KR20170053446A - 종동요 저감형 고속세장선 - Google Patents

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Abstract

프루드 수가 0.20 ~ 0.35인 고속세장선의 선체 선수부 바닥에 수중익이 설치되어, 선체가 수중에서 진행하는 도중에 종동요, 상하동요 등 상하방향 운동이 발생할 때에 상기 수중익이 선체의 운동방향에 반대되는 양력을 발생시켜 선체의 상하방향 운동을 감소시키도록 되는 종동요 저감형 고속세장선을 제공한다.

Description

종동요 저감형 고속세장선{Fine higher-speed ship having decreased pitch}
본 발명은 컨테이너 운반선과 같은 고속세장선에 관한 것으로, 특히 종동요(pitch)와 상하동요(heave)같은 선체의 상하방향(연직방향) 운동을 저감하고 이를 통해 연료소모량을 절감할 수 있는 고속세장선에 관한 것이다.
전통적인 배수량형(displacement type) 대형 선박에 의한 해상운송은 대량의 화물을 저렴한 비용으로 운송할 수 있어 어느 교통수단보다도 운송효율이 높다는 장점을 가지고 있으나 속도가 느리다는 단점도 있다.
조선공학에서는 선박의 속도에 대한 척도로 실제 선박의 속도가 아니라 프루드 수(Froude number)란 전문 용어를 사용하는데, 프루드 수는 관성력과 중력의 비를 나타내는 무차원수(non-dimensional quantity)로서 아래 식에서 알 수 있는 바와 같이 선속을 선박의 길이와 중력 가속도의 곱의 제곱근으로 나눈 수를 말한다
Figure pat00001
위의 식에서 FN, V, g, L은 각각 프루드 수, 선박의 속도, 중력가속도, 그리고 선박의 길이를 나타낸다.
수상선의 저항특성은 프루드 수에 크게 영향을 받기 때문에 조선공학에서는 선박의 속도영역을 프루드 수의 크기에 따라 저속, 중속, 고속, 초고속으로 분류한다. 대략 저속은 프루드 수가 0.16 이하, 중속은 0.16 ~ 0.20, 고속은 0.2 ~ 0.35, 초고속은 0.35 이상이 된다.
오늘날 세계교역을 위한 상선들의 형태를 선속에 따라 살펴보면 크게 세 가지 부류로 구분됨을 알 수 있다.
첫째는 살물선(bulk carrier)이나 유조선(tanker)과 같은 저속비대선(full slow-speed ship)으로서 프루드 수가 0.16 이하인 선박 부류이고,
둘째는 LNG 운반선(LNG carrier)과 같이 프루드 수가 0.16 ~ 0.20 인 선박 부류이며,
셋째는 컨테이너 운반선(container carrier)이나 자동차 운반선(ro-ro ship; car carrier)과 같은 고속세장선(fine higher-speed ship)으로 프루드 수가 0.20 ~ 0.35인 선박 부류이다. 이와 같이 컨테이너 운반선은 속도영역으로 볼 때 상선 중에서 고속영역에 속하는 선박 부류이다.
선박의 운항속도를 크게 증가시키기 위하여 오래전부터 많은 조선공학자들이 지대한 노력을 경주해 오고 있으나 전통적인 배수량형 선형에 있어서는 선속이 증가함에 따라 조파저항이 급격히 증가하므로 배수량형 선박의 선속을 증가시키기 위해서는 선형을 아주 날씬하게 하여 조파저항의 급격한 증가를 방지하여야 한다.
이에 따라, 컨테이너 운반선과 같은 고속세장선의 경우에는 살물선이나 유조선과 같은 저속비대선과 비교할 때 선체의 폭에 비하여 길이가 길게 되어있을 뿐만 아니라 저속비대선의 경우에 비해 고속세장선은 물속에 들어가는 선수선형 형상이 날씬하게 되어있다. 그러나 갑판은 계류장비나 거주설비의 설치 등으로 일정면적이 요구되므로, 종래 저속비대선과 고속세장선의 선수부 횡단면 형상을 비교하여 보인 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 상하에 걸쳐 완만한 변화를 보이는 저속비대선의 선수부 횡단면 형상(도 1의 (a))과 달리 고속세장선의 선수부 횡단면 형상(도 1의 (b))은 상하에 걸쳐 급격한 변화를 보이게 된다.
