KR20160058369A

KR20160058369A - 비대칭 덕트 및 핀구조물의 결합을 통한 선박 유동 제어 장치

Info

Publication number: KR20160058369A
Application number: KR1020140159220A
Authority: KR
Inventors: 김광수; 김유철; 김윤식; 김진; 안해성; 이영연
Original assignee: 한국해양과학기술원
Priority date: 2014-11-14
Filing date: 2014-11-14
Publication date: 2016-05-25
Also published as: JP3213165U; WO2016076488A1; CN207791102U

Abstract

본 발명은 부채꼴 형상의 덕트와 핀구조물의 상호작용을 통해 선미 유동장의 흐름을 개선하여 선박의 에너지를 절감할 있도록 하는 장치를 제공한다.

Description

비대칭 덕트 및 핀구조물의 결합을 통한 선박 유동 제어 장치{Flow control device combined with asymmetric duct and fins for energy saving of ship}

본 발명은 비대칭 덕트 및 핀구조물의 결합을 통한 선박 유동 제어 장치에 관한 것이다.

최근 지속적인 국제유가 상승에 기인한 선박 운항비의 급상승에 따라 에너지 절감을 위한 신 개념 선박의 개발이 요구되고 있다. 한편, 지구 온난화에 기인한 국제적인 환경 규제 움직임에 따라 국제해사기구(IMO)에서는 선박에 대한 이산화탄소 설계지표(ship design CO2 emission index)를 정하여 강제 규정 발효를 추진하고 있는데, 이 경우 특히 선박의 에너지 절감 기술(energy saving technology)은 이러한 설계지표 값에 직접적으로 영향을 줄 수 있다.

그런데, 이와 관련한 종래기술을 보면, 선형 최적화를 통한 추진성능 향상 기술은 거의 임계치에 도달한 상황이며, 선박의 에너지 절감을 위한 다양한 부가물 장치가 개발되고 있긴 하나 이들은 선박 부착비용 대비 효율성이 떨어질 뿐만 아니라 새로운 선형에만 적용할 수 있고 기존 선형에는 적용할 수 없는 한계가 있다.

따라서 선박 부착비용 대비 효율성이 높으며 새로운 선형뿐만 아니라 기존 선형에도 적용할 수 있는 새로운 개념의 에너지 절감 장치의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

에너지 절감장치를 구비한 선박(특허출원 제10-2011-0053080호)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 부채꼴 형상의 덕트와 핀구조물의 상호작용을 통해 선미 유동장의 흐름을 개선하여 선박의 에너지를 절감할 있도록 하는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

반경이 R인 프로펠러의 전방에 위치하며, 덕트, 제1핀구조물, 제2핀구조물 및 제3핀구조물을 포함하는 비대칭 덕트 및 핀구조물의 결합을 통한 선박 유동 제어 장치로서,

상기 덕트는 부채꼴 형상으로 프로펠러 축 중심선의 상부에 위치하되 센터라인을 기준으로 우현 방향으로 비대칭이 되도록 설치되며,

제1핀구조물은 프로펠러 축 중심선에서 상기 덕트 방향으로 뻗어나가 상기 덕트의 좌측 끝단과 만나도록 설치되며,

제2핀구조물은 프로펠러 축 중심선에서 상기 덕트 방향으로 뻗어나가 상기 덕트의 우측 끝단과 만나도록 설치되며,

제3핀구조물은 프로펠러 축 중심선에서 상기 덕트의 반대 방향으로 뻗어나가 상기 제1핀구조물과 상기 제2핀구조물의 사이에 위치하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 비대칭 덕트 및 핀구조물의 결합을 통한 선박 유동 제어 장치를 제공한다.

본 발명에 따르면, 부채꼴 형상의 덕트와 핀구조물의 상호작용을 통해 선박의 에너지를 절감할 수 있는바, 보다 구체적으로는, 덕트의 작용으로 선미 유동장의 흐름을 정류하고 가속시킴으로써 선체 저항성능을 개선하고, 핀구조물의 작용으로 프로펠러에 유입되는 반류 변화를 통해 프로펠러 추진성능을 개선하며 나아가 미리 회전류를 만들어 프로펠러 효율을 개선할 수 있다.

