KR20140081107A - 선박용 균형조절장치 및 이를 갖춘 선박 - Google Patents

Abstract

선박용 균형조절장치가 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 선박용 균형조절장치는 판부재와, 상기 판부재를 선박에 대하여 지지하고, 신축 가능한 구조를 가지는 하나 이상의 지지부재를 포함하되, 상기 지지부재는 상기 판부재가 회전 가능하도록 상호 결합되며, 상기 판부재의 전방측과 후방측을 각각 지지하도록 제1지지부재와 제2지지부재를 구비하여, 상기 판부재의 수평면에 대한 기울기를 조절 가능하도록 하는 것을 포함한다.

Description

선박용 균형조절장치 및 이를 갖춘 선박{BALANCE ADJUSTING APPARATUS AND SHIP HAVING THE SAME}

본 발명은 선박의 균형을 조절하기 위한 균형조절장치 및 이를 갖춘 선박에 대한 것이다.

일반적으로 선박은 바다, 강 등 물 위에서 운행하며, 화물이나 사람 등을 특정 위치로 이동시키는 운송수단이다. 또한 선박은 물 위에서 진행하기 때문에 물에서 작용하는 부력에 영향을 받게 되며, 부력은 배 표면 및 중량이 물 표면에 가하는 압력에 비례하여 배를 물 위에 띄울 수 있게 한다. 이렇게 물 위에 띄워진 배는 부력과 선박 하중의 평형으로 균형이 유지되는데, 이러한 균형은 선박에 적재되는 적재물의 수량과 그의 하중에 따라 달라지는 것이다. 특히, 선박의 전후 방향의 기울어짐에 의해 발생하는 트림(trim)은 배를 설계할 때 우선순위로 고려해야 할 사항 중 하나이다.

트림에 영향을 주는 요소는 다양한데, 선박 내에 적재되는 화물의 위치, 밸러스트탱크(ballast tank) 내의 물의 양, 선박이 추진하는 힘에 대항하는 물의 저항, 고속으로 항해하는 선박에 작용하는 공기의 저항 등이 있다. 여기서, 그 중 기술의 발전에 따라 선박의 속도가 점점 빨라지게 됨에 따라 물에 의한 추진저항 및 공기에 의한 공기저항이 주요한 요소가 되고 있는데, 특히 요트 또는 쾌속정의 경우는 선체의 무게가 가볍고, 운행속도가 상당히 빠르기 때문에 물의 저항에 의한 선체의 요동뿐 아니라, 공기의 저항에 의해 발생하는 선체의 균형을 조절하기 매우 어렵다. 그리고 이는 불안정한 항해를 야기한다.

또한, 많은 양의 화물을 적재하는 화물선의 경우 화물의 선적 시와 하역 시, 선박 하중의 차이가 크게 되는데, 두 상태를 모두 고려하여 선박의 균형을 조절하는 것은 어렵다. 그리고 화물을 선박의 무게중심 측에만 적재하는 것도 아니어서 더욱 그러하다. 즉, 선박 편측에 화물이 쏠리게 적재됨으로써 수평면을 기준으로 선박 전후의 높이 차이가 발생하는 것이다. 그리고 이러한 높이차이에 의해 선박이 편측으로 기울어지게 되면 선체 내에 적재되어 있는 화물에 이상이 생길 여지가 있는 것으로, 이를 무시한다면 적재된 화물의 품질 저하 및 파손을 일으킬 수 있다.

따라서, 선박의 균형을 유지시키는 것은 선박을 설계하고 기타 위급상황에 대처하는데 있어서 매우 중요하다.

본 발명의 실시 예는 선체로 불어오는 바람의 힘을 이용하여 선박의 트림을 용이하게 조절하는 선박용 균형조절장치를 제공하고자 한다.

또한, 선체로 불어오는 공기저항을 이용하여, 선박의 추진기(推進機)를 사용하지 않고도 선박의 제동을 용이하게 하고자 한다.

