KR20140131086A - 오픈 샤프트 선박의 유동제어장치 - Google Patents

Abstract

오픈 샤프트 선박의 유동제어장치가 제공된다. 본 발명의 일실시예에 따른 오픈 샤프트 선박의 유동제어장치는 선박의 후방을 향하여 외부로 노출되는 추진축 부재, 추진축 부재에 회전가능하게 결합된 프로펠러 허브, 프로펠러 허브의 외면에 위치하는 프로펠러 날개 및 선박이 전진하는 방향을 기준으로 프로펠러 날개의 전방에 배치되는 유동제어부재를 포함하며, 유동제어부재는, 추진축 부재의 둘레로부터 돌출되고, 서로 이격되게 형성된 복수의 베이스부들과, 복수의 베이스부를 연결하는 연결부를 포함할 수 있다.

Description

오픈 샤프트 선박의 유동제어장치{Flow control apparatus of open shaft type ship}

본 발명은 오픈 샤프트 선박의 유동제어장치에 관한 것이다.

선박의 대형화 및 고속화에 따라 근래에는 프로펠러에 의한 캐비테이션(cavitation), 즉, 진동 소음현상이 새로운 문제점으로 대두 되고 있는 실정이다.

이러한 캐비테이션 현상은 선박이 저속으로운항 시 프로펠러 날개에서발생하지 않다가 선박의 속도를 높이기 위해 프로펠러 날개 회전속도를 증가시키면 프로펠러 날개 표면의 압력이 낮아져 특정 속도에서 발생하고 이처럼 캐비테이션이 발생되는 최초 속도를 캐비테이션 초생 속도(CIS: Cavitation Inception Speed)라 한다. 그리고 이러한 캐비테이션의 발생은 소음, 진동 발생 및 프로펠러 날개 침식 가능성을 크게 높인다. 이러한 캐비테이션 현상은 프로펠러 날개 주위 유동의 압력이 급격히 낮아져 포화 수증기압력 이하로 떨어지면 프로펠러 주위의 유체가 기화하면서 발생하게 된다.

근본적으로 선박의 프로펠러에 의한 추진 방법은 프로펠러 회전에 의해 발생된 프로펠러 날개의 압력면(pressure-side)과 흡입면(suction-side)의 압력 차이를 통해 추력을 얻게 된다. 그리고, 선박의 속도를 높인다는 것은 프로펠러 회전 속도를 더 높여 프로펠러 압력면과 흡입면의 압력차이가 더욱 커지도록 한 것을 의미하므로 고속으로 운항할수록 흡입면의 압력 강하로 인한 캐비테이션 발생은 반드시 수반되게 된다.

한편, 다양한 선박들 중에서도 군함은 특성상 피탐 가능성을 낮추는 동시에 기동성을 확보해야 하므로 캐비테이션 초생 속도가 더욱 중요한 성능 지표가 될 수 있다. 캐비테이션이 발생하는 시점부터 수중 방사소음이 급격히 증가하여 피탐 가능성이 급격히 증가하기 때문에 캐비테이션이 발생하지않는 범위 내에서의 최고 운항 속도가 중요할 수밖에 없다. 따라서, 통상적으로 군함용 프로펠러 설계 시 캐비테이션 초생 속도를 중점적으로 고려하고 있다. 그러나 상기에서 설명한 바와 같이 속도의 증가는 캐비테이션 발생을 수반하기 때문에 캐비테이션 초생 속도를 높이는 것은 쉽지 않다.

군함의 경우 대부분 오픈 샤프트 구조의 선박이다. 이러한 오픈 샤프트 선박의 경우, 선체 외부로 추진축과 상기 추진축을 고정하는 받침지주가 노출되는 구조로 이루어지고, 또한, 일반적으로 프로펠러를 회전시키기 위한 추진축이 수평면 대비 기울어져 있다. 이러한 추진축의 기울어짐과 노출된 받침지주가 프로펠러 면으로 유입되는 유동, 즉, 유입류의 특성을 결정하게 된다.

이러한 유입류의 특성으로 인해 추진축에 프로펠러 날개를 고정시키기 위한 프로펠러 허브와 프로펠러날개의 연결부분 즉, 프로펠러 날개에서 프로펠러 허브와의 경계 부분에서의 프로펠러날개 단면 기준 유동 입사각 또는 받음각(AOA: Angle of Attack)은 프로펠러 반경 방향으로 날개 끝쪽의 단면보다는 프로펠러 회전 동안 훨씬 큰 변화를 갖게 되고, 이에 따라 프로펠러 날개의 1회전 동안 프로펠러 날개의 프로펠러 허브와의 경계 부분에서는 특정 프로펠러 날개 각도 위치 영역에서는 프로펠러 날개 흡입면의 압력이 압력면 보다 낮아지는 현상이 발생하고 또 다른 특정 프로펠러 날개 각도 위치 영역에서는 압력면의 압력이 흡입면의 압력보다도 더 낮아지게 되는 현상이 발생하므로 프로펠러의 회전 속도 증가에 따라 흡입면 뿐만 아니라 압력면에서의 캐비테이션 발생 확률도 동시에 증가한다.

