KR20150093626A - 선박의 추진장치 - Google Patents

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KR20150093626A
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송지수
노재욱
오세면
이동현
정재권
박광근
박형길
백광준
이정훈
이진석
이태구
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삼성중공업 주식회사
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Abstract

선박의 추진장치가 소개된다.
선박의 추진장치는 익형 단면의 앞쪽 꼭지점인 노즈와, 익형 단면의 뒤쪽 꼭지점인 테일을 갖는 덕트를 포함하고, 덕트의 단면 형상은, 덕트의 전단에서 상방향으로 볼록하게 형성되고 상기 덕트의 후단에서 하방향으로 오목하게 형성된 외면과, 덕트의 전단에서 하방향으로 볼록하게 형성되는 덕트 내면 전방부와 덕트의 후단에서 하방향으로 볼록하게 형성되는 덕트 내면 후방부와 덕트 내면 전방부 및 덕트 내면 후방부를 평행하게 연결하는 평행부를 포함할 수 있다.

Description

선박의 추진장치{PROPULSION APPARATUS OF VESSEL}
본 발명은 선박의 추진장치에 관한 것으로, 덕트에 유입되는 유동 특성에 맞는 덕트 단면을 갖고, 크기가 서로 다른 블레이드를 이용하여 허브 주위에서 유기되는 와류를 저감할 수 있는 선박의 추진장치에 관한 것이다.
선박의 조종 성능 및 추진 효율에 대한 관심이 증대되면서 선박에 부착된 메인 추진 장치 및 보조 추진 장치에 대한 관심이 점차 커지고 있다. 예컨대, 드릴쉽(Drillship, 시추선) 등과 같은 선박에는 고속 또는 저속으로 운항하는 항해시, 또는 정밀한 위치 제어, 또는 다른 선박을 예인하기 위하여, 추력을 발생시키는 아지무스 스러스터(azimuth thruster)가 사용되고 있다.
아지무스 스러스터는 용도에 따라 덕트(duct)를 가지지 않는 개방형 추진기(예: 프로펠러)와, 프로펠러 주위에 익형 단면의 덕트를 구비한 덕트형 추진기가 있다.
이러한 아지무스 스러스터는 선체 내부에 위치한 수평방향으로 회전이 가능한 기어를 구비하여 모든 방위각, 즉 전방위에 대해 추력을 낼 수 있다. 그리고 드릴쉽이 시추작업을 하기 위해서는 파에 의한 표류력(wave-drift force), 바람에 의한 외력, 조류에 의한 외력 등의 환경하중에 대항하여 정확한 위치제어가(dynamic positioning, DP) 필수적으로 요구된다.
또한, 드릴쉽이 시추 현장까지 운항하기 위해서는 보조 추진 장치로서 아지무스 스러스터를 사용함에 따라, 아지무스 스러스터의 일반 운항 조건도 매우 중요하게 되었고, 운항 도중 큰 예인력을 필요로 하는 경우 예인 조건에 따라 큰 예인력을 발생시키는 것도 매우 중요할 수 있다.
특히, 프로펠러는 회전시 프로펠러의 후방 중앙부에 와류(vortices)가 집중 발생되는데, 이러한 와류는 프로펠러로 유입되는 유체의 압력을 저하시켜 선체 저항 방향으로 힘을 발생시키게 되며, 이로인해 프로펠러의 추진 효율이 감소될 수 있다.
이와 관련하여 "덕트 부착 스러스터 및 이를 구비한 선박(특허공개공보 제10-2012-0098941호)"이 참고될 수 있다.
이 종래 기술에서는 덕트의 단면 형상이 고속 항해 시에 덕트 전단부의 외면에 있어서 압력 변화를 억제하도록 표준 익형으로부터 바깥쪽으로 원호형 단면으로 팽출하는 팽출부를 전단부 외주에 구비하고 있으며, 저속 작업 시에 소정의 예인력을 발휘하도록 전연 방향이 넓어지는 개방각을 갖고 있는 것을 특징으로 하고 있다.
그러나, 종래 기술은 덕트 축(X축 또는 프로펠러의 회전축)과 평행인 덕트 내측면의 평행부로부터 각각 노즈(nose) 및 테일(tail)까지의 거리에 대한 내용이 부재되어 있고, 프로펠러의 블레이드의 끝단이 회전하여 그려나가는 추진기 면(Y-Z 평면: 프로펠러 회전 평면) 위치 기준으로 할 때, 평행부의 전방영역 및 후방영역이 어느 수치 범위를 갖는지 대한 중요 설계 인자를 알 수 없으므로, 상기 중요 설계 인자값이 전체 추력(thrust), 프로펠러 토크 및 스러스터 전체의 단독 효율에 어떠한 영향을 미치는지 알 수 없고, 이러한 특허문헌의 내용만으로는 더욱더 높은 추진 효율을 가지면서도, 동시에 정밀한 위치 조정 성능 및 고효율의 예인 성능을 발휘할 수 있는 추진 장치를 개발할 수 없다.