또한, 선박의 트림을 용이하게 조절함으로써 선박 내의 밸러스트(ballast)의 사용을 최소한으로 하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 판부재와, 상기 판부재를 선박에 대하여 지지하고 신축 가능한 구조를 가지는 하나 이상의 지지부재를 포함하되, 상기 지지부재는 상기 판부재가 회전 가능하도록 상호 결합되며, 상기 판부재의 전방측과 후방측을 각각 지지하도록 제1지지부재와 제2지지부재를 구비하여, 상기 판부재의 수평면에 대한 기울기를 조절 하는 선박용 균형조절장치가 제공될 수 있다.

또한, 상기 판부재는, 양력을 최대한으로 받도록 휘어진 익형의 형상을 가지며, 날개가 뒤집어진 형상으로, 아래면이 폭 방향으로 더 긴 형상을 가지도록 될 수 있다.

또한, 상기 판부재는, 두 개의 이중구조로 되어 유체의 흐름을 미세하게 조절 가능하도록 될 수 있다.

또한, 상기 지지부재는, 상기 판부재의 회전범위를 제한하는 스토퍼를 구비하도록 될 수 있다.

또한, 선체의 트림에 따라 상기 판부재의 받음각을 조절하는 제어부를 더 포함하고, 상기 제어부는, 선체에 설치되는 센서를 포함하여, 상기 센서로부터 선체의 수평면에 대한 기울기 정보를 얻고, 상기 정보에 따라 지지부재의 신축길이를 조절하도록 할 수 있다.

또한, 상기 제어부는, 상기 판부재를 지나는 유체의 속도에 대한 유속정보를 측정하고, 상기 유속정보와 상기 기울기정보를 이용하여 상기 지지부재의 신축길이를 조절하도록 될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 선박용 균형조절장치는 단순한 구조를 가져, 조립 및 제작이 용이하게 될 수 있다.

또한, 선체의 트림을 용이하게 조절하도록 함으로써 밸러스트의 사용을 최소한으로 할 수 있다.

또한, 선체의 트림을 조절함으로 해서 선체의 진동을 억제하여 탑승자의 구토, 멀미 등의 부작용을 억제할 수 있다.

또한, 밸러스트탱크의 역할을 분담함 따라서, 밸러스트 물의 무게로 인한 선박 연료소모량을 저감시킬 수 있다.

또한, 선박의 제동시 제동수단으로 사용하도록 함으로써 선박의 연료소모량을 저감시킬 수 있다.

도 1은 종래의 비행기에 사용되는 판부재를 나타낸 측면도이다.
도 2는 도1의 날개를 상하로 뒤집은 형상을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 선박용 균형조절장치 및 이를 갖춘 선박을 나타낸다.
도 4은 본 발명의 제1실시예에 따른 선박용 균형조절장치의 측면도를 나타낸다.
도 5은 종래 선박의 측면도로, 편측으로 기울어진 상태를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 균형조절장치를 갖춘 선박의 측면도를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 선박용 균형조절장치 및 이를 갖춘 선박을 나타낸다.
도 8은 도7의 X-X부분에 대한 단면도를 나타낸다.
도 9은 도7의 X-X부분에 대한 단면도를 나타낸다.

이하에서는 본 발명의 실시 예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.

도 1은 양력(L) 및 항력(D)의 기본원리를 설명하기 위한 것으로, 종래의 비행기에 사용되는 판부재(10)를 나타낸 측면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 판부재(10)를 빠른 속력의 유체(V)가 지나가게 되면 양력(L)과 항력(D)을 받게 된다.