파랑 중 선박은 종동요(pitch)나 상하동요(heave)와 같은 상하방향 운동을 지속적으로 하게 되는데 특히 컨테이너 운반선과 같은 고속세장선에서는 선수에서 심한 종동요 현상이 발생하고 때로는 선체 바닥과 해수면이 심하게 충돌하는 슬래밍(slamming) 현상이 발생한다. 이러한 종동요 현상은 선원들을 불쾌하게 만들 뿐만 아니라 심할 경우 선체와 화물에 파손을 가져오기도 하고 슬래밍 현상이 발생하는 경우 선체가 찢어지는 현상을 유발하기도 한다.
따라서 고속상선의 경우 종동요 현상과 슬래밍 현상으로 인하여 선형설계, 특히 선수선형 설계 시 선체의 저항 성능 특성을 희생하면서 절충된 선형을 택하는 경우가 많이 있고 두꺼운 철판이나 특수구조물로 선수의 구조강도를 보강하는 경우도 있다.
따라서, 본 발명은 컨테이너 운반선과 같은 고속세장선에서 선박의 운항 중 종종 발생하는 종동요나 상하동요 등 선박의 상하방향 운동을 대폭 감소시키고 이로 인해 동일 소요 마력에서 얻을 수 있는 선박 속도를 향상시키고, 동일 선속에서의 소요 마력을 감소시키는 고속세장선을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 종동요나 상하동요 등 선박의 상하방향 운동을 대폭 감소시킴으로써 운항중 발생하는 화물(특히 컨테이너) 및 선체의 파손을 방지하고, 이러한 선체 파손의 방지를 위해 설계 및 투입되는 자재가 불필요하도록 함으로써 선박 제조 비용을 절감할 수 있는 고속세장선을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 프루드 수가 0.20 ~ 0.35인 고속세장선의 선체 선수부 바닥에 수중익이 설치되어, 선체가 수중에서 진행하는 도중에 종동요, 상하동요 등 상하방향 운동이 발생할 때에 상기 수중익이 선체의 운동방향에 반대되는 양력을 발생시켜 선체의 상하방향 운동을 감소시키도록 되는 종동요 저감형 고속세장선이 제공된다.
또한, 선체 선미부 바닥에 수중익이 추가적으로 설치되는 종동요 저감형 고속세장선이 제공된다.
또한, 상기 수중익 중 적어도 하나는 받음각과 캠버각이 없는 종동요 저감형 고속세장선이 제공된다.
또한, 선체의 측면에 일단이 고정되고 수중익의 상면에 타단이 고정되는 수중익 지지 기둥을 구비하는 종동요 저감형 고속세장선이 제공된다.
또한, 상기 수중익의 양단에는 단부 막음판이 설치되어 수중익의 양력 발생 효율을 향상시키는 종동요 저감형 고속세장선이 제공된다.
또한, 상기 수중익의 양단에는 상측으로 꺽어진 굴곡부가 형성되어 수중익의 양력 발생 효율을 향상시키는 종동요 저감형 고속세장선이 제공된다.
본 발명에 따르면 컨테이너 운반선과 같은 고속세장선에서 선박의 운항 중 종종 발생하는 종동요나 상하동요 등 선박의 상하방향 운동이 대폭 감소되고 이로 인해 동일 소요 마력에서 얻을 수 있는 선박 속도가 향상되며, 동일 선속에서의 소요 마력이 감소되는 효과가 있다.