또한, 종래 기술은 단순히 바깥쪽으로 팽출된 팽출 형상과 전연 방향이 넓어지는 개방각에 대해서만 언급하고 있을 뿐, 프로펠러에 의해 발생되는 와류를 저감시키는 기술은 부재되어 있다. 이에 선박 또는 해양구조물이 거의 정지한 상태에서 프로펠러만이 정격 RPM으로 회전하는 볼라드(Bollard) 상태에서, 프로펠러의 후류의 회전성분을 흡수하기 어려울 수 있다.
특허공개공보 제10-2012-0098941호
본 발명의 실시예는 선박의 운항 성능, 위치 제어 성능 및 예인 성능을 향상시키고, 볼라드(Bollard) 상태에서, 허브 주위에 유기되는 와류를 저감시킬 수 있는 선박의 추진장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 익형 단면의 앞쪽 꼭지점인 노즈와, 상기 익형 단면의 뒤쪽 꼭지점인 테일을 갖는 덕트를 포함하고, 상기 덕트의 단면 형상은, 상기 덕트의 전단에서 상방향으로 볼록하게 형성되고 상기 덕트의 후단에서 하방향으로 오목하게 형성된 외면; 및 상기 덕트의 전단에서 하방향으로 볼록하게 형성되는 덕트 내면 전방부와, 상기 덕트의 후단에서 하방향으로 볼록하게 형성되는 덕트 내면 후방부와, 상기 덕트 내면 전방부 및 상기 덕트 내면 후방부를 평행하게 연결하는 평행부를 포함하는 내면을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 추진 장치용 덕트는 덕트 주위 유동 개선을 통한 성능 향상의 효과를 가진다. 예컨대, 본 발명의 실시예는 덕트 내측면의 평행부로부터 노즈 또는 테일간 사이의 제 1, 제 2 거리를 최적화 함으로써, 일반 운항 조건, 위치 제어 및 예인 조건을 모두 만족시킬 수 있고, 선박의 운항 성능, 위치 제어 성능 및 예인 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 추진기 면(Y-Z 평면) 위치(프로펠러 위치)를 기준으로 평행부 전방영역 및 후방영역에 의해 한정된 평행부를 가지고 있음에 따라, 볼라드 조건(bollard condition)시의 추력을 향상시켜서, 아이스 잼(ice jam)과 같은 정지 상태에서 출발시의 추력 발휘 성능, 또는 정지 상태에서 위치 조정 성능, 또는 빙해 중에 갇힌 다른 선박을 예인하기 위한 예인 성능을 극대화하면서도 일반 운항 성능도 함께 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 허브에 메인 블레이드 및 서브 블레이드를 마련하여 덕트 및 프로펠러의 주위 유동을 개선함으로써, 프로펠러에 의해 발생되는 와류를 저감시키고 프로펠러를 회전시키기 위해 필요한 토크를 감소시켜, 추진효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 볼라드 조건(bollard condition)시의 추력을 향상시킴으로써, 허브 주위에서 유기되는 와류를 효과적으로 저감하는 동시에, 주축의 토크 감소를 통해 추진 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 추진장치의 덕트를 보여주는 예시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 덕트의 2차원 전산유체해석(CFD) 결과에 따른 유선 분포를 도시한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 덕트에서 프로펠러 면 위치를 기준으로 전장 대비 평행부의 전방영역 및 후방영역의 범위에 따른 추진기 효율의 변화 경향을 도시한 그래프이다.
도 4는 도 1에 도시된 덕트에서 평행부와 노즈 사이의 제 1 거리에 대한 전장 대비 범위와, 평행부와 테일 사이의 제 2 거리에 대한 전장 대비 범위에 따른 추진기 효율의 변화 경향을 도시한 그래프이다.
도 5는 도 1에 도시된 덕트와 비교예간 볼라드(Bollard) 성능 곡선(Power-thrust)을 보인 그래프이다.
도 6은 도 1에 도시된 덕트와 비교예간 선속 및 필요마력의 상관관계 곡선을 보인 그래프이다.
도 7은 도 1에 도시된 덕트와 비교예의 성능을 비교 검증하기 위하여, 수조 시험에 의해 얻어진 각각의 추진 성능 특성 곡선을 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 선박의 추진장치를 보여주는 사시도이다.
도 9는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 선박의 추진장치를 보여주는 정면도이다.
도 10은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 선박의 추진장치를 보여주는 측면도이다.
도 11은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 추진장치의 덕트를 보여주는 예시도이다.
도 12는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 서브 블레이드의 경사비(B/H)에 따른 효율변화를 곡선으로 보인 그래프이다.
도 13은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 서브 블레이드의 반경비(A/C)에 따른 효율변화를 곡선으로 보인 그래프이다.
도 14는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 서브 블레이드의 위치(E/C) 범위에 따른 효율변화를 곡선으로 보인 그래프이다.
도 15는 제 2 거리(K) 분포를 비교하기 위해 도 8에 도시된 추진장치와 비교되는 비교예에 따른 선박의 추진장치를 보여주는 사시도이다.
도 16는 도 8의 추진장치와 도 15의 추진장치 간 볼라드(Bollard) 성능 곡선(Power-thrust)을 보인 그래프이다.