따라서, 일반적으로 군함의 프로펠러 날개에서 프로펠러 허브와의 경계 부분의 단면 피치 및 캠버 설정은 추력 발생보다는 흡입면과 압력면의 캐비테이션 발생을 적절히 조화시키는 부분에 초점이 맞추어 진다. 즉, 흡입면의 캐비테이션 초생 속도를 높이기 위해 프로펠러 날개 형상을 설계하게 되면, 압력면의 캐비테이션 초생 속도가 낮아지고, 반대로 압력면의 캐비테이션 초생 속도를 높이기 위해 프로펠러 날개 형상을 설계하면 흡입면의 캐비테이션 초생 속도가 낮아지는 상호 대립적인 관계에 있어 선형과 프로펠러 전방 샤프트 지지 구조물, 추진축의 기울어짐과 같은 요소에 의해 프로펠러 유입 유동 분포 특성이 결정된 상황에서 형상 설계 변형만으로 프로펠러 날개에서 프로펠러 허브와의 경계 부분 압력면과 흡입면의 캐비테이션 초생 속도를 모두 높일 수는 없다.

본 발명의 일 실시예는 캐비테이션이 발생되기 시작하는 캐비테이션 초생 속도를 향상시킬 수 있게 한 오픈 샤프트 선박의 유동제어장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따른, 오픈 샤프트 선박의 유동제어장치는 상기 선박의 후방을 향하여 외부로 노출되는 추진축 부재, 상기 추진축 부재에 회전가능하게 결합된 프로펠러 허브, 상기 프로펠러 허브의 외면에 위치하는 프로펠러 날개 및 상기 선박이 전진하는 방향을 기준으로 상기 프로펠러 날개의 전방에 배치되는 유동제어부재를 포함하며, 상기 유동제어부재는, 상기 추진축 부재의 둘레로부터 돌출되고, 서로 이격되게 형성된 복수의 베이스부들과, 상기 복수의 베이스부를 연결하는 연결부를 포함할 수 있다.

이때, 상기 복수의 베이스부들과 연결부는 일체로 형성될 수 있다.

이때, 상기 연결부는 상기 추진축 부재로부터 멀어지는 방향으로 돌출되도록 휘어지게 형성될 수 있다.

이때, 상기 베이스부의 단면은 수중익형(hydrofoil section)으로 이루어질 수 있다.

이때, 상기 유동제어부재는 상기 프로펠러 날개의 받음각(AOA: Angle of Attack)이 마이너스 값이 되는 상기 추진축 부재의 둘레면의 특정 영역에 형성될 수 있다.

이때, 상기 유동제어부재는 상기 추진축 부재의 둘레면에서 상기 프로펠러 날개의 받음각(AOA: Angle of Attack)이 최저값이 되는 부근에 형성될 수 있다.

이때, 상기 받음각은 상기 프로펠러날개에서 상기 프로펠러 허브와의 경계 부분의 단면에서의 받음각일 수 있다.

이때, 상기 복수의 베이스부들 각각은 서로 일정한 간격으로 이격될 수 있다.

이때, 상기 연결부는 상기 베이스부들 각각의 양단을 연결할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 오픈 샤프트 선박의 유동제어장치에서는, 프로펠러 유입류 특성 및 프로펠러 날개와 프로펠러 허브의 경계 부분의 단면 기준 피치각도 설정에 의해 결정된 받음각이 최소화되는 회전방향 각도 위치 부분에 유동제어부가 설치된다. 이에 따라, 받음각 그래프에서 마이너스 피크 값이 상대적으로 상승하여 유동제어장치가 없는 경우에 비해 프로펠러 날개 단면의 압력면의 1회전 기준 압력 변화를 볼 때 최소 압력 값이 높아지게 됨으로써, 동일 속도 조건에서 압력면의 캐비테이션 발생확률이 감소될 수 있다. 이로 인하여 프로펠러 날개와 프로펠러 허브의 경계 부분의 단면 기준 압력면의 캐비테이션 초생 속도가 동일 부분 흡입면 캐비테이션 초생속도의 감소 없이도 향상될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 오픈 샤프트 선박의 유동제어장치에서 유동제어부재가 복수의 베이스부의 끝부분이 연결부에 의해 연결된 형상으로 이루어진다. 이에 따라, 베이스부의 끝부분에서 소용돌이(vortex)가 발생되는 것을 억제함으로써, 이러한 소용돌이가 프로펠러 날개로 유입되어 캐비테이션이 부가적으로 발생되는 현상을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 오픈 샤프트 선박의 유동제어장치가 선박에 설치된 상태를 도시한 사시도.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 오픈 샤프트 선박의 유동제어장치의 유동제어부재만 발췌하여 도시한 사시도.
도 3은, 도 1에 도시된 오픈 샤프트 선박에서 유동제어장치가 설치된 부분을 확대하여 도시한 도면.
도 4는, 본 발명에 따른 유동제어장치가 포함된 선박과 포함되지 않은 선박에서의 프로펠러 날개와 프로펠러 허브의 경계 부분의 단면 기준 받음각을 측정한 그래프.
도 5는, 본 발명에 따른 유동제어장치가 포함된 선박과 포함되지 않은 선박에서의 프로펠러 날개 면에서의 유동장 그래프.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 오픈 샤프트 선박의 유동제어장치가 선박에 설치된 상태를 도시한 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 오픈 샤프트 선박의 유동제어장치는 추진축 부재(110)와, 프로펠러 허브(121)와, 프로펠러 날개(120)와, 유동제어부재(130)를 포함할 수 있다.