종동요나 상하동요 등 선박의 상하방향 운동이 대폭 감소됨으로써 운항중에 때때로 발생하는 화물(특히 컨테이너)의 적제 이탈 및 상호 출돌에 의한 파손을 방지하는 효과가 있다. 또한 슬래밍 현상 등의 발생으로 인한 선체의 파손 방지를 위한 보강 설계 및 이를 위한 구조 강도용 자재가 불필요하게 되어 고속세장선의 제조 비용이 절감되는 효과도 있다.
도 1은 종래 저속비대선과 고속세장선의 선수부 횡단면 형상을 각각 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2a, b, c는 각각 본 발명의 일실시예에 따른 고속세장선의 측면, 선수부 횡단면, 선미부 횡단면 형상을 개략적으로 보이는 도면이다.
도 3은 선체 상승시 수중익에 대한 해수의 상대 속도와 수중익의 양력의 관계를 보이는 도면이다.
도 4는 선체 하강시 수중익에 대한 해수의 상대 운동과 수중익의 양력의 관계를 보이는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고속세장선에 수중익 지지 기둥이 설치된 것을 개략적으로 보이는 도면이다.
도 6a, b는 본 발명의 다른 실시예에 적용되는 수중익의 사시도 및 정면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 적용되는 수중익의 정면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다.
각각 본 발명의 일실시예에 따른 고속세장선의 측면, 선수부 횡단면, 선미부 횡단면 형상을 개략적으로 도시하고 있는 도 2a, b, c에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 고속세장선은 선체(10)의 선수부(11) 바닥과 선미부(12)의 바닥에 수중익(20, 30)이 각각 설치된다. 수중익(20, 30)이 설치되는 위치에 따라 선수부(11) 바닥에 설치되는 수중익(20)을 선수수중익, 선미부(12) 바닥에 설치되는 수중익(30)을 선미수중익이라 칭할 수 있다.
선체(10) 상승시 수중익(20, 30)에 대한 해수의 상대 속도와 수중익(20, 30)의 양력의 관계를 도시한 도 3과, 선체(10) 하강시 수중익(20, 30)에 대한 해수의 상대 속도와 수중익(20, 30)의 양력의 관계를 도시한 도 4를 참조하여 수중익(20, 30)이 선체(10)의 상하방향 운동을 감소시키는 원리를 설명한다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 수중익(20, 30)에 받음각과 캠버값이 없다면 선체(10)가 상하방향 운동없이 수평으로 진행할 때 수중익(20, 30)은 양력을 발생시키지 않아 선체의 상하방향 운동에 어떠한 영향도 주지 않게 되며, 선체(10)가 진행하면서 상하방향 운동을 하는 경우에는 양력을 발생시켜 선체의 상하방향 운동에 영향을 주게 된다. 또한, 선체(10)가 상승하든 하강하든 그러한 운동을 감소시키는 양력은 동일하게 작용하는 효과도 있다. 선체(10) 상승시 수중익(20, 30)이 발생시키는 선체(10) 하방으로의 양력의 크기와 선체(10) 하강시 수중익(20, 30)이 발생시키는 선체(10) 상방으로의 양력의 크기가 동일하게 되고, 이에 의해 선체의 상방향 운동 및 하방향 운동을 가장 효과적으로 감소시킬 수 있다.
선체(10) 상승시 수중익(20, 30)에 대한 해수의 상대 속도와 수중익(20, 30)의 양력의 관계를 도시한 도 3에서, V, Vx, Vz는 선체(10)의 운동에 의해 선체(10)의 일부인 수중익(20, 30)이 고정되었다고 가정할 때 체감하게 되는 해수 속도, 즉 해수의 상대속도에 관련되는 것이다. 이중에서 Vx 는 선체(10)의 수평방향 진행속도에 대응하는 해수 상대속도의 수평 성분이고, Vz는 선체의 상승속도에 대응하는 해수 상대속도의 수직(상하방향) 성분이다. 이 두 성분을 벡터적으로 합성한 V가 수중익(20, 30)이 체감하는 최종적인 해수의 상대속도이며 방향은 좌하향을 향하게 된다. 이렇게 되면 수중익(20, 30)은 도 3과 같이 우하향의 양력(Fdown)를 발생시키게 되면서 그 수직 성분은 수중익(20, 30)과 일체로 된 선체(10)의 상승 운동을 억제하게 되고 그 수평 성분은 선체(10)를 앞으로 추진시키는 추력으로 작용하게 된다.