도 17은 도 8의 추진장치와 도 15의 추진장치 간 성능을 비교 검증하기 위하여, 수조 시험에 의해 얻어진 각각의 추진 성능 특성 곡선을 도시한 그래프이다.
도 18은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 추진장치의 덕트를 보여주는 예시도이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 본 발명의 일 실시예의 비교예는 표준 익형으로서, 덕트형 아지무스 스러스트와 같은 종류의 덕트에 있어서 공작성이 우수함으로써 일반적으로 채용되고 있는 마린(marin) 19A 익형(이하, 비교예로 호칭함)이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 추진장치의 덕트를 보여주는 예시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 덕트의 2차원 전산유체해석(CFD) 결과에 따른 유선 분포를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 제 1 실시예에 따른 추진장치는, 선체쪽의 기어 케이스 및 회전샤프트로부터 동력을 전달받는 허브(200)와, 허브(200)의 원주면을 따라 배열된 다수의 블레이드로 이루어진 프로펠러(300)와, 프로펠러(300)의 주위에 링형상의 덕트(100)를 포함할 수 있다.
덕트(100)의 단면 형상은 프로펠러(300)의 회전축(X축)을 기준으로 덕트(100)의 전체 둘레를 따라 동일한 단면 형상을 가질 수 있다.
예컨대, 덕트(100)의 단면 형상은 드릴쉽 또는 해양구조물과 같은 선박의 운항 특성, 선박의 위치 제어 특성 및 빙해 중에 갇힌 다른 선박의 예인 특성을 모두 고려하여 덕트형 추진 장치의 효율을 향상시킬 수 있도록 최적화된 설계 인자를 갖는 덕트(100)의 외면(G1) 및 내면(G2)을 포함할 수 있다.
덕트(100)의 단면 형상은 베르누이 정리(Bernoulli's theorem)에 따라 양력(揚力)이 생기도록 되어 익형 단면으로서, 덕트(100)의 익형 단면의 앞쪽 꼭지점인 노즈(104)(nose); 익형 단면의 뒤쪽 꼭지점인 테일(108)(tail); 및 노즈(104)와 테일(108)을 연결하는 직선분인 익현선(105)을 포함할 수 있다.
덕트(100)의 단면 형상은 익현선(105)의 전단 위쪽에서 볼록하게 형성된 전방부(113); 및 익현선(105)의 후단 아래쪽에서 오목하게 형성된 후방부(112)를 갖는 덕트(100)의 외면(G1)을 포함할 수 있다.
여기서, 덕트(100)의 외면(G1)의 전방부(113)는 익현선(105)이 덕트(100)의 외면(G1)에 만나는 지점으로부터 노즈(104)까지의 곡면을 의미할 수 있다.
또한, 덕트(100)의 외면(G1)의 후방부(112)는 익현선(105)이 덕트(100)의 외면(G1)에 만나는 지점으로부터 테일(108)까지의 곡면을 의미할 수 있다.
전방부(113)와 후방부(112)는 익현선(105)이 덕트(100)의 외면(G1)에 만나는 지점의 전후에서 자연스럽게 천이되어서 연결될 수 있다.
이렇게 덕트(100)의 외면(G1)의 전방부(113)는 익현선(105)의 전단 위쪽에서 볼록하게 형성되어 있다.
도 2를 참조하면, 볼라드 조건(bollard condition)에서, 도면부호 'J1'로 표시한 전방 외측 영역의 유동이 덕트의 노즈 방향으로 흘러가는 패턴을 보이고 있다. 따라서 덕트의 외면의 전방부가 익현선 위쪽으로 볼록하게 형성된 형상적 특징을 갖고 있음으로써, 프로펠러로 유입되는 유동이 가속되는 것을 알 수 있다. 이러한 가속 효과로 인하여 덕트 추력 향상 및 프로펠러 토크 감소가 가능하다.
한편, 도 1을 재 참조하면, 덕트(100)의 외면(G1)의 후방부(112)는 익현선(105)의 후단 아래쪽에서 오목하게 형성되어 있다.
도 2를 재 참조하면, 볼라드 조건(bollard condition)에서, 'J2'로 표시한 후방 외측 영역의 유동이 덕트의 테일 방향으로 원활하게 흘러가고, 테일에서 와류를 형성하여 덕트 추력을 향상시키는 효과를 나타낸다.
또한, 도 1을 참조하면, 덕트(100)의 단면 형상은 프로펠러(300)의 회전축(X축)과 익현선(105)이 이루는 각도인 받음각(α)을 가질 수 있다. 여기서, 덕트(100)의 받음각(α)은 5° ~ 20°중에서 선택된 어느 하나의 각도를 가질 수 있다.
또한, 덕트(100)의 단면 형상은 프로펠러(300)의 회전축(X축)과 평행한 평행부(111); 평행부(111)로부터 노즈(104)까지 Y축 방향의 제 1 거리(F)에 대응한 범위 내에서, 평행부(111)의 시작점(109)으로부터 노즈(104)까지 완만하게 돌출된 곡면인 덕트 내면 전방부(106); 및 제 1 거리(F)에 비해 작되 평행부(111)로부터 테일(108)까지 Y축 방향의 제 2 거리(K)에 대응한 범위 내에서, 평행부(111)의 끝점(110)으로부터 테일(108)까지 완만하게 돌출된 곡면인 덕트 내면 후방부(107)로 이루어진 덕트(100)의 내면(G2)을 포함할 수 있다.