추진축 부재(110)는 선박(10)의 저면으로부터 선박(10)의 후방을 향하여 외부로 노출될 수 있다. 추진축 부재(110)는 선박(10)의 저면에 형성된 지지대(20)에 의해 고정될 수 있으나, 이에 한정하지는 않는다.

프로펠러 허브(121)는 추진축 부재(110)에 회전가능하게 결합된다.

프로펠러 날개(120)는 프로펠러 허브(121)의 외면에 위치한다. 즉, 추진축 부재(110)의 끝부분에서 프로펠러 날개(120)가 회전될 수 있다.

선박(10) 내부의 동력원으로부터 발생된 동력이 추진축 부재(110)에 전달되고, 이러한 동력에 의해 프로펠러 날개(120)가 회전될 수 있다.

유동제어부재(130)는 프로펠러 날개(120)에서 프로펠러 허브(121)와의 경계 부분 단면의 압력면에서의 캐비테이션 발생확률을 감소시키는 역할을 한다. 이를 위한 유동제어부재(130)는 유동제어부재(130)는 선박(10)이 전진하는 방향을 기준으로 프로펠러 날개(120)의 전방에 배치될 수 있다. 이러한 유동제어부재(130)에 의해 프로펠러 날개(120)의 받음각(AOA: Angle of Attack)의 편차가 감소될 수 있다.

이러한 받음각은 프로펠러 날개(120)와 프로펠러 날개 허브(121)의 경계부분의 단면에 대한 받음각이다. 그러므로 프로펠러 날개(120)에서 프로펠러 허브(121)와의 경계 부분의 단면의 받음각의 편차가 감소될 수 있다. 이하에서는, '프로펠러 날개(120)와 프로펠러 허브(121)의 경계 부분'은 '프로펠러 날개(120)의 뿌리(root) 부분'인 것으로 정의하여 설명하기로 한다.

이에 따라, 프로펠러 날개(120)의 뿌리부분에서의 단면의 압력면에서의 압력이 상대적으로 높아짐으로써, 유동제어부재(130)는 추진축 부재(110)의 특정위치에 설치되어 캐비테이션의 발생을 억제하는 역할을 한다. 이를 위한, 유동제어부재(130)는 복수의 베이스부(131)들과, 연결부(132)를 포함한다.

복수의 베이스부(131)는 추진축 부재(110)의 둘레로부터 돌출되도록 형성된다. 복수의 베이스부(131)는 서로 이격되게 형성된다. 복수의 베이스부(131) 각각은 설계에 따라 길이 또는 두께 등의 형상이 상이하게 형성될 수 있다. 복수의 베이스부(131)들 각각은 서로 일정한 간격으로 이격될 수 있다. 즉, 복수의 베이스부(131)는 두 개일 수도 있고, 그 이상인 것도 가능할 수 있다.

복수의 베이스부(131)의 형상은 일례로 수중익형(hydrofoil section)으로 이루어질 수 있다. 수중익형이란 물이나 공기의 저항을 최소한으로 하기 위하여 앞부분을 곡선으로 만들고, 뒤쪽으로 갈수록 뾰족하게 한 형태이다. 즉, 유동제어부재(130)는 전체형상이 수중날개(hydrofoil) 형상으로 이루어질 수 있다.

연결부(132)는 베이스부(131)들의 양단을 연결한다. 연결부(132)의 소재는 베이스부(131)의 소재와 동일할 수 있다. 이와 다르게, 연결부(132)의 소재는 베이스부(131)의 소재와 상이할 수 있다. 다만, 연결부(132)와 베이스부(131)의 소재가 동일한 것이 연결부(132)와 베이스부(131)를 용접 방법에 의해 용이하게 연결시키는데 있어서 유리할 수 있다. 연결부(132)는 베이스부(131)들 각각의 양단을 연결한다.

