 비교적 작은 흡입 애퍼처 영역은, 저속에서 개구의 하류 에지에서 립(lip) 주위의 물의 과도한 회전을 발생시켜, 덕트 내에서 립의 내면에 공동 현상(cavitation)을 발생시킬 수 있다. 다른 한편, 비교적 저속에서 최적인 비교적 큰 흡입 애퍼처 영역은 고속에서 덕트로 과도한 물이 유입되게 하여, 립의 외면에 즉 선체의 아래에 공동 현상을 발생시킬 수 있다. 그러한 공동 현상은 효율을 감소시키고, 극단적인 경우에 특히 공동 현상이 덕트 내에 발생하는 경우에 임펠러를 손상시키거나 수명을 감소시킬 수 있다.

따라서, 종래의 흡입구 디자인은, 저속 작동과 고속 작동 사이의 절충을 제공하는 영역을 가진다.

이러한 문제에 대한 한 가지 해결 방안은 가변 기하학적 흡입구를 제공하는 것이다. 예를 들면, US3942463은, 가요성 상면을 가진 흡입 덕트를 포함하는 시스템을 기술하고 있다. 상면은 벨 크랭크 및 푸셔 바를 사용하여 작동된다.

JP2000128080은, 선속에 따라 애퍼처를 넓히거나 좁힐 수 있는 이동 측벽을 가진 시스템을 기술하고 있다.

JP7101392는, 낮은 선속에서만 하부 덕트로의 흐름을 증가시키기 위해, 상부 및 하부 평행 물 분사 덕트, 및 전방 및 하향으로 경사져 연장되고 격납 가능한 이동 스쿠프(scoop) 부재를 가진 시스템을 기술하고 있다.

그러나, 이들 가변 기하학적 시스템은 각각 복잡성 및 중량을 추가하고, 특히 고속에서 이물질로 인해 손상되기 쉽다.

"상류", "하류", "위", 및 "아래"와 같은 상대적 위치 용어는 수상선의 사용시의 방향을 기준으로 하는 것으로 이해될 것이다.

본 발명은, 상술한 문제의 몇 가지 또는 전체를 해결하고자 하는 물 분사를 위한 덕트 장치를 제공한다.

본 발명의 목적은, 상술한 문제의 몇 가지 또는 전체를 해결하는 물 분사를 위한 덕트 장치를 제공하는 것이다.

따라서, 본 발명은, 물 분사 추진기를 위한 덕트 장치에 있어서, 입구를 포함하는 메인 덕트를 포함하며, 상기 입구는, 주축을 따라 연장된 기다란 메인 부분, 및 상기 메인 부분과 유체 연통하는 하나 이상의 측 방향 부분을 가지고 있고, 하나 이상의 상기 측 방향 부분은 상기 메인 부분의 길이를 따라서 부분적으로만 연장되어 있는, 물 분사 추진기를 위한 덕트 장치를 제공한다.

본 발명에 따른 덕트 장치는 속도에 의존하여 변하는 유효 입구 영역을 가져, 유효 입구 영역은 저속에서 크고 고속에서 작다, 유효 입구 영역은, 물이 주어진 속도에서 덕트 장치로 유입될 수 있게 하는 입구의 영역이다. 이론에 구속되지 않으면서, 유효 입구 영역은, 고속에서의 물의 높은 운동량이 물이 비교적 짧은 측 방향 부분에 유입되는 것을 방지하기 때문에, 속도가 증가할 때 감소되는 것으로 생각된다. 입구의 형상으로부터 발생하는 다른 수력학적 효과 역시 주어진 속도에서 유효 입구 영역에 영향을 줄 수 있다.

상기 메인 부분의 적어도 일부는 상기 측 방향 부분의 상류로 연장되어 있다.

상기 주축을 따른 상기 메인 부분과 상기 주축을 따른 상기 측 방향 부분의 길이들 사이의 비는 2:1 내지 3:1이다. 가장 넓은 지점에서의 상기 메인 부분의 폭과 가장 넓은 지점에서의 상기 측 방향 부분의 폭 사이의 비는 약 1:1일 수 있다.

상기 덕트 장치는, 상기 메인 부분의 각각의 측부에 하나씩 2개의 측 방향 부분을 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 물은 고속에서 주축에 대해 덕트의 양쪽으로부터 덕트로 유입되는 것이 차단될 수 있고, 저속에서 덕트의 양쪽으로부터 유입될 수 있다.

상기 메인 부분의 폭은 상기 주축을 따라 테이퍼질 수 있고, 상기 메인 부분의 폭은 사용시에 최대치로부터 최소치로 하류 방향으로 테이퍼질 수 있다. 그러한 형상은 고속에서 흡입의 효율을 향상시킬 수 있다(즉, 압력 손실을 감소시킴).

상기 덕트 장치는, 덕트의 사용시의 상류 단부로부터 사용시의 하류 단부를 향해 상기 주축을 따라 상향으로 경사질 수 있다. 그러한 장치는 물이 전방 방향으로부터 입구로 유입되기 위해 필요한 회전을 감소시켜, 고속에서 덕트 내의 공동 현상을 감소시켜, 효율을 증가시킨다.

상기 측 방향 부분 또는 각각의 상기 측 방향 부분의 하류 단부는 상기 메인 부분의 하류 단부에 대해 하류로 연장될 수 있다. 측 방향 부분의 하류 단부를 메인 부분의 하류 단부의 하류에 위치시킴으로써, 저속에서의 유효 입구 영역은 더 증가되며, 고속에서의 유효 입구 영역은 실질적으로 영향을 받지 않는다. 이것은, 전방 방향으로부터 입구에 접근하는 추가적 물이 저속에서 측 방향 부분으로 통과될 수 있고, 전방 방향으로부터 접근하는 추가적 물은 필요할 수 있는 과도한 회전으로 인해 덕트에 유입되는 것이 방지되기 때문이다.