도 1은 본 발명이 선미에 설치된 모습.
도 2는 본 발명에 따른 덕트의 바람직한 설치 형태.
도 3은 본 발명에 따른 핀구조물의 바람직한 설치 형태.
도 4는 본 발명의 실시 예로서, CFD 기법을 활용하여 덕트와 핀구조물의 최적 형상 값을 도출한 예.
도 5는 도 4의 CFD 기법이 적용된 대상선형.
도 6은 본 발명의 실시 예로서, 본 발명의 설치 전후 자항상태의 마력저감 효과를 비교한 표(CFD시뮬레이션 결과).
도 7은 본 발명의 실시 예로서, 본 발명의 설치 전후 프로펠러 전방 유동장 해석결과.
도 8은 본 발명의 실시 예로서, 모형시험을 위해 제작된 모형.
도 9 및 도 10은 도 8의 모형시험 결과.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명이 선미에 설치된 모습을 보여준다. 그리고 도 2는 본 발명에 따른 덕트의 바람직한 설치 형태를 보여준다. 그리고 도 3은 본 발명에 따른 핀구조물의 바람직한 설치 형태를 보여준다.

본 발명은 덕트(10)와 핀구조물(21, 22, 23)을 프로펠러(30)의 전방에 설치하고 이들의 상호작용을 통해 선미 유동장의 흐름을 개선하여 선박의 에너지를 절감하기 위한 장치이다.

본 발명에서는 선체의 선미형상과 프로펠러 면의 반류분포와 선체표면의 압력분포를 면밀히 검토하고 이에 근거하여 덕트(10)와 핀구조물(21, 22, 23)의 최적 형상 및 조합을 결정하였는바, 이하에서는 이에 대하여 상세히 설명한다.

먼저, 덕트(10)에 대하여 설명한다.

덕트(10)는 부채꼴 형상으로 프로펠러 축 중심선의 상부에 설치된다(도 1, 도 2 참조). 이는 통상적으로 선체 저항성능에 중요한 영향을 미치는 것은 주로 선미 상부에 형성되는 유동임을 감안한 것으로, 덕트(10)를 통하여 선미 상부 유동의 흐름을 정류하고 가속시킴으로써 선체 저항성능을 상당히 개선할 수 있다. 이러한 부채꼴 형상의 덕트(10)는 일반적인 원 형상의 덕트에 비해 중량이나 부피가 작게 나가는 대신 그 효과는 원 형상의 덕트에 비해 크게 떨어지지 않으며 무엇보다도 원 형상의 덕트에 비해 부가저항을 작게 발생시키므로 선박의 에너지 절감이라는 관점에서 볼 때 많은 부분에서 유리한 점이 있다.

덕트(10)는 센터라인을 기준으로 우현 방향으로 비대칭이 되도록 설치된다. 이는 덕트(10)의 후방에 위치한 프로펠러(30)의 회전 방향이 시계 방향인 점을 감안하여 덕트(10)가 선미 상부에 형성되는 유동 중에서도 우현 방향으로 유입되는 유동의 흐름을 정류하고 가속시키는 효과가 보다 크게 나타나도록 한 것이다.

덕트(10)는 익형 단면(hydro-foil section)을 가지며, 이 경우 익형 단면의 앞날은 선수 방향을 향하고 뒷날은 선미 방향을 향한다. 이처럼 덕트(10)가 익형 단면을 가지고 이와 더불어 유입 유동장에 대한 적절한 받음각을 가지면 부가물인 덕트(10) 자체의 항력이 최소화될 뿐만 아니라 덕트(10) 자체의 부가적인 추력까지도 기대할 수 있다. 즉, 선미 형상을 따라 프로펠러(30) 회전면에 유입되는 유동은 덕트(10)의 흡입면(suction side)을 따라 가속되어 프로펠러(30)로 유입되며, 프로펠러(30)에 의한 반경방향 유기속도 성분과 상호 작용하게 된다. 이 때 덕트(10)의 압력면(pressure side)과 흡입면에 작용하는 압력의 차이에 의해 양력이 발생하며, 이는 추가적인 추력으로 작용한다.