이러한 연결부(132)는 베이스부(131)의 끝부분에서 발생될 수 있는 소용돌이에 의한 캐비테이션 발생을 방지한다.

전술한 구조와 다르게, 유동제어부재(130)가 연결부(132)를 포함하지 않고, 베이스부(131)로만 이루어진 경우, 베이스부(131)의 끝부분(tip)에서 소용돌이(vortex)가 발생될 수 있다. 그러나 본 발명에 따른 오픈 샤프트 선박의 유동제어장치에서 유동제어부재(130)가 복수의 베이스부(131)의 끝부분이 연결부(132)에 의해 연결된 형상으로 이루어진다. 이에 따라, 베이스부(131)의 끝부분에서 소용돌이가 발생되는 것을 억제할 수 있다.

더욱 상세하게 설명하면, 베이스부(131)의 끝부분에서 발생될 수 있는 소용돌이에 의한 캐비테이션은 베이스부(131)로 유입되는 유동 입사각에 매우 민감할 수 있다. 실제 선박의 운항 시, 선박의 흘수의 차이값(trim)이 일시적으로 변하는 경우와 같은 환경에서 베이스부(131)로 유입되는 유동 입사각이 변하여 베이스부(131)의 끝부분에서 소용돌이에 의한 캐비테이션이 발생할 가능성이 있다.

또한, 베이스부(131)의 끝부분에서 소용돌이가 캐비테이션 형태로 변하지 않더라도, 소용돌이의 세기(strength)가 강하면, 소용돌이가 프로펠러 날개로 유입될 수 있다. 이때, 프로펠러 날개의 앞날(leading edge)주위 유동의 낮은 압력으로 인하여 상기 소용돌이는 캐비테이션으로 발전할 가능성이 있다. 따라서, 베이스부(131)의 끝부분에 소용돌이가 발생되는 것을 억제하거나, 소용돌이의 세기를 최소화하는 것도 중요한 요소이다.

한편, 전술한 구조로 이루어진 본 발명에 따른 오픈 샤프트 선박(100)의 유동제어장치(130)에 포함된 베이스부(131)에 의해 캐비테이션 초생 속도가 향상되었다는 것은 후술하기로 한다.

도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 오픈 샤프트 선박의 유동제어장치의 유동제어부재만 발췌하여 도시한 사시도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 오픈 샤프트 선박의 유동제어장치에서 유동제어부재(230)를 구성하는 베이스부(231)들과 연결부(232)는 일체로 형성된다. 그리고, 연결부(232)는 추진축 부재로부터 멀어지는 방향으로 돌출되도록 휘어지게 형성될 수 있다. 이 경우, 베이스부(231)는 두 개일 수 있다.

이러한 구조는 전술한 실시예에 따른 오픈 샤프트 선박의 유동제어장치에 포함된 유동제어부재(130, 도 1 참조)보다 내구성이 향상될 수 있다. 뿐만 아니라, 유동제어부재(230)의 형상이 폐곡선 형태의 리본 형상으로 이루어져 있으므로, 베이스부(231)와 연결부(232)의 연결 부분이 매끄럽게 형성된다. 이에 따라, 유동제어부재(230)에 각진 부분이 없게 되어 유동제어부재(230) 자체에서 캐비테이션이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

도 3은, 도 1에 도시된 오픈 샤프트 선박의 유동제어장치의 설치 상태를 확대하여 도시한 그림이다.

도 3을 참조하면, 추진축 부재(110)의 중심에서부터 유동제어부재(130)의 가장 끝 부분까지의 거리(A)는 프로펠러 날개(120)의 반경의 70%를 넘지않도록 형성될 수 있다. 이는, 추진축 부재(110)의 중심에서부터 유동제어부재(130)의 가장 끝 부분까지의 거리(A)가 프로펠러 날개(120)의 반경의 70%를 넘는 경우, 유동제어부재(230)의 끝 쪽에 캐비테이션 발생 확률이 증가될 수 있기 때문이다.

이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 유동제어부재(130)의 바람직한 설치 위치에 대해 설명한다.

도 4는, 본 발명에 따른 유동제어장치가 포함된 선박과 포함되지 않은 선박에서의 프로펠러 날개에서 프로펠러 허브와의 경계 부분의 단면의 받음각을 측정한 그래프이고, 도 5는, 본 발명에 따른 유동제어장치가 포함된 선박과 포함되지 않은 선박에서의 프로펠러 날개 면에서의 유동장 그래프, 또는 공칭 반류(nominal wake) 분포이다.