상기 덕트 장치는, 상기 메인 부분의 하류에 위치된 임펠러 덕트 입구를 포함할 수 있으며, 상기 임펠러 덕트 입구는 상기 주축에 대해 직각으로 상기 메인 부분과 대략 동일한 폭을 가질 수 있다.

상기 덕트 장치는, 상기 메인 부분과 상기 측 방향 부분 사이에 위치된 하나 이상의 분할기를 포함할 수 있다. 상기 분할기 또는 각각의 상기 분할기는 상기 메인 부분과 상기 측 방향 부분 사이의 수류를 적어도 부분적으로 차단하도록 배치될 수 있다. 메인 부분과 측 방향 부분 사이의 수류를 차단하기 위해 분할기를 구비함으로써, 덕트의 유효 흡입 영역은 더 큰 정도로 제어될 수 있다.

상기 분할기 또는 각각의 상기 분할기는 상기 입구로부터 상기 사용시의 상부 벽으로 부분적으로 상향으로 연장될 수 있다. 상기 분할기 또는 각각의 상기 분할기는, 상기 분할기가 메인 부분과 측 방향 부분 사이의 수류를 제1 정도로 차단하는 적어도 제1 격납 위치 및 상기 분할기가 메인 부분과 측 방향 부분 사이의 수류를 제2 더 큰 정도로 차단하는 제2 전개 위치로부터 이동될 수 있다. 상기 분할기 또는 각각의 상기 분할기는, 수평 또는 수직 축에 관해 회전될 수 있고, 입구에 유입되는 흐름 방향과 분할기가 정렬될 수 있도록 회전될 수 있다. 상기 분할기 또는 각각의 상기 분할기는, 메인 부분과 각각의 측 방향 부분 사이의 압력차에 의해 이동될 수 있도록 배치될 수 있다.

상기 장치는, 상기 입구의 기하학적 형상이 적어도 제1 구성 및 제2 구성 사이에서 팽창성 부재의 팽창 또는 수축에 의해 변경될 수 있도록 하는 위치에 배치된 팽창성 부재를 포함할 수 있다. 상기 팽창성 부재는 상기 측 방향 부분 또는 각각의 상기 측 방향 부분의 하나 이상의 측 방향 부분에 위치될 수 있다.

상기 덕트 장치는, 사용시에 잠기도록 배치된 보조 입구 애퍼처 상기 메인 덕트로 개방된 보조 출구를 가진 보조 덕트를 더 포함할 수 있다. 그러한 장치는 저속에서 더 증가된 유효 흡입 영역을 제공할 수 있다.

본 발명의 제2 특징에 따라, 본 발명의 제1 특징에 따른 덕트 장치를 포함하는 물 분사 추진기가 제공되었다.

본 발명의 제3 특징에 따라, 본 발명의 제2 특징에 따른 물 분사 추진기를 포함하는 수상선이 제공되었다.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 예로서 더 상세히 설명한다.

도 1은 수상선의 설치되는 제1 덕트 장치의 측단면도이다.
도 2는 저속 상태에서 도 1의 덕트 장치의 아래로부터 본 도면이다.
도 3은 고속 상태에서 도 1의 덕트 장치의 아래로부터 본 도면이다.
도 4는 주축을 통한 도 1의 덕트 장치의 측단면도이다.
도 5는 고속 상태에서 도 3의 BB 선을 통한 도 4의 덕트 장치의 측단면도이다.
도 6은 저속 상태에서 도 3의 BB 선을 통한 도 2의 덕트 장치의 측단면도이다.
도 7은 저속 상태에서 제2 덕트 장치의 아래로부터 본 단면도이다.
도 8은 고속 상태에서 제2 덕트 장치의 아래로부터 본 단면도이다.
도 9는 AA 선을 통한 도 7의 덕트 장치의 측단면도이다.
도 10은 고속 상태에서 BB 선을 통한 도 7의 덕트 장치의 측단면도이다.
도 11은 저속 상태에서 BB 선을 통한 도 7의 덕트 장치의 측단면도이다.
도 12는 도 11과 유사한, 제3 덕트 장치의 도면이다.
도 13은 도 12의 덕트 장치의 아래로부터 본 도면이다.
도 14는 수축된 상태에서 제4 덕트 장치의 아래로부터 본 도면이다.
도 15는 팽창된 상태에서 도 14의 덕트 장치의 아래로부터 본 도면이다.
도 16은 제5 덕트 장치를 가진 선박의 단면도이다.
도 17은 선속에 대해 유효 흡입 영역을 표시한 그래프이다.
도 18은 제5 덕트 장치의 일부의 아래로부터 본 단면도이다.

도 1은 선체(12)를 포함하는 수상선(100)을 도시하고 있다. 일반적으로, 수상선은, 모터 요트 또는 군함과 같은 고속을 위해 디자인된 수상선이다. 수상선(100)은, 샤프트(16)에 의해 구동되는 임펠러(14)와 같은 펌프를 포함하는 물 분사 추진기(18)에 의해 구동된다. 그러면, 샤프트(16)는 전기 모터 또는 내연기관과 같은 모터(도시되지 않음)에 의해 구동된다. 다른 장치에서, 임펠러는 샤프트가 아닌 다른 수단에 의해 구동될 수 있으며, 예를 들면, 임펠러는 림 구동 스러스터일 수 있다. 림 구동 스러스터에서, 임펠러의 블레이드는 전기 모터의 회전자로서 작용하고, 하우징(즉, 림)은 고정자로서 작용한다. 또 다른 장치에서, 임펠러는 원심 펌프의 형태일 수 있다. 물 분사 추진기(18)는, 임펠러(14)가 수용되는, 선체(12)에 의해 형성되는 덕트 장치(10)를 더 포함한다.