여기서 양력(L)은, 윗면이 길고 아랫면이 짧은 형상의 판부재(10)에 유체(V)가 빠른 속도로 흐를 때 베르누이의 법칙에 따라 판부재(10)의 상측은 저압부를 형성하고, 하측은 상측에 비해 상대적으로 고압부를 형성하게 되는 원리에 의해 발생한다. 이때 판부재(10)의 윗면이 길다는 것은 유체가 판부재(10)를 지나는 경로의 길이가 아랫면에 비해 길다는 것을 의미하고, 아랫면이 짧다는 것의 의미는 그 반대이다. 그리고 항력(D)은 유체 흐름에 대한 저항으로, 예를 들어 자유낙하 하는 물체에 작용하는 것과 같은 공기에 의한 저항을 말하는데, 여기서는 판부재(10)에 의해 방해되는 유체(V)의 흐름에 의해 발생하게 된다.

이 양력(L)과 항력(D)의 크기는 그 판부재(10)의 기울어짐, 즉 받음각(A)에 의해 결정될 수 있는데, 예를 들어 받음각(A)이 커지면 항력(D)이 더 크게 작용하게 되고, 받음각(A)이 작아지면 양력이 더 크게 작용하게 될 수 있다. 이러한 양력과 항력(D)의 상호관계는 판부재(10)의 형상 및 유체의 속도에 따라 달라질 수 있을 것이다.

도 2는 도1의 날개를 상하로 뒤집은 형상을 나타내는데, 이하에서는 이를 도 1과 비교하여 설명한다.

판부재(10)의 상하를 반대로 둠으로써 양력(L)이 아래로 작용하게 할 수 있다. 이를 이하에서는 편의상 반양력(RL)이라 한다. 판부재(10)의 윗면이 아랫면에 비해 상대적으로 짧은 길이를 가지도록 하여 양력(L)과 반대 방향으로 힘이 작용하도록 하는 방식이다. 도 2는 이러한 반양력(RL)이 작용하는 판부재(10)를 나타내는데, 이는 뒤집어진 날개 형상으로 되어, 앞서 언급했던 공기의 저항력(D)과 반양력(RL)을 이용할 수 있다. 이때는 항력(D)의 방향은 그대로이되 양력의 방향이 반대로 된다. 이상 판부재(10)에 작용하는 힘에 대한 기본적인 이론을 설명하였는데, 이하에서는 이러한 이론을 바탕으로 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 선박(1)용 균형조절장치 및 이를 갖춘 선박(1)을 나타내고, 도 4은 본 발명의 제1실시예에 따른 선박(1)용 균형조절장치의 측면도를 나타낸다.

도 3과 도 4를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 선박(1)용 균형조절장치는 선박(1)의 상면에 설치되고, 날개형상을 가지는 판부재(100)와, 상기 판부재(100)와 선박(1) 사이에서 상기 판부재(100)를 연결하는 지지부재(200)를 포함할 수 있다.

판부재(100)는 앞서 설명한 양력 및 항력(D)을 받도록, 윗면이 넓고 아래면이 좁은 형상 또는 그것이 뒤집어진 형상으로 되어 반양력(RL) 및 항력(D)을 받도록 될 수 있다. 예를 들어, 도시된 바와 같이 윗면이 좁고 아래면이 넓은 형상을 가져 선박(1)의 아래쪽으로는 반양력(RL)이 작용하고, 선박(1)의 진행방향의 반대방향으로는 항력(D)이 발생하도록 할 수 있다.

이러한 날개는 양력 또는 반양력(RL)을 최대한으로 받도록 휘어진 날개 형상으로 될 수 있다. 판부재(100)가 윗면 또는 아래면 중의 어느 하나가 더 긴 형상의 곡선으로 되어, 유체의 흐름 방향과 수평일 때는 양력 또는 반양력(RL)을 최대로 받도록 하되, 항력(D)은 최소한으로 작용하도록 하는 것이다.

지지부재(200)는 판부재(100)를 지지하기 위한 수단으로, 일단부는 판부재(100)와 연결되고 타단부는 선박(1)과 체결되어 판부재(100)가 선박(1)으로부터 일정간격 이격될 수 있도록 하는 역할을 할 수 있다. 여기서 '일정간격'은 설계자가 임의로 선택할 수 있는 것으로, 선박(1)의 크기, 종류, 형상 및 최대속력 등 제반 사항을 고려하여 설계자가 선택할 수 있다.