또한, 평행부(111)는 프로펠러(300)가 회전할 때 그리는 원형면인 프로펠러 면(Y-Z 평면) 위치(103)를 기준으로 평행부(111)의 전방영역(M) 및 후방영역(N)도 선박의 운항 특성, 위치 제어 특성 및 예인 특성을 모두 고려한 중요한 덕트 설계 인자로서, 3차원 전산유체해석(CFD) 결과를 토대로 추력 성능을 극대화할 수 있는 전장(C)에 대비한 % 범위(M/C, N/C)로 한정될 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 덕트에서 프로펠러 면 위치를 기준으로 전장 대비 평행부의 전방영역 및 후방영역의 범위에 따른 추진기 효율의 변화 경향을 도시한 그래프이다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 3차원 전산유체해석(CFD)을 이용하여 프로펠러(10)가 장착된 선박의 위치 제어 특성 및 예인 특성을 알 수 있는 볼라드 조건(bollard condition)에서의 덕트(100)의 추진기 효율(η0, Merit coefficient)(그래프 종축)과, 전장(C) 대비 평행부(111)의 전방영역(M)의 범위(M/C)(그래프 횡축), 및 전장(C) 대비 평행부(111)의 전방영역(N)의 범위(N/C)(그래프 안쪽의 다수의 그래프)가 도시되어 있다.
여기서, 추진기 효율(η0, Merit coefficient)은 덕트형 프로펠러, 아지무스형 프로펠러 등과 같이, 예인이나 위치 제어 조건에서의 성능을 중요한 설계 조건으로 고려하여 하기의 [수학식 1]을 이용하여 구한 것일 수 있다.
비교예로서, 특허문헌에는 단순히 스러스터 전체의 단독 효율[=KttJ/(2πKq)]로 구한 반면, 본 실시예에서는 하기의 [수학식 1]에 의해 구한 것으로서, 프로펠러 추력, 덕트 추력, 프로펠러 토크, 프로펠러 직경, 프로펠러 회전수, 및 유체(예: 청수)의 밀도를 변수로 한 예인 조건 및 위치 제어 조건이 고려된 것이다.
[수학식 1]
Figure pat00001
상기 [수학식 1]에서 η0는 추진기 효율(Merit coefficient), TP는 프로펠러 추력이고, TD는 덕트 추력이고, Q는 프로펠러 토크이고, DP는 프로펠러 직경이고, n은 프로펠러 회전수이고, ρ는 유체(예: 청수)의 밀도이다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 본 실시예의 덕트(100)의 단면 형상은, 프로펠러 면 위치(103)로부터 전장(C) 대비 -4.0% ~　14.0% 범위(M/C)를 갖는 평행부(111)의 전방영역(M)과, 프로펠러 면 위치(103)로부터 전장(C) 대비 -30.0% ~　-10.0%범위(N/C)를 갖는 평행부(111)의 후방영역(N)을 포함할 수 있다. 여기서 -값은 x축 방향에서 프로펠러 면 위치(103)를 원점으로 하였을 때의 -방향을 의미한다. 즉, M/C값이 -4.0%인 경우에는 평행부의 시작점(109)이 프로펠러 면 위치(103)로부터 도 1의 오른쪽으로 전장(C) 길이의 4%만큼 떨어져 있다는 것을 의미한다. 여기서 x축 방향의 +/-의 기준점은 프로펠러 면 위치(103)이므로, 동일한 덕트 형상이라도 덕트(100)의 설치 위치 또는 프로펠러의 설치 위치가 변경되면 기준점의 위치도 변경된다. 이에 따라 M/C와 N/C의 값이 달라지고 효율도 변경된다.
특히, 덕트(100)에서 프로펠러(300)와 인접하는 평행부(111)가 일정한 길이를 유지하여야 효율이 향상될 수 있다. 따라서 전장(C) 대비 평행부(111)의 전방영역(M)인 M/C 값이, -4.0% 미만이거나, 전장(C) 대비 평행부(111)의 후방영역(N)인 N/C 값이 -10.0%를 초과하는 경우 평행부(111)의 길이가 협소하여 효율 향상 효과가 미미할 수 있다.
또한, 도 1을 참조하면, 평행부(111)로부터 노즈(104) 사이의 제 1 거리(F)와, 평행부(111)로부터 테일(108) 사이의 제 2 거리(K)는 선박의 운항 특성뿐만 아니라, 위치 제어 특성 및 예인 특성을 모두 고려한 중요한 덕트 설계 인자로서, 3차원 전산유체해석(CFD) 결과를 토대로 추력 성능을 극대화할 수 있는 전장(C) 대비 % 범위(F/C, K/C)로 한정될 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 덕트에서 평행부와 노즈 사이의 제 1 거리에 대한 전장 대비 범위와, 평행부와 테일 사이의 제 2 거리에 대한 전장 대비 범위에 따른 추진기 효율의 변화 경향을 도시한 그래프이다.