덕트 장치(10)는, 입구(20)와 출구(22)를 가진 메인 덕트(30)를 포함한다. 입구(20)는 사용시(즉, 수상선(100)이 물에 떠 있을 때)에 수상선(100)의 수선(24) 아래에 위치되고, 출구(22)는 사용시에 수선(24) 위에 위치된다. 임펠러(14)는, 물이 선체(12)의 아래로부터 입구(20)를 통해 덕트 장치(10) 내로 유입되도록, 샤프트(16)에 의해 구동된다. 그러면, 물은, 화살표(26)로 도시된 방향으로 대체로 후방으로 덕트 장치(10)를 통해 이동되며, 수선(24) 위로 출구(22)를 통해 축출되어, 수선(24) 위에 물 분사를 형성한다.

물이 출구(22)를 통해 축출될 때, 물 분사의 반력은, 화살표(28)로 도시된 대체로 전방 방향, 즉 출구(22)를 통해 축출된 물의 흐름의 방향에 대해 반대인 방향으로 작용하는 추진력을 제공한다. 수상선(100)은 따라서 전방으로 구동된다.

입구(20)는 도 2 및 도 3에 더 상세히 도시되어 있으며, 도 2 및 도 3은 각각 메인 덕트(30)의 입구(20)의 아래로부터 본 도면이다. 입구(20)는, 주축(34)을 따라 연장되는 기다란 메인 부분(32)를 가진다. 기다란 메인 부분(32)은, 메인 부분(32)과 유체 연통하는 측 방향 부분(36)에 의해 양쪽에서 경계가 지어진다.

각각의 측 방향 부분(36)은 기다라며, 메인 부분(32)의 길이를 따라 주축(34)에 대해 대체로 평행하게 부분적으로만 연장된다. 도 2에 도시된 실시예에서, 메인 부분(32)은 각각의 측 방향 부분(36)의 전방 및 후방(즉, 사용시에 상류 및 하류)으로 연장되고, 각각의 측 방향 부분(36)의 길이의 약 1.5 내지 2배이다. 몇몇 실시예에서, 메인 부분(32)은 각각의 측 방향 부분(36)의 길이의 2 내지 3배일 수 있다.

메인 덕트(30)는 상부 벽(50) 및 하부 벽(52)을 포함한다. 상부 벽은 입구(20)의 전방 단부(54)를 형성하고, 주축을 따라 하류 방향으로 사용시의 방향에 대해 상향으로 경사진다. 하부 벽(52)은 립(56) 형태의 입구(20)의 후방 단부를 형성한다.

메인 부분(32)은 각각의 측 방향 부분(36)보다 긴 길이를 가지며, 각각의 측 방향 부분(36)의 주축에 대해 직각인 최대 폭과 실질적으로 동일한 주축(34)에 대해 직각인 최대 폭을 가진다. 메인 부분(32)은, 상류 단부(40)에서의 최소치로부터, 메인 부분(32)의 에지가 각각의 측 방향 부분(36)의 상류 에지(44)와 만나는 최대치로 타원형 곡선으로 연장되는 전방 단부를 포함한다. 메인 부분(32)의 측부 에지는, 메인 부분(32)과 측 방향 부분(36) 사이에 개념적 에지를 형성하는 개념적 선(37)을 따라 각각의 측부 부분의 상류 에지(44)로부터 각각의 측 방향 부분(36)의 하류 에지(46)로 후방으로 연장된다. 선(37)은 대체로 주축(34)에 대해 평행하게 연장된다. 메인 부분은 대체로 상류 에지(40)와 하류 에지(42) 사이의 중간에서 주축(34)에 대해 직각인 선에 관해 대칭이어서, 메인 부분(32)은, 메인 부분(32)이 각각의 측 방향 부분(36)의 하류 에지(46)와 만나는 최대치로부터, 입구(20)가 립(56)과 만나는 하류 단부(42)에서의 최소치로, 타원형 곡선으로 테이퍼진다.

각각의 측 방향 부분(36)은 메인 부분(32)에 대해 측 방향으로 위치되며, 선(37) 및 입구(20)의 외곽선에 의해 형성된다. 각각의 측 방향 부분(36) 역시 상류 에지(44) 및 하류 에지(46)에서의 최소치로부터 상류 에지(44)와 하류 에지(46) 사이의 대략 중간에서의 최대치로 타원형 곡선으로 테이퍼진다.

입구(20)는, 임펠러(14)로 연장되는, 상부 벽(50)과 하부 벽(52)에 의해 형성되는 덕트 장치(10)의 하류 부분(58)과 유체 연통된다. 하류 부분(58)은 대체로 원통인 단면을 가지며, 입구(20)의 메인 부분(32)의 폭과 유사한 직경을 가진다. 덕트 장치(10)의 형상은 입구(20)로부터 하류 부분(58)으로의 유연한 전이를 제공하도록 곡선으로 된다.

도 4는, 수상선(100)의 측부로부터 볼 때의 주축(34)을 통한 입구(20)(즉, 메인 부분(32)의 일부)의 단면도이다. 상부 벽(50)은 메인 부분(32)의 상류 에지(40)를 형성한다. 상부 벽(50)은 상류 에지(40)로부터 상류 에지(40)와 립(56) 사이의 대략 중간의 변곡점(51)으로 상향으로 구부러진다. 상부 벽(50)은 변곡점(51)으로부터 하류 단부(53)로 하향으로 구부러진다. 그러한 곡률은, 수상선(100)이 통상적으로 작동하는 속도에서 최소 흡입 손실을 제공하는 것으로 알려졌다.