덕트(10)는 후단부의 반경이 프로펠러(30) 반경(R) 대비 0.7R의 크기를 가지며(도 3 참조), 단면의 받음각이 12~14도의 크기를 가진다. 덕트(10)의 코드 길이는 부채꼴 형상의 호를 따라가면서 동일하게 유지되거나 변화할 수 있다. 그리고 덕트(10)는 작업의 편의성을 고려하여 프로펠러 면으로부터 소정의 거리만큼 떨어지도록 장착한다(도 2 참조). 참고로, 도 2의 실시 예에서는 덕트(10)의 코드 길이가 부채꼴 형상의 호를 따라가면서 변화하는 모습을 확인할 수 있다.

다음으로, 핀구조물(21, 22, 23)에 대하여 설명한다.

핀구조물(21, 22, 23)은 보다 구체적으로는 제1핀구조물(21), 제2핀구조물(22) 및 제3핀구조물(23)로 구분되는바, 제1핀구조물(21)은 프로펠러 축 중심선에서 덕트(10) 방향으로 뻗어나가 덕트(10)의 좌측 끝단과 만나도록 설치되며, 제2핀구조물(22)은 프로펠러 축 중심선에서 덕트(10) 방향으로 뻗어나가 덕트(10)의 우측 끝단과 만나도록 설치되며, 제3핀구조물(23)은 프로펠러 축 중심선에서 덕트(10)의 반대 방향으로 뻗어나가 제1핀구조물(21)과 제2핀구조물(22)의 사이에 위치하도록 설치된다.

제1핀구조물(21)과 제2핀구조물(22)은 우선적으로는 상기 덕트(10)를 지지하는 역할을 하지만, 공학적 관점에서 중요한 것은 제1핀구조물(21), 제2핀구조물(22), 제3핀구조물(23)이 모두 전류고정날개의 역할을 한다는 점이다. 따라서 이들의 작용으로 프로펠러(30)에 유입되는 반류 변화를 통해 프로펠러 추진성능을 개선하며 나아가 미리 회전류를 만들어 프로펠러 효율을 개선할 수 있다. 즉, 핀구조물은 프로펠러(30)에 의해 유기되는 회전방향 유기속도와 반대 방향의 회전방향 유기속도를 생성시켜 줌으로써 프로펠러(30) 후방에서 프로펠러 축 회전방향의 전체 유기속도를 최소화하여 프로펠러(30) 후류의 회전에 의한 운동에너지 손실을 줄여 결과적으로 추진효율을 향상시킨다. 그리고 이러한 핀구조물(21, 22, 23)은 덕트(10)와의 상호작용을 통해 그 효과가 더욱 증진된다.

제1핀구조물(21), 제2핀구조물(22), 제3핀구조물(23)은 모두 익형 단면(hydro-foil section)을 가지며, 이 경우 익형 단면의 앞날은 선수 방향을 향하고 뒷날은 선미 방향을 향한다. 이처럼 핀구조물(21, 22, 23)이 익형 단면을 가지고 이와 더불어 유입 유동장에 대한 적절한 받음각을 가지면 부가물인 핀구조물(21, 22, 23) 자체의 항력이 최소화될 수 있다.

제1핀구조물(21), 제2핀구조물(22), 제3핀구조물(23)은 단면의 받음각이 10~12도의 크기를 가지는데, 받음각의 크기는 각각의 핀구조물(21, 22, 23)마다 서로 같거나 다를 수 있다. 또한 제1핀구조물(21), 제2핀구조물(22), 제3핀구조물(23)은 서로 같거나 다른 코드 길이를 가지며, 서로 같거나 다른 간격으로 설치된다.

핀구조물(21, 22, 23)의 설치와 관련하여, 도 3은 제1핀구조물(21), 제2핀구조물(22), 제3핀구조물(23)의 바람직한 설치 형태를 보여준다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 제2핀구조물(22)은 우현에 설치되고 제1핀구조물(21)과 제3핀구조물(23)은 좌현에 설치되며, 이 경우 제2핀구조물(22)의 받음각과 제1핀구조물(21) 및 제3핀구조물(23)의 받음각은 그 방향이 서로 반대가 되도록 한다(도 4의 빨간색 표시 부분 참조). 프로펠러(30)에 유입되는 선미 유동은 좌현과 우현에서 대칭적으로 위로 향하는 속도 성분이 존재하는데, 좌현의 경우 프로펠러(30) 회전 방향과 같은 방향의 유입속도가 커지는 효과가 있고, 우현의 경우 프로펠러(30) 회전 방향과 반대 방향의 유입속도가 커지는 효과가 있다. 따라서 프로펠러(30)의 회전 방향과 같은 유기속도 성분을 최소화시키기 위해서는 좌현에 더 많은 핀구조물(즉, 전류고정날개)을 설치하고 좌현과 우현의 받음각 방향을 반대로 하는 것이 효과적이다.