도 4에서 X축의 값은 프로펠러 날개의 회전 방향 각도값을 나타낸 것으로, 도면상에서 프로펠러의 날개가 수직 상방, 즉 12시 방향에 있을 때를 0°또는 360°로 설정한 것이고, 선박의 전방에서 후방을 바라봤을 때를 기준으로 시계방향을 따라 이동하면서 각도값이 증가된다. 이때, 프로펠러 회전방향은 시계방향이다. 그리고 Y축의 값은 받음각을 나타낸 것으로, 프로펠러 날개(120)에서 반경의 30%가 되는 위치, 즉, 프로펠러 날개(120)의 뿌리부분 부근에서의 단면의 받음각을 수치화한 것이다.

받음각 계산은 임의의 단면 피치 각도가 결정된 상태에서, 임의의 동일 프로펠러 회전 속도일 때, 유동제어장치(130)가 포함된 조건과 포함되지 않은 조건 각각의 프로펠러 면에서의 공칭 반류(nominal wake)를 기준으로 산정되었다. 여기서, 받음각 계산은 일반적인 받음각 계산방법이 사용되므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이하에서는 프로펠러 날개(120)에서 프로펠러 허브(121)와의 경계 부분의 받음각이 마이너스 값일 때와 플러스 값일 때의 캐비테이션 발생에 대하여 간략하게 설명한다.

우선, 프로펠러 날개(120)의 뿌리 부분에서의 단면이 가지는 피치 각도와 프로펠러 회전속도와, 프로펠러 날개(120) 면의 유입 유동장을 기반으로 계산된 단면의 받음각이 플러스(+)가 된다는 것은 프로펠러 날개(120) 단면의 흡입면의 압력이 압력면의 압력 보다 낮아지게 되는 것을 의미하고 이렇게 될 경우 흡입면에 캐비테이션이 발생할 수 있다는 것이다.

이와 반대로 날개 단면의 받음각이 마이너스(-) 값이 된다는 것은 프로펠러 날개 단면의 압력면(pressure side)의 압력이 흡입면(suction side)의 압력보다 낮아지게 되는 것을 의미하고 이렇게 될 경우 압력면에 캐비테이션이 발생할 수 있다는 것이다.

프로펠러 날개(120)의 뿌리 부분의 캐비테이션 초생속도는 압력면 기준으로 받음각의 최소값이 높을수록 즉, 마이너스(-) 정점(peak)의 절대값이 작을수록 증가하고, 흡입면 기준으로 받음각의 최대값이 작을수록 즉, 플러스(+) 정점(peak)의 절대값이 작을수록 증가한다. 따라서 받음각 분포의 최대값과 최소값의 편차가 작을수록 흡입면과 압력면 모두의 캐비테이션 초생 속도에 유리하다.

도 4의 그래프는 비교예(X)와 실시예(O)의 2개의 받음각이 도시되어 있으며, 비교예(X)는 유동제어부재(130)가 형성되지 않은 구조에서의 받음각이고, 실시예(O)는 유동제어부재(130)가 형성된 구조에서의 받음각이다. 그리고 실시예(O)에서는 유동제어부재(130)가 추진축 부재(110)의 둘레면에 형성된 상태이다.

도 4의 받음각 그래프에서 즉 X 값이 180° 내지 300°인 구간, 즉 특정각도 영역(S)를 중점적으로 비교해 보면 유동제어부재(130)가 형성되지 않은 구조(X)에서의 받음각이 전체적으로 마이너스(-) 값인 것을 알 수 있다.

이렇게 받음각이 마이너스가 되면 상기 설명한 바와 같이, 프로펠러 날개 단면의 압력면에서 캐비테이션 발생할 수 있다. 이 영역 구간에서 유동제어부재(130)가 형성된 구조(O)에서의 받음각과 비교해 보면 유동제어부재(130)가 형성되지 않은 구조(X)에서의 받음각이 전체적으로 더 낮은 값, 즉, 부호를 생략한 절대값 측면에서는 더 큰 값이고, 이렇게 되면 동일 프로펠러 날개(120)의 회전 속도 조건에서 유동제어부재(130)가 형성된 구조(O)에 비해 유동제어부재(130)가 형성되지 않은 구조(X)의 프로펠러 날개(120) 압력면 앞단에서의 압력이 상술한 특정 각도 구간에서 상대적으로 더 낮아지게 되어 프로펠러 날개 압력면에서 캐비테이션 발생확률이 증가하고 최종적으로 이 부분의 캐비테이션 초생 속도는 낮아 지게 된다.

한편, 본 발명에 따른 유동제어장치에서 유동제어부재(130)는 프로펠러 회전 방향 기준으로 프로펠러 날개의 받음각이 마이너스 값이 되는 추진축 부재(110)의 둘레면의 특정 각도 영역(S)에 형성될 수 있다.