이러한 지지부재(200)는 판부재(100)가 받는 양력, 항력(D) 또는 반양력(RL)을 선박(1)에 전달하는 역할을 할 수 있는데, 이러한 힘들을 온전히 전달하기 위하여 강성이 높은 소재, 예를 들어 강철로 되어 선박(1)과 판부재(100)에 각각 용접하여 결합 될 수 있다.

지지부재(200)는 에이치 빔(H-beam) 또는 원형의 빔으로 되거나 이들을 복합적으로 사용한 트러스 구조로, 선박(1)의 양측 단부에 하나 이상 설치될 수 있다. 예를 들어, 도시된 바와 같이 선박(1)의 양측 단부의 전방과 후방에 각각 두 개씩 네 개의 원형 빔으로 될 수 있는데, 이러한 지지부재(200)는 정적하중을 많이 받기 때문에 많은 하중을 감당할 수 있도록 재료의 강도가 설계되어야 할 것이다. 예로, 인장응력, 압축응력, 굽힘응력, 전단(剪斷)응력, 비틀림 응력 등이 고려될 수 있다.

또한, 지지부재(200)는 판부재(100)를 체결하는데 있어, 판부재(100)가 회전 가능하도록 할 수 있다. 예를 들어, 판부재(100)의 원형축(100a)을 지지하도록 지지부재(200)의 일면에 홀을 형성하고 상기 원형축(100a)을 수용하도록 될 수 있다. 판부재(100)가 용이하게 회전 가능하도록 하는 것이다. 여기서, 그 홀의 내측에는 베어링(미도시)이 추가로 설치될 수 있음은 통상의 기술자에게는 자명할 것이다.

또한, 판부재(100)가 회전 가능하도록 함으로써, 반양력(RL)과 양력을 선택적으로 사용할 수 있다. 판부재(100)가 정방향, 즉 일반적인 날개의 형상과 같이 놓여 있을 경우에는 양력을 받도록 하고, 역방향을 하고 있을 경우에는 반양력(RL)이 받도록 하는 것이다. 예를 들어, 판부재(100)의 좌우측 단부에 지지부재(200)를 하나씩만 두어, 판부재(100)가 360도 회전할 수 있도록 할 수 있다.

지지부재(200)는 다단으로 신축 가능하도록 되고, 내부에 유압장치(미도시)를 구비할 수 있다. 지지부재(200)가 도시된 바와 같이 다단으로 절첩되는 구조를 가지고, 그 내부에 유압장치를 추가로 두어 그 지지부재(200)가 신축되도록 하는 것이다. 이는 다수개의 지지부재(200)가 서로 연동하여 신축하도록 되거나, 각각 독립되어 다른 높이를 가지도록 될 수 있다. 예를 들어, 도시된 바와 같이 판부재(100)의 전방과 후방을 지지하는 제1지지부재(201)와 제2지지부재(202)가 각기 짝을 이루어 신축하도록 함으로서, 판부재(100)가 유체의 흐름방향에 대해 다양한 각도를 가지도록 할 수 있다. 여기서, 판부재(100)가 유체의 흐름방향에 대한 기울기를 받음각이라 한다.

내부에 설치되는 유압장치(미도시)는 파스칼의 원리를 이용한 일반적인 유압실린더로, 유압장치상부가 하부지지부를 따라 이동하여 신축 가능하도록 복동실린더로 될 수 있으나, 이에 한정하지 않는다.

상술한 균형조절장치에는 제어부(미도시)를 추가로 둘 수 있는데, 선체에 센서(미도시)를 설치하여, 그 센서로부터 선체의 수평면에 대한 기울기 정보, 즉 트림(trim)의 정도(程度)에 대한 정보를 얻고, 그 기울기 정보에 따라 지지부재의 신축길이를 조절하는 것이다. 여기서 상기 센서(미도시)는 기울기센서로 될 수 있다.