도 4의 그래프 종축은 볼라드 조건(bollard condition)에서의 추진기 효율(η0, Merit coefficient)(그래프 종축)을 나타낸다. 또한 도 4의 그래프 횡축은 및 제 1 거리(F)에 대한 전장(C) 대비 % 범위(F/C)를 나타낸다. 또한, 도 4의 그래프 안쪽에는 제 2 거리(K)에 대한 전장(C) 대비 % 범위(K/C)가 도시되어 있다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 본 실시예의 덕트(100)의 단면 형상은, 평행부(111)로부터 노즈(104)까지 전장(C) 대비 18.0% ~　30.0% 범위(F/C)의 제 1 거리(F)와, 평행부(111)로부터 테일(108)까지 전장(C) 대비 4.0% ~　10.0% 범위(K/C)의 제 2 거리(K)를 포함할 수 있다.
도 5는 도 1에 도시된 덕트와 비교예간 볼라드(Bollard) 성능 곡선(Power-thrust)을 보인 그래프이다.
도 5의 결과를 도출하기 위해서, 앞서 설명한 덕트의 익형 단면이 사용되었고, 볼라드(Bollard) 성능 비교를 위하여, 비교예로서 마린(marin) 19A 익형이 사용되었다. 또한, 본 실시예 및 비교예에 따른 각 익형 단면에 대한 볼라드(Bollard) 성능 곡선(Power-thrust)은 모형시험(수조 시험)을 통해 얻을 수 있다.
이런 볼라드(Bollard) 성능 곡선(Power-thrust)을 살펴본 결과 본 실시예에 따른 덕트의 익형 단면은 비교예에 비해 약 6.0% 정도로 볼라드 조건(bollard condition)시의 추력이 향상된 것으로 확인될 수 있다.
도 6은 도 1에 도시된 덕트와 비교예간 선속 및 필요마력의 상관관계 곡선을 보인 그래프이다.
도 6의 비교예와 본 실시예의 익형 단면간 선속 및 필요마력의 상관관계 곡선을 통해서 알 수 있듯이, 일반 운항 조건에서도 약 4.6% 정도의 성능 개선이 되었음을 알 수 있다.
예컨대, 동일한 필요마력(DHP) 대비 본 실시예는 비교예에 비하여 더 빠른 속도를 낼 수 있거나, 동일한 속도 대비 비교예에 비하여 더 작은 필요마력을 요구하여 성능 개선이 이루어졌음을 알 수 있다.
도 7은 도 1에 도시된 덕트와 비교예의 성능을 비교 검증하기 위하여, 수조 시험에 의해 얻어진 각각의 추진 성능 특성 곡선을 도시한 그래프이다.
도 7의 그래프에서, 그래프 횡축은 추진기 전진비(J)에 대한 변화 경향을 나타내고, 그래프 종축은 추력(Kt), 토크(10Kq), 효율(ηO)을 나타낸다.
도 7을 참조하면, 본 실시예의 덕트는 비교예의 19A 익형과 비교하여 모든 전진계수(J) 영역에서 토크(10Kq)가 감소하였다.
특히 볼라드 영역(J=0)에서의 10Kq, Kt 결과를 이용하여 동일 엔진 마력으로 계산 시 약 6% 추력을 더 발생(Kq : 약 7% 감소, Kt : 약 1% 감소)시키며, 일반 운항 조건인 전진계수(J) 0.4이상의 영역에서는 4.0% ~ 7.0%의 단독 효율(ηO) 향상 효과를 나타내고 있다. 즉, 덕트의 흡인력 증가로 인하여 프로펠러로 유입되는 유속이 증가되고, 이는 프로펠러의 토크(10Kq)를 감소시켜 모든 전진계수(J) 영역에서 효율이 향상되었음을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 선박의 추진장치를 보여주는 사시도이고, 도 9는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 선박의 추진장치를 보여주는 정면도이고, 도 10은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 선박의 추진장치를 보여주는 측면도이며, 도 11은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 추진장치의 덕트를 보여주는 예시도이다.
도 8 내지 도 11을 참조하면, 제 2 실시예에 따른 추진장치는, 선체의 주축(미도시)으로부터 동력을 전달받는 허브(200)와, 허브(200)의 원주면에 설치되는 메인 블레이드(310) 및 서브 블레이드(320)를 포함하는 프로펠러(300)와, 프로펠러(300)의 주위를 두르도록 설치되는 덕트(100)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 허브(200)는 주축에 의해 회전 가능하도록 선체의 주축이 내장된 기어 케이스(10)에 결합되고, 주축을 매개로 선체의 주 엔진(미도시)의 동력을 전달받아 프로펠러(300)에 추력을 제공할 수 있다.
허브(200)는 추진장치의 후방을 향하여 반경이 점차 감소하는 테이퍼(taper) 형태로 형성될 수 있고, 허브(200)의 후단부에는 캡(210)이 결합될 수 있다. 캡(210)은 후방을 향해 테이퍼지게 형성되어, 프로펠러(300)를 통과하는 유체를 캡의 측면을 따라 원활하게 유동시킬 수 있다.