더욱 상세하게 설명하면, 기 설계된 프로펠러 날개(120) 형상 및 추진축 부재(110)와 같은 배의 형상이 결정됨에 따라 프로펠러 날개(120)의 뿌리 부분의 단면을 기준으로, 프로펠러 날개(120)의 회전방향으로 회전하면서 1회전 동안 겪게 되는 유동 받음각(AOA: Angle of Attack)이 주로 마이너스 값이 되는 프로펠러 날개(120)의 회전 방향 각도 위치 근처 전방이면서 추진축 부재의 둘레면의 특정 영역에 유동제어부재(130)가 형성될 수 있다.

오픈 샤프트 선박의 경우 프로펠러 날개를 회전시키기 위한 추진축 부재가 수평선 기준으로 선박의 후미 부분이 아래를 향하도록 기울어진 것이 일반적이다. 그러므로 프로펠러 날개로 유입되는 유동은 프로펠러 평면 기준으로 위로 향하는 속도 성분이 많이 포함될 수 있다. 이는 도 5에 도시된 본 발명에 따른 유동제어장치가 포함되지 않은 경우의 프로펠러 날개 면에서의 유동장 그래프, 또는 공칭 반류(nominal wake) 분포의 유동 흐름 방향 벡터를 통해서도 잘 알 수 있다. 이러한 경우, 프로펠러 날개(120)의 뿌리 부분 단면 기준으로 프로펠러 날개가 1회전하는 동안 겪게 되는 받음각의 변화 편차가 도 4에 도시된 유동제어 부재가 형성되지 않은 경우(X)처럼 매우 심하게 될 수 있다.

만약 이러한 상황에서 프로펠러 날개(120)의 뿌리 부분에서도 추력 발생 관점에서만 프로펠러를 설계한다면, 프로펠러 날개의 회전 방향으로 모든 각도 위치에서 압력면에서 흡입면 방향으로 힘이 발생되도록 해야 하며, 이를 위해서는 모든 프로펠러 날개 위치 영역에서 받음각이 플러스(+) 값을 가지도록 프로펠러 날개 단면의 피치를 다시 설정해야 한다.

그러나 이렇게 할 경우 추진축 부재나 추진축의 기울어짐 등으로 결정된 프로펠러로 유입되는 유동장은 변하지 않기 때문에 받음각의 최대 최소 편차는 그대로 유지되고 따라서 받음각의 최대값이 극단적으로 커지게 되어 흡입면의 캐비테이션 발생 확률이 급격히 증가하고 결국 프로펠러 날개의 뿌리 부분의 흡입면의 캐비테이션 초생 속도가 급격히 낮아지는 결과를 초래한다.

이것은 군함과 같이 캐비테이션 초생 속도가 중요한 경우에는 프로펠러 날개의 뿌리 부분 단면의 받음각이 모두 플러스(+)값이 되도록 프로펠러 날개 단면의 피치 값을 설정할 수는 없음을 의미한다.

통상적으로, 추진축 부재나 추진축의 기울어짐 등으로 결정된 프로펠러 유입 유동을 바탕으로 적절한 받음각 분포가 되도록 즉, 압력면이나 흡입면의 캐비테이션 초생 속도가 모두 일정 수준에 이르게 하는 프로펠러 날개의 뿌리 부분의 단면의 피치 각도를 설정한다. 다시 말해, 추진축 부재나 추진축의 기울어짐 등으로 결정된 프로펠러로 유입되는 유입류(공칭 반류)의 특성이 변하지 않는 상황에서는 프로펠러 날개의 뿌리 부분의 캐비테이션 초생 속도를 프로펠러 형상 변화만으로 향상시키는 것은 한계가 있다는 것을 의미한다.

본 발명은 이러한 한계를 극복하고자 프로펠러 날개(120)로 유입되는 유입류(공칭 반류)의 특성을 프로펠러 날개(120)의 뿌리 부분의 캐비테이션 초생 속도를 향상 시키는 방향, 즉, 프로펠러 날개(120)의 뿌리 부분 단면의 받음각 기준으로 편차를 줄이는 방향으로 변화시키기 위한 것이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 유동제어부재(130)를 포함하지 않은 비교예(X)에 따른 구조와 다르게, 유동제어부재(130)를 포함하는 실시예(O)에 따른 구조에서는, Y축 값 -4.00 이하 값들이 -4.00 값 이상으로 변경되었다. 이에 따라, 비교예(X)에 따른 구조에서는 편차가 T1 이었으나, 실시예(O)에 따른 구조에서는 편차가 T2 로 감소하였음을 확인할 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 유동제어장치에서는, 유동제어부재(130)가 추진축 부재(110)의 둘레면에서 프로펠러날개의 뿌리 부분의 단면의 받음각이 마이너스 값이 되는 프로펠러 날개 각도 위치 부근에 형성됨으로써, 마이너스(-)값의 절대값이 전체적으로 감소하거나, 플러스(+) 값으로 변환될 수 있다. 이러한 결과로부터 프로펠러 날개(120)의 뿌리 부분의 단면의 압력면 압력이 높아져서 이 부분의 캐비테이션 발생확률이 감소됨을 알 수 있다.