도 5는, 수상선(100)의 측부로부터 볼 때 도 3의 BB 선(즉, 측 방향 부분(36)들 중 하나)을 통한 입구(20)의 단면도이다. 실선은 측 방향 부분(36)의 외곽선을 도시하고 있고, 점선은 비교를 위해 메인 부분(32)의 외곽선을 도시하고 있다. 상부 벽(50)은, 측 방향 부분(36)의 상류 에지(44)로부터, 상류 에지(44)의하류에 위치되는 변곡점(39)으로 볼록 곡선의 형태로 상향으로 구부러진다. 상류 에지(44)와 변곡점(39) 사이의 상향으로 구부러지는 영역은 메인 부분(32)의 상향으로 구부러지는 영역보다 더 가파르게 구부러진다(즉, 작은 곡률 반경을 가짐). 상부 벽(50)은 상부 벽(50)에 상향 벌지(bulge)를 형성하기 위해 변곡점(39)과 하류 에지(46) 사이에서 오목 곡선의 형태로 구부러진다. 다음에, 상부 벽(50)은 후방 벽(60)을 형성하기 위해 하향 및 약간 전방으로 더 가파른 오목 곡선 형태로 구부러진다. 후방 벽(60)은 상부 벽(50)의 하류 단부로부터 하부 벽(52)과 만나도록 연장되며, 하부 벽(52)은 측 방향 부분(36)의 하류 에지(46)를 형성한다. 따라서, 측 방향 부분(36)은 입구(20) 및 측 방향 부분(36)과 메인 부분(32) 사이의 접합부(즉, 개념적 선(37))에서만 개방되며, 따라서 덕트 장치의 하류 부분(58)과 직접 연통하지 않고 메인 부분(32)을 통해서만 연통한다.

덕트 장치는 수상선 건조에 적합한 임의의 재료로 이루어질 수 있다. 예에 강철 및 알루미늄과 같은 금속 재료, 중합체, 및 유리 또는 탄소 섬유 강화 플라스틱과 같은 복합 재료가 포함된다.

물은 사용시에 다음과 같이 덕트 장치를 통해 흐른다. 도 2는, 수상선(100)이 고정되어 있거나 시속 20 킬로미터 아래와 같은 저속에서 이동하는 저속 상태에 있을 때, 화살표(38a 내지 38g)로 도시된 여러 가지 각도로부터 입구(20)로 유입되는 물을 도시하고 있다. 방향(38a)은 수상선(100)의 항해의 공칭 전방 방향에 대해 평행한 전방 방향을 나타내고, 방향(38d 및 38g)은 전방 방향으로부터 일정 각도의 측 방향을 나타내며, 방향(38b, 38c, 38e 및 38f)은 중간 방향을 나타낸다. 화살표(38a 내지 38g)의 길이는, 임펠러(14)가 작동될 때 그러한 각도로부터 입구(20)에 접근하는 물의 비율을 나타낸다. 도 2로부터 알 수 있듯이, 수상선이 고정되거나 저속에 있을 때, 임펠러(14)로부터의 흡입은 각각의 방향(38a 내지 38g)으로부터 입구(20)로 실질적으로 동일한 비율의 물을 유입시킨다.

도 3은, 수상선(100)이 저속 상태보다 높은 속도 즉 시속 20 킬로미터보다 실질적으로 높은 속도에서 물을 통해 이동되는 고속 상태에서의 도 2의 입구(20)를 도시하고 있다. 이러한 상태에서, 수상선(100)의 기준 프레임에서 전방 방향(38a)으로부터 오는 물의 더 높은 운동량으로 인해, 물의 더 많은 부분이 전방 방향(38a)으로부터 입구(20)에 유입된다.

도 4는 저속 또는 고속 상태에서의 주축(34)을 통한 입구(20)(즉, 메인 부분(32)의 일부)의 단면도이다. 전방 방향(38a)으로부터 메인 부분(32)에 유입되기 위해, 물은 입구(20)로 유입되기 위해 방향 변경 즉 "회전"되어야 한다. 유체 흐름이 방향을 변경할 때, 힘이 발생된다. 임펠러(14)는 이러한 힘에 대항하여 물을 유입하기에 충분한 흡입을 제공하여, 물은 메인 부분(32)을 통해 입구(20)로 유입될 수 있다. 고속에서, 물은 수상선(100)의 이동에 의해 입구(20)로 강제 유입된다.

도 6은 저속 상태에서의 도 3의 BB 선을 통한 입구(20)(즉, 측 방향 부분(36) 중 하나의 측 방향 부분의 일부)의 단면도이다. 메인 부분(32)과 하류 부분(58)의 외곽선은 비교를 위해 점선으로 도시되어 있다. 후방 벽(60)으로 인해, 측 방향 부분(36)을 통해 입구(20)로 유입되는 물은 하류 부분(58)에 도달하기 위해 메인 부분(32)을 통해 흘러야 한다. 물은 전방 방향(38a)으로부터 입구(20)에 유입되는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 측 방향 부분(36)은 메인 부분(32)에 비해 주축(34)을 따라 감소된 길이를 가지기 때문에, 물은 입구(20)에 유입되기 위해, 메인 부분(32)에 유입되는 물에 비하여 도 6에 도시된 바와 같이 상향으로 더욱 가파르게 회전되어야 하며, 즉 회전의 곡률 반경이 작다. 후방 벽(60)의 결과로서, 물은 또한 실질적으로 하류 부분(58)으로 흐르기 위해 메인 부분(32)으로 유입되기 위해 주축을 향해 내향으로 회전되어야 한다. 이들 효과의 각각의 결과로서, 물이 상류 방향(38a)으로부터 입구(20)에 접근하는 메인 부분(32)에 비하여, 물을 측 방향 부분(36)을 통해 입구(20)로 유입하기 위해 더 큰 힘이 필요하다. 다른 한편, 측 방향(38g)으로부터 측 방향 부분(36)으로 유입되는 물은 전방 방향으로부터 유입되는 물에 비해 작은 정도로 회전하면 될 것이며, 따라서 물을 측 방향(38g)으로부터 입구로 유입시키기 위해 작은 힘이 필요하다.