그리고 일반적인 선박의 선미 선형과 반류분포를 고려하여, 제2핀구조물(22)은 우현 방향으로 수평하게 설치하고, 제3핀구조물(23)은 제2핀구조물(22)로부터 시계 방향으로 135도 만큼 이격하여 설치하며, 제1핀구조물(21)은 제3핀구조물(23)로부터 시계 방향으로 90도 만큼 이격하여 설치하는 것이 바람직하다.

<실시 예>

본 발명에서는 선체의 선미형상과 프로펠러 면의 반류분포와 선체표면의 압력분포를 면밀히 검토하고 이에 근거하여 덕트(10)와 핀구조물(21, 22, 23)의 최적 형상(크기 및 위치)을 결정하였는바, 도 4는 덕트(10)와 핀구조물(21, 22, 23)의 최적 형상을 수치로 정의한 표를 보여준다. 이 때, 상기 덕트(10)와 핀구조물(21, 22, 23)의 최적 형상은 도 5에 나타난 대상선형(KVLCC2: KRISO 300K VLCC Tanker)에 적용하여 CFD(전산유체역학) 기법을 활용하여 각 설계변수의 최적 값을 도출하였다.

본 발명의 효과와 관련하여, 도 6은 본 발명의 설치 전후 자항상태의 마력저감 효과를 비교한 표(CFD시뮬레이션 결과)를 보여준다. 도 6에서 보는 바와 같이, 자항상태에서 본 발명의 설치 전후 실제 마력감소(전달마력=2π*n(회전수)*Q(토크))비를 살펴보면, 본 발명의 설치 시 약 7% 이상의 마력저감 효과가 나타남을 알 수 있다.

또한, 본 발명의 효과와 관련하여, 도 7은 본 발명의 설치 전후 프로펠러 전방 유동장 해석결과를 보여준다. 도 7에서 보는 바와 같이, 본 발명의 설치 전후 프로펠러 면에서의 반류분포를 비교해 보면 본 발명의 설치 후 프로펠러 면으로 향하는 반류가 보다 많이 정류되어 있음을 시각적으로도 확인할 수 있다.

한편, 본 발명에서는 예인수조에서 모형시험(저항 및 자항시험)을 통하여 본 발명의 마력저감 효과를 검증하였는바, 이와 관련하여 도 8은 모형시험을 위해 제작된 모형을, 도 9와 도 10은 모형시험 결과(각 선속대비 유효마력(EHP)와 전달마력(DHP) 감소율 비교)를 보여준다. 이를 살펴보면 본 발명의 설치 시 전 속도 영역에서 평균 3.5%, 최고 4.1% 마력저감 효과가 있음이 검증되었음을 알 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 부채꼴 형상의 덕트(10)와 핀구조물(21, 22, 23)의 상호작용을 통해 선박의 에너지를 절감할 수 있는바, 보다 구체적으로는, 덕트(10)의 작용으로 선미 유동장의 흐름을 정류하고 가속시킴으로써 선체 저항성능을 개선하고, 핀구조물(21, 22, 23)의 작용으로 프로펠러(30)에 유입되는 반류 변화를 통해 프로펠러 추진성능을 개선하며 나아가 미리 회전류를 만들어 프로펠러 효율을 개선할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 덕트
21 : 제1핀구조물
22 : 제2핀구조물
23 : 제3핀구조물
30 : 프로펠러