일반적으로 선박의 속력이 증가할수록 프로펠러의 회전수가 증가되면서 프로펠러로 유입되는 유체의 유입량(속도)이 증가하고, 이에 따라 유동 압력이 낮아짐으로써, 캐비테이션이 증가할 수 있으나, 본 발명에 따른 오픈 샤프트 선박의 유동제어장치에서는 유동제어부재(130)에 의해 특정 영역, 즉, 프로펠러 날개(120)의 뿌리 부분의 단면의 압력면 캐비테이션 발생확률이 높은 구간에서 프로펠러 날개(120)의 뿌리 부분에 유입되는 유입 각도가 변화한다. 이에 따라, 동일 속도에서 프로펠러 날개(120)의 뿌리 부분의 압력면에서의 캐비테이션 발생이 감소되고, 최종적으로 프로펠러 뿌리 부분의 형상이 결정된 상황에서 프로펠러 날개(120)의 뿌리부분 흡입면의 캐비테이션 초생 속도의 감소 없이 프로펠러 날개(120)의 뿌리 부분의 단면 압력면의 캐비테이션 초생 속도는 증가하게 된다.

한편, 본 발명에 따른 유동제어장치에 1개의 유동제어부재(130)가 추진축 부재(110)의 둘레면에 형성되는 경우, 유동제어부재(130)는 추진축 부재(110)의 둘레면에서 프로펠러 날개(120)의 뿌리 부분의 단면의 받음각이 최저값이 프로펠러 날개 각도 위치 부근에 형성될 수 있다. 이에 따라, 하나의 유동제어부재(130)를 형성하는 것만으로 받음각의 편차를 최소화할 수 있다.

이와 다르게, 본 발명에 따른 유동제어장치에서 유동제어부재(130)의 베이스부(131)는 복수 개일 수 있다. 그리고 복수개의 유동제어부재(130)의 베이스부(131)는 서로 일정거리 이격되도록 배치될 수 있으며, 각 베이스부(130)의 길이, 두께, 주 추진축의 축 방향 기준으로 설치 각도 등은 서로 다를 수 있다. 유동제어부재(130)는 2개로 이루어질 수 있다. 단, 유동제어부재(130)가 2개인 것으로 한정하지는 않는다.

이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 유동제어장치 복수개의 유동제어부재(130) 베이스부(131)로 이루어진 경우, 복수개의 베이스부(131)는 추진축 부재(110)의 둘레면에서 프로펠러 날개 뿌리 부분 단면의 받음각이 최저값이 되는 X값 즉, 프로펠러 날개 각도 위치를 기준으로, ±100°가 되는 부분에 형성될 수 있다.

도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명하면, 도 4에 도시된 바와 같이, 프로펠러 날개에서 프로펠러 허브와의 경계 부분의 단면의 받음각이 최저값이 되는 X값은 대략 240°이므로, 복수개의 유동제어부재(130)는 추진축 부재(110)의 둘레면에서 프로펠러 날개 각도 위치 기준으로 140°내지 340°범위 내에 형성될 수 있다. 도 4에서는 2개의 유동제어부재(130)의 베이스부(131)가 추진축 부재(110)의 둘레 상에서 220°및 250°각각에 형성된 상태에서의 받음각 분포이다.

단, 프로펠러 날개(120)의 형상 및 크기, 추진축 부재(110)와 주변부재의 구조에 따라, 측정된 받음각 분포가 변경될 수 있다. 즉, 선박(10)의 세부 구조에 따라 받음각이 변경될 수 있고, 이에 따라 유동제어부재(130)의 설치위치도 변경될 수 있으므로, 유동제어부재(130)는 추진축 부재(110)의 둘레상에서 반드시 140°내지 340°사이에 위치하는 것으로 한정하지는 않는다.

도 5에서, 좌측의 그래프는 유동제어부재가 형성되지 않은 비교예(X)에서의 프로펠러 날개 면에서의 유입류 유동장 또는 공칭 반류 분포이고, 우측의 그래프는 유동제어부재(130)가 형성된 실시예(O)에서의 유동장 또는 공칭 반류 분포이다.

각 유동장은 선체 전방에서 후방 방향으로 바라봤을 때를 기준으로 도시한 것이며 이때, 프로펠러의 회전 방향은 시계 방향이다. 또한, 도 5에서 각 유동장의 색깔은 배의 전진방향 성분 속도 크기를 나타내고, 화살표 들은 각 점에서의 전진방향을 제외한 나머지 방향으로의 유동 흐름 방향을 나타낸다. 도 5에서의 G영역은 프로펠러 반경 방향으로는 프로펠러 뿌리 근처, 프로펠러 회전방향으로는 도 4에서의 X값이 200° 내지 300°가 되는 부근을 나타낸다.