도 5는, 수상선(100)이 도 6에 도시된 저속 상태에 비해 높은 속도에서 물을 통해 항해하는 고속 상태에서의 도 3의 BB 선(즉, 측 방향 부분(36) 중 하나)을 통한 입구(20)의 단면도를 도시하고 있다. 여기에서도, 물은 전방 방향(38a)으로부터 입구(20)에 접근하는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 이러한 경우에, 전방 방향(38a)으로부터 접근하는 물은 수상선(100)의 기준 프레임에서 더 높은 운동량을 가지기 때문에, 임펠러(14)는 물이 전방 방향(38a)으로부터 측 방향 부분(36)에 유입될 수 있게 하기에 충분한 정도로 물을 회전시키기에 충분한 흡입을 제공할 수 없어, 전방 방향(38a)으로부터 오는 물은 측 방향 부분(36)을 바이패스한다. 다른 한편, 전방 방향(38a)으로부터 메인 부분(32)에 접근하는 물은 여전히 입구에 유입될 수 있다(도 4에 도시된 바와 같음). 이것은, 메인 부분(32)이 측 방향 부분(36)에 비하여 주축(34)을 따라 즉 전방 방향(38a)으로 더 긴 길이를 가져, 임펠러(14)가 고속 및 저속에서 메인 부분(32)을 통해 물을 흡입할 수 있기 때문이다.

이론에 구속되지 않으면서, 또한, 고속 상태에서 메인 부분(32)을 통해 흐르는 고속의 물은 측 방향 부분(36)에서의 물에 비해 이러한 영역에서 상대적으로 높은 압력을 발생시킨다고 생각된다. 메인 부분(32) 내의 이러한 상대적으로 높은 압력은 측 방향 부분(36) 내의 물에 전달되며, 그것은 물이 측 방향 부분(36)으로 유입되는 것을 방지한다. 매우 높은 속도에서, 메인 부분(32) 내의 압력은 측 방향 부분(36) 및 자유 스트림 물의 압력에 비해 충분히 높아, 물은 도 4에 점선으로 도시된 바와 같이 메인 부분(32)을 통해 입구(20)로 흘러들어 가고 측 방향 부분(36) 중 하나 또는 둘 다를 통해 입구(20)로부터 흘러나올 수 있다. 그러면, 측 방향 영역(36)은 "스필(spill)"로서 작용하여, 덕트 장치(10)의 유효 흡입 영역을 더 감소시킬 것이다.

그 결과, 저속에서, 임펠러(14)는 물을 메인 부분(32) 및 측 방향 부분(36)으로부터 입구(20)로 끌어들일 수 있어, 유효 입구 영역은 메인 부분(32)과 측 방향 부분(36)의 결합된 영역이다. 그러나, 고속에서, 측 방향 부분(36)을 통해 입구로 끌려들어 온 물의 양은, 매우 높은 속도에서 물이 주로 메인 부분(32)을 통해서만 끌려들어 올 때까지 감소되어, 유효 입구 영역은 메인 부분(32)만의 영역이다. 그 결과, 유효 입구 영역은 고속에서보다 저속에서 더 크다. 위의 효과는 저속 상태와 고속 상태 사이에서 그 크기가 변할 수 있어, 유효 입구 영역은 도 17에서 그래프로 도시된 바와 같이 저속에서의 큰 값과 고속에서의 작은 값 사이에서 연속적으로 변할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따라 디자인된 덕트 장치는, 고속에 최적인 크기(즉, 주축(34)을 가로지르는 폭 및 주축(34)을 따른 길이)를 가진 메인 부분(32)을 포함하는 입구(20)를 가질 수 있다. 수상선은 통상적으로 고속에서 긴 시간을 보내기 때문에, 본 발명은, 고속에서 매우 유효하지만 저속에서 공동 현상을 만나지 않으면서 유효한 작동을 제공하도록 저속에서 충분히 큰 유효 흡입 영역을 가지는 덕트 장치를 제공한다. 그러면, 이것은 임펠러(14)를 손상시키거나 비효율적으로 작동함이 없이 저속에서 높은 스러스트 및 따라서 높은 가속을 가능하게 할 수 있다. 본 발명은 가변 기하학적 장치에 비해 작은 수의 이동 부품으로 작동할 수 있어, 신뢰성을 증가시키고 유지보수 비용을 감소시킬 수 있다. 수류에 노출되는 이동 부품의 감소는 또한 통나무 또는 다른 이물질 찌꺼기 같은 이물질로부터의 덕트 장치(10)에 대한 손상의 위험성을 감소시킨다. 고속에서의 입구(20)의 측 방향 부분(36)으로부터 유출되는 흐름은 고속에서 입구로 흘러들어 오는 물의 순수한 량을 더 감소시켜 고속에서의 효율을 더 증가시킬 수 있다.