또한, 제어부(미도시)는 상기 판부재(100)를 지나는 유체의 속도에 대한 유속정보를 측정하도록 속도센서(미도시)를 추가로 구비하고, 이를 활용하여 얻은 유속정보와 상술한 기울기정보를 조합, 이용하여 상기 지지부재의 신축길이를 조절하도록 할 수 있다.

도 5는 종래 선박의 측면도로, 편측으로 기울어진 상태를 나타내고, 도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 균형조절장치를 갖춘 선박의 측면도를 나타내는데, 이하에서는 제1실시예에 따른 균형조절장치의 작동방식에 대하여 설명한다.

종래의 선박(1)에서는 화물의 적재상태, 밸러스트(ballast, 미도시) 내의 물의 양 등의 제반 여건에 따라 선박이 중심축(C)을 기준으로 편측으로 기울어지는 현상이 발생하였다. 선박의 무게중심(center of gravity, COG)이 선박 후방에 위치하기 때문인데, 이때는 선박의 전방과 후방의 흘수 차, 즉 트림(Tr)이 크게 작용하였다. 도 3은 이러한 트림(Tr)이 발생하는 상황을 나타낸다. 이때 부력(B)의 작용점은 선박이 밀어낸 부분에 유체가 있다고 가정했을 때의 무게중심과 일치하게 되고, 이 작용점을 부력 중심(center of buoyancy, COB)이라 하며, 부체(떠 있는 물체)가 기울어져 있을 경우의 복원력을 결정하는 중요한 요소로 작용한다.

도 6은 제1실시예에 따른 균형조절장치를 장착한 선박을 나타내는데, 선박(1)의 속력이 빨라서 지나가는 유체, 즉 공기의 흐름 또한 빠를 때, 균형조절장치(P)가 선박의 전방측에 선박을 아래로 누르는 반양력(RL)이 작용하게 하고, 이것이 선박의 중심축(C)을 기준으로 선박 하중의 작용점(COG)과 모멘트의 평형을 이룸으로써, 선박의 회전을 막아 결과적으로 선박의 균형을 유지하게 하는 것이다. 이때 부력 중심은 선박이 밀어낸 부분에 유체가 있다고 가정했을 때의 그 무게중심과 일치하게 되어, 선박의 중심축(C) 상에 놓이게 된다. 이로써 선박의 전후의 균형, 즉 트림(Tr)을 조절할 수 있는 것이다.

또한, 균형조절장치를 장착한 선박은 제동 시에 추가적인 제동력을 얻을 수 있다. 선박(1)이 제동하고자 할 때는 항력(D)이 크도록 하여 선박(1)이 진행방향의 반대방향으로 힘을 받도록 하는 것이다. 예를 들어 선박(1)이 긴 직선 가속 구간이 계속되는 항로에 있을 때는, 판부재(100)를 유체의 흐름방향에 수평되게 하여 비교적 적은 항력(D)을 받도록 해 공기 저항을 줄이고 반양력(RL)은 최대로 되도록 하며, 감속구간에서는 판부재(100)를 세워 보다 높은 공기 저항으로 최대한 강한 항력(D)을 얻도록 하는 것이다. 여기서 항력이 작용하는 방식에 대하여는 도면에 나타내지 않았다.

도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 선박용 균형조절장치 및 이를 갖춘 선박을 나타내고, 도 8은 도7의 X-X부분에 대한 단면도를 나타내며, 도 9는 도8과 같이 도7의 X-X부분에 대한 단면도를 나타내되, 제2판부재(112)가 회전된 상태를 도시한다.

도 7 내지 도 9를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 선박용 균형조절장치는 다중구조를 가지는 판부재(110)와 이를 지지하는 판 형상의 지지부재(210)가 제공될 수 있다.