도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 유동제어장치는 유동제어부재(130)가 프로펠러 날개의 받음각이 마이너스 값이 되는 추진축 부재의 둘레면의 특정 영역에 형성됨에 따라, 비교예(X)의 G영역과 실시예(O)의 G영역의 유도 흐름 방향이 변화된 것을 확인할 수 있다.

비교예(X)의 G영역에서는 속도 벡터가 주로 위쪽을 향하고 있다면, 실시예(O)의 G영역에서의 속도 벡터는 프로펠러 중심 축을 향하게 되어 회전방향 속도 성분이 크게 감소되었음을 알 수 있다.

이와 같이 G영역의 프로펠러 회전방향 속도 성분 감소는 프로펠러 날개 단면의 받음각의 증가, 즉, 마이너스(-)인 받음각의 절대값이 줄어드는 것을 의미하고, 이렇게 되면 상기 전술한 바와 같이 프로펠러 단면의 압력면에서의 압력 강하가 감소되는 방향임을 알 수 있다.

따라서, 전술한 바와 같이 본 발명에 따른 유동제어장치는 유동제어부재(130)에 의한 프로펠러 날개(120)로 유입되는 유입류의 제어를 통해 프로펠러 날개(120)의 뿌리 부분 단면 받음각이 최소가 되는 구간의 받음각을 증가시켜 압력면의 압력이 동일 속도에서 상대적으로 증가되도록 하여 이 부분의 캐비테이션 발생확률이 감소되도록 한 것이며, 최종적으로, 본 발명에 따른 유동제어장치(130)에 의해 프로펠러 날개(120)의 뿌리 부분 단면 흡입면의 캐비테이션 초생 속도 감소 없이 압력면의 캐비테이션 초생 속도가 높아질 수 있다.

예를 들어, 종래의 유동제어장치를 포함하지 않는 구조에서 프로펠러 날개 뿌리 부분 흡입면의 캐비테이션 초생 속도가 15노트, 압력면의 캐비테이션 초생 속도가 10노트였다면, 유동제어장치를 포함하는 오픈 샤프트 선박의 경우 흡입면의 캐비테이션 초생 속도는 15노트로 변함이 없는 상태에서 압력면의 캐비테이션 초생속도는 15노트로 향상될 수 있다.

이상에서 본 발명의 여러 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.

10: 선박 20: 지지대
100: 오픈 샤프트 선박의 유동제어장치
110: 추진축 부재 120: 프로펠러 날개
121: 프로펠러 허브 130: 유동제어부재
131: 베이스부 132: 연결부

Claims (9)

1. 상기 선박의 후방을 향하여 외부로 노출되는 추진축 부재,
   상기 추진축 부재에 회전가능하게 결합된 프로펠러 허브,
   상기 프로펠러 허브의 외면에 위치하는 프로펠러 날개, 및
   상기 선박이 전진하는 방향을 기준으로 상기 프로펠러 날개의 전방에 배치되는 유동제어부재를 포함하며,
   상기 유동제어부재는,
   상기 추진축 부재의 둘레로부터 돌출되고, 서로 이격되게 형성된 복수의 베이스부들과,
   상기 복수의 베이스부를 연결하는 연결부를 포함하는 오픈 샤프트 선박의 유동제어장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수의 베이스부들과 연결부는 일체로 형성된 오픈 샤프트 선박의 유동제어장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 연결부는 상기 추진축 부재로부터 멀어지는 방향으로 돌출되도록 휘어지게 형성된 오픈 샤프트 선박의 유동제어장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 베이스부의 단면은 수중익형(hydrofoil section)으로 이루어진 오픈 샤프트 선박의 유동제어장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 유동제어부재는 상기 프로펠러 날개의 받음각(AOA: Angle of Attack)이 마이너스 값이 되는 상기 추진축 부재의 둘레면의 특정 영역에 형성된 오픈 샤프트 선박의 유동제어장치.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 유동제어부재는 상기 추진축 부재의 둘레면에서 상기 프로펠러 날개의 받음각(AOA: Angle of Attack)이 최저값이 되는 부근에 형성된 오픈 샤프트 선박의 유동제어장치.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 받음각은 상기 프로펠러 날개에서 상기 프로펠러 허브와의 경계 부분의 단면에서의 받음각인 오픈 샤프트 선박의 유동제어장치.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수의 베이스부들 각각은 서로 일정한 간격으로 이격된 오픈 샤프트 선박의 유동제어장치.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 연결부는 상기 베이스부들 각각의 양단을 연결하는 오픈 샤프트 선박의 유동제어장치.

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