도 7은 도 2와 유사하지만, 저속 상태에서 메인 덕트(130)를 포함하는 제2 덕트 장치(10)의 도면이다. 메인 덕트(130)는, 주축(134)을 따라 연장되는 기다란 메인 부분(132) 및 메인 부분(132)의 양쪽에서 연장되는 한 쌍의 측 방향 부분(136)을 포함한다. 점선(159)은 덕트 장치(110)의 하류 부분(158)을 도시하고 있다. 그러나, 측 방향 부분(136)은 각각 제1 메인 덕트(30)의 측 방향 부분(36)과 다르게 배치되며, 측 방향 부분(136)의 상대적 사이즈 역시 다르다.

메인 부분(132)은 주축(134)을 따라 상류 에지(140)와 하류 에지(142) 사이에서 연장되는 길이를 가진다. 측 방향 부분(136) 각각은 주축을 따라 상류 에지(144)와 하류 에지(146) 사이에서 연장되는 길이를 가진다. 메인 부분(132)의 길이는 각각의 측 방향 부분(136)의 길이의 약 3배이다. 메인 부분(132)은 측 방향 부분(136)의 전방으로만 연장되고 후방으로는 연장되지 않는다.

제1 메인 덕트(30)의 메인 부분(32)과 측 방향 부분(36)에 비하여 메인 부분(132)과 측 방향 부분(136) 사이의 더 큰 길이 비의 결과로서, 측 방향 부분(136)은 주어진 전체 사이즈에 대해 제1 메인 덕트(30)에 비하여 저속에서 "차단"된다. 일반적으로, 메인 부분(132)과 측 방향 부분(136)의 상대적 크기는 수상선의 사이즈 및 의도한 용도에 의존할 것이다. 예를 들면, 군함에서, 고속은 짧은 기간에만 필요하기 때문에, 수상선은 자주 비교적 저속에서의 고효율을 위해 최적화된다. 이것은 메인 부분(132)과 측 방향 부분(136)의 길이의 비교적 작은 비를 가진 디자인을 발생시킬 수 있다.

메인 부분(132)은 아래로부터 볼 때 뭉툭한 상류 에지(141)를 포함한다. 상류 에지(141)는 볼록하게 외향으로 후방으로 구부러지는 전방 부분(141)으로 이어진다. 전방 부분(141)은 메인 부분(132)의 외향으로 테이퍼지는 중간 부분(143)과 만나며, 중간 부분(143)은 각각의 측 방향 부분(136)의 상류 에지(144)로 연장된다.

측 방향 부분(136)은 메인 부분(132)의 양쪽에서, 메인 부분(132)의 중간 부분(143)의 하류 단부에 위치되는 상류 에지(144)로부터, 메인 부분(132)의 하류 에지(142)에 인접하는 하류 에지(146)로 연장된다. 측 방향 부분(136)은 하류 에지(142)로 내향으로 구부러지기 전에 상류 에지(144)로부터 측부 에지(147)로 외향으로 구부러진다.

도 9는 도 4와 유사하지만 제2 덕트 장치(110)의 도면이다. 메인 부분(132)의 측부 프로파일은 제1 덕트 장치(10)의 측부 프로파일과 유사하다.

도 10은 도 5와 유사하지만 제2 덕트 장치(110)의 도면이다. 여기에서도, 측 방향 부분(136)의 프로파일은 유사하며, 상부 벽(150) 및 후방 벽(153)을 포함한다. 후방 벽(153)은 메인 부분(132)의 하류 에지에 인접하여 위치된다.

도 7에 도시된 바와 같이, 저속에서, 전방 방향으로부터 접근하는 물은 측 방향 부분(136) 및 메인 부분(132)을 통해 입구(120)로 유입될 수 있다.

그러나, 고속에서, 도 8에 도시된 바와 같이, 물은 메인 부분(132)을 통해서만 입구(120)로 유입될 수 있다. 도 9는 주축을 통한 덕트 장치(110)의 단면도이며, 도 10 및 도 11은 BB 선을 통한 덕트 장치(110)의 단면도이다. 도 9는 고속 또는 저속에서 입구(120)의 메인 부분(132)으로 유입되는 물을 도시하며, 도 10 및 도 11은 고속 및 저속 각각에서 측 방향 부분(136)으로 들어오는 물의 경로를 도시하고 있다.

도 12 및 도 13은 각각 도 11 및 도 7과 유사하지만, 입구(220)를 포함하는 메인 덕트(230)를 가진 제3 덕트 장치(210)를 도시하고 있다. 메인 덕트(230)는 메인 덕트(130)와 유사하며, 입구(220)는 입구(120)와 유사하다. 그러나, 덕트 장치(210)는 한 쌍의 분할기(252)를 더 포함한다. 각각의 분할기(252)는 입구(220)의 측 방향 부분(236)과 메인 부분(232) 사이에서 메인 덕트(230) 내에 위치된다. 각각의 분할기(252)는 대체로 평면인 시트 부재를 포함하며, 입구(220)의 개구로부터 상부 벽(50)으로 부분적으로 연장되고, 측 방향 부분(236)을 따라 상류 단부(244)로부터 하류 단부(240)로 연장된다. 분할기(252)는 실질적으로 물이 통과될 수 없으며, 측 방향 부분(236)에서의 비교적 정체된 물과 고속에서 메인 부분(232) 내의 빠르게 흐르는 물 사이의 난류 및/또는 전단(shear)을 감소시키는 작용을 하여, 입구(220)에 의해 발생되는 항력을 감소시킨다. 그러나 분할기(252)는 입구(220)로부터 상부 벽(50)으로 부분적으로만 연장되기 때문에, 어느 정도의 물은 여전히, 저속에서 측 방향 부분(236)으로부터 메인 부분(232)으로 또는 고속에서 메인 부분(232)으로부터 측 방향 부분(236)으로 분할기(252)의 상부를 넘어 흐를 수 있다.