판부재(110)는 다중구조로 될 수 있다. 즉, 다수개의 판부재(111,112)가 복합적으로 하나의 지지부재(210)에 체결될 수 있는 것이다. 이는 판부재(110)에 작용하는 반양력(RL) 또는 항력(D)을 상황에 따라 미세하게 조정할 수 있도록 한다. 예를 들어, 도시된 바와 같이 제1판부재(111)와 그에 비하여 상대적으로 작은 크기의 제2판부재(112)가 이중구조로 되어, 제2판부재(112)의 경사각에 의해 반양력(RL) 또는 항력(D)의 미세조정이 가능하도록 하는 것이다.

지지부재(210)는 판 형상으로 되어 다수개의 판부재(110)를 한번에 지지하도록 될 수 있다. 판부재(110)의 양측 단부에 판 형상의 지지부재(210)를 하나씩 체결하는 형태로 되는 것이다. 이는 단순한 구조 및 형상을 가지면서 판부재(110)의 회전을 용이하게 할 뿐만 아니라, 구조적으로 안정되게 판부재(110)를 지지할 수 있다.

이러한 지지부재(210)는 회전 가능하도록 판부재(110)를 체결하되, 일면에 스토퍼(미도시)를 추가로 둘 수 있다. 판부재(110)의 회전범위를 제한하도록 하는 것이다. 예를 들어 지지부재(210)가, 도시된 바와 같이 판부재(110)의 양측 단부를 지지하는 형상으로 되되, 양측 지지부재(210)의 마주보는 면에 돌기(미도시)가 형성되도록 함으로써 그 돌기에 의해 판부재(110)가 회전하는 회전범위를 제한하는 것이다. 이러한 방식은 판부재(110)의 회전범위를 복잡한 추가구성 없이 간단히 제한할 수 있도록 한다.

상술한 제1실시예 및 제2실시예에 따른 균형조절장치는 선박(1)에 다수개가 구비될 수 있는데, 이로써 설계자가 선박(1)이 받는 힘의 크기 및 방향을 결정하도록 할 수 있다. 예를 들어, 선박(1)의 전방이 기울어지는 트림(trim)이 발생한다면, 이에 대응하여 선박의 후방에 균형조절장치를 할 수도 있고, 기울어지는 정도에 따라 그 균형조절장치를 다수개 설치할 수도 있을 것이다.

상술한 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것일 뿐, 본 발명이 제시한 실시 예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있다.

100: 판부재, 200: 지지부재,
201: 제1지지부재, 202: 제2지지부재,
110: 판부재, 111: 제1판부재,
112: 제2판부재, 210: 지지부재,
10: 판부재

Claims (6)

1. 판부재와,
   상기 판부재를 선박에 대하여 지지하고, 신축 가능한 구조를 가지는 하나 이상의 지지부재를 포함하되,
   상기 지지부재는
   상기 판부재가 회전 가능하도록 상호 결합되며,
   상기 판부재의 전방측과 후방측을 각각 지지하도록 제1지지부재와 제2지지부재를 구비하여, 상기 판부재의 수평면에 대한 기울기를 조절 하는 선박용 균형조절장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 판부재는,
   양력을 최대한으로 받도록 휘어진 익형의 형상을 가지며, 날개가 뒤집어진 형상으로, 아래면이 폭 방향으로 더 긴 형상을 가지는 선박용 균형조절장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 판부재는,
   두 개의 이중구조로 되어 유체의 흐름을 미세하게 조절 가능한 선박용 균형조절장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 지지부재는,
   상기 판부재의 회전범위를 제한하는 스토퍼를 포함하는 선박용 균형조절장치.
5. 제1항에 있어서,
   선체의 트림에 따라 상기 판부재의 받음각을 조절하는 제어부를 더 포함하고,
   상기 제어부는,
   선체에 설치되는 센서를 포함하여,
   상기 센서로부터 선체의 수평면에 대한 기울기 정보를 얻고, 상기 정보에 따라 지지부재의 신축길이를 조절하는 선박용 균형조절장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 판부재를 지나는 유체의 속도에 대한 유속정보를 측정하고, 상기 유속정보와 상기 기울기정보를 이용하여 상기 지지부재의 신축길이를 조절하는 선박용 균형조절장치.

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