허브(200)의 외주면에는 허브(200) 주위에서 유기되는 와류(W)를 효과적으로 저감시킬 수 있는 프로펠러(300)가 설치될 수 있다.
프로펠러(300)는 허브(200)의 외면상에서 주축의 축방향(X방향)을 따라 이격되게 배치되는 메인 블레이드(310)와, 서브 블레이드(320)를 포함할 수 있다.
메인 블레이드(310)는 허브(200)의 전방측 외주면에서, 방사방향으로 이격되게 배열되는 다수개의 날개일 수 있다. 이 메인 블레이드(310)는 익형 단면을 갖을 수 있으며, 메인 블레이드(310)의 형상 및 개수는 추진기 효율, 하중에 따른 캐비테이션 및 주변 환경 등에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
서브 블레이드(320)는 메인 블레이드(310)에서 주축의 후방으로 이격된 허브(200)의 후방측 외주면에서, 메인 블레이드(310)와 교호로 배치되도록 방사방향으로 이격되게 배열되는 다수개의 날개일 수 있다. 다만, 서브 블레이드(320)는 메인 블레이드(310)에서 주축의 후방으로 이격된 위치이면 허브(200)뿐만 아니라 캡(210) 또는 허브(200)와 캡(210) 사이의 공간 등 어디에도 설치가 가능하다.
서브 블레이드(320)는 메인 블레이드(310)와 비교하여 작은 크기의 날개로 이루어질 수 있고, 서브 블레이드(320)는 주축의 후방으로 경사지게 설치될 수 있다. 여기서, 후방으로 경사지게 설치된다는 의미는 서브 블레이드(320)의 선단보다 후단이 주축의 후방에 위치한다는 것을 의미한다.
이러한 서브 블레이드(320)는 프로펠러만이 정격 RPM으로 회전하는 볼라드(Bollard) 상태와 같이, 전진비가 낮은 조건 하에서, 회전성분을 흡수할 수 있으므로, 허브(200) 주위에서 유기되는 와류(W)를 효과적으로 저감시킬 수 있는 동시에, 허브(200)의 토크 감소를 통해 추진효율을 향상시킬 수 있다.
예컨대, 서브 블레이드(320)는 주축의 수직 방향에서 주축의 후방으로 0.1~27도 범위로 기울어지는 기울임 각도(B)를 갖을 수 있고, 허브(200)는 허브(200) 외면에서 주축의 축 방향(-X축 방향)으로 10~18도 범위로 기울어지는 기울임 각도(H)를 갖을 수 있다.
도 12는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 서브 블레이드의 경사비(B/H)에 따른 효율변화를 곡선으로 보인 그래프이다.
특히, 도 12를 참조하면, 서브 블레이드(320)의 경사비(B/H)는 0.25 ~ 1.5 범위를 유지해야 추진기 효율이 향상될 수 있다. 예컨대, 서브 블레이드(320)의 경사비(B/H)가 0.25 미만이거나, 경사비(B/H)가 1.5를 초과하는 경우, 허브(200) 주위에서 유기되는 와류(W)를 효과적으로 저감시키기 어려워져 추진기 효율의 향상 효과가 미미할 수 있다.
여기서, 추진기 효율(η0, Merit coefficient)은 덕트형 프로펠러, 아지무스형 프로펠러 등과 같이, 예인이나 위치 제어 조건에서의 성능을 중요한 설계 조건으로 고려하여 상술한 [수학식 1]을 이용하여 구해질 수 있다.
도 13은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 서브 블레이드의 반경비(A/C)에 따른 효율변화를 곡선으로 보인 그래프이다.
도 13를 참조하면, 모형시험 및 CFD 계산을 이용하여 서브 블레이드(320)의 반경 변화에 따른 볼라드 조건(bollard condition)에서 추진기 효율을 고찰한 결과, 서브 블레이드(320)의 반경비(A/C)는 0.3에서 상승 곡선을 유지하고 0.5에서 최대 추진기 효율을 가지며, 0.7이후 급격히 저하되는 것을 확인할 수 있다.
예컨대, 서브 블레이드(320)의 반경비(A/C)는 0.3 ~ 0.7범위일 때, 최적화된 추진기 효율의 향상 효과를 발휘할 수 있다. 여기서, 도 4를 참고하면, A는 서브 블레이드(320)의 반경 길이로 정의될 수 있고, C는 덕트(100)의 전장 길이로 정의될 수 있다.
도 14는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 서브 블레이드의 위치(E/C) 범위에 따른 효율변화를 곡선으로 보인 그래프이다.
도 14를 참조하면, 덕트(100)의 앞쪽 꼭지점에서 메인 블레이드(310) 위치까지의 축 방향(-X축 방향)거리를 EP라고 정의할 때, 서브 블레이드(320)의 위치(E)는 메인 블레이드(310)의 위치(EP)부터 주축의 후방으로 0.5C (덕트 전장길이의 절반) 이내의 범위(EP ~ EP+0.5C)에 위치할 때, 우수한 성능이 구현될 수 있음을 확인할 수 있다. 즉, 서브 블레이드(320)의 축 방향(-X축 방향) 위치(E)는 메인블레이드의 위치(EP)에서 주축의 후방으로 EP+0.5C 위치까지는 완만한 하양곡선을 그리다가 그 이후가 되면 급격이 떨어진다. 여기서, E는 서브 블레이드(320)의 X방향 위치로 정의될 수 있고, EP는 메인블레이드(320)의 X방향 위치로 정의될 수 있고, C는 덕트(100)의 전장 길이로 정의될 수 있다.