그러나, 정지 상태 및 매우 낮은 속도에서, 측 방향 부분(236)과 메인 부분(232) 사이의 상대 속도는 더 작아, 난류 및 전단를 덜 만날 것이다. 또한, 더 많은 물이 저속에서 측 방향 부분(236)을 통해 입구(220)에 유입될 것이기 때문에, 분할기(252)는 충분한 물이 측 방향 부분(236)을 통해 메인 부분(232)으로 유입되는 것을 방지하는 작용을 할 것이다. 따라서, 분할기(252)는, 분할기(252)가 메인 부분(232)과 측 방향 부분(236) 사이의 수류를 제1 정도로 차단하는 격납 위치와, 분할기(252)가 메인 부분(232)과 측 방향 부분(236) 사이의 수류를 더 큰 제2 정도로 차단하는 전개 위치(도 12에 도시된 바와 같음) 사이에서 이동될 수 있다. 분할기(252)는 수상선(100)이 고속에 있을 때 전개 위치로 이동되고, 수상선(100)이 저속에 있을 때 격납 위치로 이동될 수 있다.

도 14는 도 7과 유사하지만, 메인 부분(332)과 측 방향 부분(336)을 가진 입구(320)를 가진 메인 덕트(330)를 포함하는 제4 덕트 장치(310)의 도면이다. 입구(320)의 메인 부분(332)과 측 방향 부분(336)의 상대적 크기는 제2 덕트 장치(110)과 제3 덕트 장치(210)의 입구(120, 220)와 유사하지만, 메인 부분(332)과 측 방향 부분(336)의 위치 및 형상은 다르다.

도 14에 도시된 바와 같이, 메인 부분(332)은 기다라며, 상부 벽(50)에 의해 형성되는 상류 단부(340)로부터 립(56)에 의해 형성되는 하류 단부로 주축(334)을 따라 연장된다. 측 방향 부분(336) 각각은 또한 상부 벽(50)에 의해 형성되는 각각의 상류 단부(344)로부터 립(56)에 의해 형성되는 각각의 하류 단부로 연장된다. 각각의 측 방향 부분(336)의 상류 단부(344)는 메인 부분(332)의 상류 단부(340)의 하류에 위치된다. 입(56)은 또한, 각각의 측 방향 부분(336)의 하류 단부가 메인 부분(332)의 하류 단부의 하류에 위치되도록 구부러진다.

옵션으로서, 덕트 장치(310)는, 각각의 측 방향 부분(336)에 위치되는 팽창성 부재(354)를 더 포함한다. 각각의 팽창성 부재(354)는, 입구(320)의 기하학적 형상이 적어도 제1 구성과 제2 구성 사이에서 팽창성 부재(354)의 팽창 또는 수축에 의해 변경될 수 있도록 하는 위치에 배치된다.

덕트 장치(310)는 도 14에서 제1 수축 상태에 있는 것으로 도시되어 있다. 팽창성 부재(354)는, 팽창성 부재(354)의 부피가 도 14에 도시된 수축 상태와 도 15에 도시된 팽창 상태 사이에서 변경될 수 있도록, 펌프(도시되지 않음)에 의해 유체로 충전 또는 배수될 수 있다. 팽창성 부재(354)가 팽창하였을 때, 팽창성 부재는 팽창성 부재(354)가 수축되었을 때와 비교하여 측 방향 부분(336)의 더 큰 부분을 충전시킨다. 따라서, 팽창성 부재(354)는 팽창되었을 때 측 방향 부분(336) 내의 물을 배출시켜, 유효 입구 영역을 감소시킨다. 따라서, 팽창성 부재(354)는 본 발명의 다른 실시예와 비교하여 입구 영역에 대한 추가적 제어를 제공할 수 있다. 옵션으로서, 팽창성 부재(354)는 본 발명의 다른 실시예에 설치될 수 있다.

도 16은 도 1과 유사하지만, 제5 덕트 장치(410)를 가진 수상선(100)의 도면이다. 덕트 장치(410)는 덕트 장치(10, 110, 210, 310) 중 어떤 것과도 유사하지만, 메인 덕트(30, 130, 230, 330, 430) 중 어떤 것과도 유사한 메인 덕트(530)에 더하여, 덕트 장치(410)는 보조 덕트(456)를 포함한다.

보조 덕트(456)는 메인 덕트(430)의 입구(320)의 하류에 위치되는 입구(458)로부터 메인 덕트(530)와 연통하는 출구(462)로 연장된다. 보조 덕트는 덕트 장치(10, 110, 210, 310)와 비교하여 저속에서 더 유효한 흡입 영역을 제공할 수 있다.

도 18은 도 4, 도 10 및 도 12와 유사하지만, 제5 덕트 장치(510)의 측 방향 부분(436)의 도면이다.

덕트 장치(510)는, 제1 덕트 장치(10)의 메인 부분과 유사한 메인 부분(532)(도 18에 일부만 도시됨)을 포함한다. 측 방향 부분(436)은, 측부 에지(547)를 통해 하류 에지(542)로 연장되는 상류 에지(544)를 포함한다. 측 방향 부분(436)은, 측 방향 부분의 상류 에지(544)와 메인 부분의 중간 부분(543) 사이에서 연장되는 립 부분(570)을 더 포함한다. 립 부분(570)은 상류 에지(544)로부터 중간 부분(543)으로 하류 방향으로 연장되어, 측 방향 부분(536)의 상류 에지(544)는 측 방향 부분(436)과 메인 부분 사이의 접합부의 상류로 연장된다. 립 부분(570)은 고속에서 측 방향 부분(536)과 메인 부분(532) 사이의 흐름을 감소시켜, 고속과 저속에서의 유효 입구 영역들 사이의 비를 더 증가시킨다.