Claims

반경이 R인 프로펠러(30)의 전방에 위치하며, 덕트(10), 제1핀구조물(21), 제2핀구조물(22) 및 제3핀구조물(23)을 포함하는 비대칭 덕트 및 핀구조물의 결합을 통한 선박 유동 제어 장치로서,
상기 덕트(10)는 부채꼴 형상으로 프로펠러 축 중심선의 상부에 위치하되 센터라인을 기준으로 우현 방향으로 비대칭이 되도록 설치되며,
제1핀구조물(21)은 프로펠러 축 중심선에서 상기 덕트(10) 방향으로 뻗어나가 상기 덕트(10)의 좌측 끝단과 만나도록 설치되며,
제2핀구조물(22)은 프로펠러 축 중심선에서 상기 덕트(10) 방향으로 뻗어나가 상기 덕트(10)의 우측 끝단과 만나도록 설치되며,
제3핀구조물(23)은 프로펠러 축 중심선에서 상기 덕트(10)의 반대 방향으로 뻗어나가 상기 제1핀구조물(21)과 상기 제2핀구조물(22)의 사이에 위치하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 비대칭 덕트 및 핀구조물의 결합을 통한 선박 유동 제어 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 덕트(10)는 후단부의 반경이 0.7R의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 비대칭 덕트 및 핀구조물의 결합을 통한 선박 유동 제어 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 덕트(10)는 익형의 단면을 가지는 것을 특징으로 하는 비대칭 덕트 및 핀구조물의 결합을 통한 선박 유동 제어 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 덕트(10)는 단면의 앞날이 선수 방향을 뒷날이 선미 방향을 향하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 비대칭 덕트 및 핀구조물의 결합을 통한 선박 유동 제어 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 덕트(10)는 받음각이 12~14도의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 비대칭 덕트 및 핀구조물의 결합을 통한 선박 유동 제어 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 덕트(10)의 코드 길이는 부채꼴 형상의 호를 따라가면서 동일하게 유지되거나 변화하는 것을 특징으로 하는 비대칭 덕트 및 핀구조물의 결합을 통한 선박 유동 제어 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제1핀구조물(21), 상기 제2핀구조물(22) 및 상기 제3핀구조물(23)은 익형의 단면을 가지는 것을 특징으로 하는 비대칭 덕트 및 핀구조물의 결합을 통한 선박 유동 제어 장치.
제 7 항에 있어서,
상기 제1핀구조물(21), 상기 제2핀구조물(22) 및 상기 제3핀구조물(23)은 단면의 앞날이 선수 방향을 뒷날이 선미 방향을 향하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 비대칭 덕트 및 핀구조물의 결합을 통한 선박 유동 제어 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제1핀구조물(21), 상기 제2핀구조물(22) 및 상기 제3핀구조물(23)은 받음각이 10~12도의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 비대칭 덕트 및 핀구조물의 결합을 통한 선박 유동 제어 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제1핀구조물(21), 상기 제2핀구조물(22) 및 상기 제3핀구조물(23)은 서로 같거나 다른 받음각을 가지는 것을 특징으로 하는 비대칭 덕트 및 핀구조물의 결합을 통한 선박 유동 제어 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제1핀구조물(21), 상기 제2핀구조물(22) 및 상기 제3핀구조물(23)은 서로 같거나 다른 코드 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 비대칭 덕트 및 핀구조물의 결합을 통한 선박 유동 제어 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제1핀구조물(21), 상기 제2핀구조물(22) 및 상기 제3핀구조물(23)은 서로 같거나 다른 간격으로 설치되는 것을 특징으로 하는 비대칭 덕트 및 핀구조물의 결합을 통한 선박 유동 제어 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제2핀구조물(22)은 우현에 설치되며, 상기 제1핀구조물(21)과 상기 제3핀구조물(23)은 좌현에 설치되는 것을 특징으로 하는 비대칭 덕트 및 핀구조물의 결합을 통한 선박 유동 제어 장치.
제 13 항에 있어서,
상기 제2핀구조물(22)은 우현 방향으로 수평하게 설치되며, 상기 제3핀구조물(23)은 상기 제2핀구조물(22)로부터 시계 방향으로 135도 만큼 이격하여 설치되며, 상기 제1핀구조물(21)은 상기 제3핀구조물(23)로부터 시계 방향으로 90도 만큼 이격하여 설치되는 것을 특징으로 하는 비대칭 덕트 및 핀구조물의 결합을 통한 선박 유동 제어 장치.
제 13 항에 있어서,
상기 제2핀구조물(22)의 받음각은 상기 제1핀구조물(21)과 상기 제3핀구조물(23)의 받음각과 그 방향이 반대인 것을 특징으로 하는 비대칭 덕트 및 핀구조물의 결합을 통한 선박 유동 제어 장치.