도 15는 제 2 거리(K) 분포를 비교하기 위해 도 8에 도시된 추진장치와 비교되는 비교예에 따른 선박의 추진장치를 보여주는 사시도이고, 도 16는 도 8의 추진장치와 도 15의 추진장치 간 볼라드(Bollard) 성능 곡선(Power-thrust)을 보인 그래프이며, 도 17은 도 8의 추진장치와 도 15의 추진장치 간 성능을 비교 검증하기 위하여, 수조 시험에 의해 얻어진 각각의 추진 성능 특성 곡선을 도시한 그래프이다.
도 15 내지 도 17을 참조하면, 볼라드(Bollard) 성능 비교를 위하여, 비교예로서 덕트형 아지무스 스러스트와 같은 종류의 덕트(100)인 마린(marin) 19A 익형이 사용되었다. 또한, 본 실시예 및 비교예에 따른 각 익형 단면에 대한 볼라드(Bollard) 성능 곡선(Power-thrust)은 모형시험(수조 시험)을 통해 얻을 수 있다.
도 15에서 보듯이, CFD 해석을 통해 볼라드(Bollard) 조건시 프로펠러(300) 허브(200) 근처에서 유기되는 비교예에 따른 추진장치의 와류(W) 상태를 살펴보면, 본 실시예인 도 8의 추진장치보다, 비교예의 프로펠러(300) 및 허브(200) 근처에서 유기되는 와류(W)가 증가된 것을 확인할 수 있다.
도 16에서 보듯이 볼라드(Bollard) 성능 곡선(Power-thrust)을 살펴본 결과, 서브 블레이드(320)가 마련된 본 실시예는, 서브 블레이드(320)가 없는 비교예에 비하여, 약 4.0% 정도로 볼라드 조건(bollard condition)시의 추력이 향상된 것을 확인할 수 있다
또한, 본 실시예와 같이 서브 블레이드(320)가 존재하는 경우, 추진기의 전체 추력은 거의 유지되면서 프로펠러(300)의 토크가 모든 전진비 영역에 걸쳐서 감소하는 것을 확인할 수 있다.
도 17에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 덕트(100)는 비교예의 19A 익형과 비교하여 모든 전진계수(J) 영역에서 토크(Kq)가 감소하였다.
특히, 볼라드 영역(J=0)에서의 Kq 결과를 이용하여 동일 엔진 마력으로 계산 시 약 2.5% 추력을 더 발생시키며, 일반 운항 조건인 전진계수(J) 0.4이상의 영역에서는 5.0%의 효율(ηO) 향상 효과를 나타내고 있다. 즉, 서브 블레이드(320)와 덕트(100)의 흡인력 증가로 인하여 프로펠러(300)로 유입되는 유속이 증가되고, 이는 프로펠러(300)의 토크(Kq)를 감소시켜 모든 전진계수(J) 영역에서 효율이 향상되었음을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 허브에 메인 블레이드 및 서브 블레이드를 마련하여 덕트 및 프로펠러의 주위 유동을 개선하여, 프로펠러에 의해 발생되는 와류를 저감시키고, 프로펠러를 회전시키기 위해 필요한 토크를 감소시켜, 추진효율을 향상시킬 수 있으며, 볼라드 조건시의 추력을 향상시켜, 허브 주위에서 유기되는 와류를 효과적으로 저감하는 동시에, 주축의 토크 감소를 통해 추진 효율을 향상시킬 수 있는 등의 우수한 장점을 갖는다.
도 18은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 추진장치의 덕트를 보여주는 예시도이다.
한편, 도 18을 참조하면, 제 3 실시예에 따른 덕트(100)는, 주축의 축 방향으로 정렬되고, 주축의 축방향(X축)을 기준으로 허브(200)를 두르도록 설치되고, 덕트(100)의 전체 둘레를 따라 동일한 단면 형상을 가질 수 있다.
덕트(100)는 드릴쉽 또는 해양구조물과 같은 선박의 운항 특성, 선박의 위치 제어 특성 및 빙해 중에 갇힌 다른 선박의 예인 특성을 모두 고려하여 덕트형 추진 장치의 효율을 향상시킬 수 있도록 최적화된 설계 인자를 갖는 덕트(100)의 외면(G1) 및 내면(G2)을 포함할 수 있다.
특히, 덕트(100)의 단면 형상은 익형 단면의 앞쪽 꼭지점인 노즈(104: nose)와, 익형 단면의 뒤쪽 꼭지점인 테일(108: tail)과, 노즈(104)와 테일(108)을 연결하는 직선분인 익현선(105)을 포함할 수 있다. 그리고 덕트(100)의 단면 형상은 익현선(105)의 전단 위쪽에서 볼록하게 형성된 전방부(113)와, 익현선(105)의 후단 아래쪽에서 오목하게 형성된 후방부(112)를 갖는 덕트(100)의 외면(G1)을 포함할 수 있다.