따라서, 본 발명은 종래기술에 비하여 여러 가지 이점을 가진 물 분사 추진기를 위한 덕트 장치를 제공한다. 물 분사 추진기는, 수상선의 전방 속도에 따라 자동으로 조절되는 가변 유효 흡입 영역을 가진다. 본 발명은 가변 유효 흡입 영역을 제공하기 위한 이동 부품에 대한 요구사항을 감소시키거나 절충하면서 이러한 효과를 달성한다. 본 발명은 종래의 해결 방안에 비해 적은 수의 이동 부품이 요구되기 때문에 상대적으로 비용이 낮다. 본 발명은 단일 입구만으로 가변 유효 흡입 영역을 제공할 수 있으며, 그것은 입구가 상대적으로 견고할 수 있다는 것을 뜻한다. 측 방향 부분은 고속에서 유효 흡입 영역에 대해 덜 기여하기 때문에, 측 방향 부분의 형상은 저속에서의 고효율을 위해 디자인될 수 있고, 메인 부분의 형상은 고속에서의 고효율을 위해 디자인될 수 있다.

여러 가지 수정이 본 발명으로부터 이탈함이 없이 이루어질 수 있다. 예를 들면, 출구는 사용시에 수선 위에 위치되는 것으로 설명되었지만, 어떤 응용에서는, 출구는 수선 아래에 위치될 수 있다. 다르게 언급되지 않는 한, 설명된 실시예 중 임의의 실시예의 특징은 다른 실시예에 적용될 수 있다.

Claims

물 분사 추진기를 위한 덕트 장치에 있어서,
입구를 포함하는 메인 덕트를 포함하며,
상기 입구는, 주축을 따라 연장된 기다란 메인 부분, 및 상기 메인 부분과 유체 연통하는 하나 이상의 측 방향 부분을 가지고 있고,
하나 이상의 상기 측 방향 부분은 단지 상기 메인 부분의 길이를 따라서 부분적으로 연장되어 있는,
물 분사 추진기를 위한 덕트 장치.
제1항에 있어서,
상기 메인 부분의 적어도 일부는 상기 측 방향 부분의 상류로 연장되어 있는, 물 분사 추진기를 위한 덕트 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 주축을 따른 상기 메인 부분과 상기 주축을 따른 상기 측 방향 부분의 길이들 사이의 비는 2:1 내지 3:1인, 물 분사 추진기를 위한 덕트 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
가장 넓은 지점에서의 상기 메인 부분의 폭과 가장 넓은 지점에서의 상기 측 방향 부분의 폭 사이의 비는 약 1:1인, 물 분사 추진기를 위한 덕트 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 메인 부분의 각각의 측부에 하나씩 2개의 측 방향 부분을 더 포함하는, 물 분사 추진기를 위한 덕트 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 메인 부분의 폭은 상기 주축을 따라 테이퍼져 있는, 물 분사 추진기를 위한 덕트 장치.
제6항에 있어서,
상기 메인 부분의 폭은 최대치로부터 최소치로 하류 방향으로 테이퍼져 있는, 물 분사 추진기를 위한 덕트 장치.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 덕트 장치는 사용시의 상부 벽을 형성하고 있고,
상기 사용시의 상부 벽은 사용시의 상류 단부로부터 사용시의 하류 단부를 향해 상기 주축을 따라 상향으로 경사져 있는,
물 분사 추진기를 위한 덕트 장치.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 측 방향 부분 또는 각각의 상기 측 방향 부분의 하류 단부는 상기 메인 부분의 하류 단부에 대해 하류로 연장되어 있는, 물 분사 추진기를 위한 덕트 장치.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 덕트 장치는 상기 메인 덕트의 하류에 위치된 임펠러 덕트 입구를 포함하며,
상기 임펠러 덕트 입구는 상기 주축에 대해 직각으로 상기 메인 부분과 대략 동일한 폭을 갖고 있는,
물 분사 추진기를 위한 덕트 장치.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 덕트 장치는 상기 메인 부분과 상기 측 방향 부분 사이에 위치된 하나 이상의 분할기를 포함하며,
상기 분할기 또는 각각의 상기 분할기는 상기 메인 부분과 상기 측 방향 부분 사이의 수류를 적어도 부분적으로 차단하도록 배치되어 있는,
물 분사 추진기를 위한 덕트 장치.
제11항에 있어서,
상기 분할기 또는 각각의 상기 분할기는 애퍼처로부터 상기 덕트 장치의 상부 벽으로 부분적으로 상향으로 연장되어 있는, 물 분사 추진기를 위한 덕트 장치.
제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 분할기 또는 각각의 상기 분할기는 적어도 제1 격납 위치 및 제2 전개 위치로부터 이동될 수 있는, 물 분사 추진기를 위한 덕트 장치.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 덕트 장치는 팽창성 부재를 포함하며,
상기 팽창성 부재는, 상기 입구의 기하학적 형상이 적어도 제1 구성과 제2 구성 사이에서 상기 팽창성 부재의 팽창 또는 수축에 의해 변경될 수 있도록 하는 위치에 배치되어 있는,
물 분사 추진기를 위한 덕트 장치.
제14항에 있어서,
상기 팽창성 부재는 상기 측 방향 부분 또는 각각의 상기 측 방향 부분의 하나 이상의 측 방향 부분 내에 위치되어 있는, 물 분사 추진기를 위한 덕트 장치.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
사용시에 잠기도록 배치된 보조 입구 애퍼처 및 상기 메인 덕트로 개방된 보조 출구를 가진 보조 덕트를 더 포함하는, 물 분사 추진기를 위한 덕트 장치.
제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 덕트 장치를 포함하는 물 분사 추진기.
제19항에 따른 물 분사 추진기를 포함하는 수상선.