여기서, 덕트(100)의 외면(G1)의 전방부(113)는 익현선(105)이 덕트(100)의 외면(G1)에 만나는 지점으로부터 노즈(104)까지의 곡면을 의미할 수 있다. 그리고 덕트(100)의 외면(G1)의 후방부(112)는 익현선(105)이 덕트(100)의 외면(G1)에 만나는 지점으로부터 테일(108)까지의 곡면을 의미할 수 있다.
전방부(113)와 후방부(112)는 익현선(105)이 덕트(100)의 외면(G1)에 만나는 지점의 전후에서 천이되어서 연결될 수 있다. 이렇게 덕트(100)의 외면(G1)의 전방부(113)는 익현선(105)의 전단 위쪽에서 볼록하게 형성되어 있다.
이와 같이, 덕트(100)의 외면의 전방부가 익현선 위쪽으로 볼록하게 형성된 형상적 특징을 갖고 있음으로써, 프로펠러(300)로 유입되는 유동이 가속될 수 있다. 이러한 가속 효과로 인하여 덕트(100) 추력 향상 및 프로펠러(300) 토크 감소가 가능하다. 그리고 덕트(100)의 외면(G1)의 후방부(112)가 익현선(105)의 후단 아래쪽에서 오목하게 형성되므로, 후방 외측 영역의 유동이 덕트(100)의 테일 방향으로 원활하게 흘러가고, 테일에서 와류를 형성하여 덕트(100) 추력을 향상시키는 효과를 나타낼 수 있다.
또한, 덕트(100)의 단면 형상은 주축의 축 방향(X축)과 평행한 평행부(111)와, 평행부(111)로부터 노즈(104)까지 Y축 방향의 제 1 거리(F)에 대응한 범위 내에서, 평행부(111)의 시작점(109)으로부터 노즈(104)까지 완만하게 돌출된 곡면인 덕트(100) 내면 전방부(106)와, 제 1 거리(F)에 비해 작되 평행부(111)로부터 테일(108)까지 Y축 방향의 제 2 거리(K)에 대응한 범위 내에서, 평행부(111)의 끝점(110)으로부터 테일(108)까지 완만하게 돌출된 곡면인 덕트(100) 내면 후방부(107)로 이루어진 덕트(100)의 내면(G2)을 포함할 수 있다.
아울러, 본 실시예의 덕트(100)의 단면 형상은, 프로펠러 면 위치(103)로부터 전장(C) 대비 -4.0% ~　14.0% 범위(M/C)를 갖는 평행부(111)의 전방영역(M)과, 프로펠러 면 위치(103)로부터 전장(C) 대비 -30.0% ~　-10.0% 범위(N/C)를 갖는 평행부(111)의 후방영역(N)을 포함할 수 있다.
덕트(100)에서 프로펠러(300)와 인접하는 평행부(111)가 일정한 길이를 유지하여야 효율이 향상될 수 있으므로, 전장(C) 대비 평행부(111)의 전방영역(M)인 M/C 값이, -4.0% 미만이거나, 전장(C) 대비 평행부(111)의 후방영역(N)인 N/C 값이 -10.0%를 초과하는 경우 평행부(111)의 길이가 협소하여 효율 향상 효과가 미미하다.
그리고 본 실시예의 덕트(100)의 단면 형상은, 평행부(111)로부터 노즈(104)까지 전장(C) 대비 18.0% ~　30.0% 범위(F/C)의 제 1 거리(F)와, 평행부(111)로부터 테일(108)까지 전장(C) 대비 4.0% ~　10.0% 범위(K/C)의 제 2 거리(K)를 포함할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어 당업자는 각 구성요소의 재질, 크기 등을 적용 분야에 따라 변경하거나, 실시형태들을 조합 또는 치환하여 본 발명의 실시예에 명확하게 개시되지 않은 형태로 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것으로 한정적인 것으로 이해해서는 안되며, 이러한 변형된 실시예는 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.
100 : 덕트 104 : 노즈
105 : 익현선 106 : 덕트 내면 전방부
107 : 덕트 내면 후방부 108 : 테일
111 : 평행부 112 : 후방부
113 : 전방부 200 : 허브
300 : 프로펠러 310 : 메인 블레이드
320 : 서브 블레이드

Claims (1)

  1. 익형 단면의 앞쪽 꼭지점인 노즈와, 상기 익형 단면의 뒤쪽 꼭지점인 테일을 갖는 덕트를 포함하고,
    상기 덕트의 단면 형상은,
    상기 덕트의 전단에서 상방향으로 볼록하게 형성되고 상기 덕트의 후단에서 하방향으로 오목하게 형성된 외면; 및
    상기 덕트의 전단에서 하방향으로 볼록하게 형성되는 덕트 내면 전방부와, 상기 덕트의 후단에서 하방향으로 볼록하게 형성되는 덕트 내면 후방부와, 상기 덕트 내면 전방부 및 상기 덕트 내면 후방부를 평행하게 연결하는 평행부를 포함하는 내면을 포함하는 선박의 추진장치.
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