선체(10) 하강시 수중익(20, 30)에 대한 해수의 상대 속도와 수중익(20, 30)의 양력의 관계를 도시한 도 4에서도, V, Vx, Vz는 선체(10)의 운동에 의해 선체(10)의 일부인 수중익(20, 30)이 고정되었다고 가정할 때 체감하게 되는 해수 속도, 즉 해수의 상대속도에 관련되는 것이다. 이중에서 Vx 는 선체(10)의 수평방향 진행속도에 대응하는 해수 상대속도의 수평 성분이고, Vz는 선체의 하강속도에 대응하는 해수 상대속도의 수직(상하방향) 성분이다. 이 두 성분을 벡터적으로 합성한 V가 수중익(20, 30)이 체감하는 최종적인 해수의 상대속도이며 방향은 좌상향을 향하게 된다. 이렇게 되면 수중익(20, 30)은 도 3과 같이 우상향의 양력(Fup)를 발생시키게 되면서 그 수직 성분은 수중익(20, 30)과 일체로 된 선체(10)의 하강 운동을 억제하게 되고 그 수평 성분은 선체(10)를 앞으로 추진시키는 추력으로 작용하게 된다.
결과적으로, 선체(10)가 상승할 때는 우하향의 양력(Fdown)에 의해 선체(10)의 상승이 억제되고, 선체(10)가 하강할 때는 우상향의 양력(Fup)에 의해 선체(10)의 하강이 억제되게 되어 선체(10)의 종동요, 상하동요와 같은 상하방향 운동이 크게 감소되게 될 뿐만 아니라 수중익(20, 30)이 발생시키는 양력의 수평 성분은 선체(10)를 앞으로 추진시키는 추력으로 작용하여 선속이 증가하는 효과를 낳게 된다.
상기한 원리에서 알 수 있듯이 선수부(11)에만 수중익(20)이 설치되더라도 선수부(11)의 상하방향 운동이 억제되는 효과가 있다. 그런데, 선미부(11)에까지 수중익(30)이 설치된 경우에는 선체(10)의 상하방향 운동 억제에 더욱 효과적이다. 이에 대해 설명한다.
선체(10)가 상하방향 운동을 할 때 선체(10)의 선수부(11)와 선미부(12)는 반대 방향으로 상하방향 운동을 하게 됨이 보통이다. 즉 선수부(11)가 상승하면 선미부(12)는 하강하여 결과적으로 도 2a의 수평상태를 기준으로 소정 각도 반시계 방향 회전하고, 선수부(11)가 하강하면 선미부(12)는 상승하여 결과적으로 도 2a의 수평상태를 기준으로 소정 각도 시계방향 회전하게 되는 것이다. 선수부(11)가 상승하고 선미부(12)는 하강하는 경우, 즉 도 2a의 수평상태를 기준으로 반시계 방향으로 회전하는 경우를 예로 들면, 선수부(11)가 상승하게 되면 도 3에 도시된 바와 같은 원리에 선수부(11)에는 우하향의 양력(Fdown)이 작용하게 된다. 또한 선미부(12)는 하강하므로 도 4에 도시된 바와 같은 원리에 의해 선미부(12)에는 우상향의 양력(Fup)이 작용하게 된다. 이와 같은 두 양력(Fdown, Fup)은 결국 도 2a의 수평상태를 기준으로 시계방향 회전이 억제되도록 선수부(11)와 선미부(12)에 각각 작용하게 되는 것이고, 선수부(11)에만 수중익(20)이 있는 경우에 비해 선체(10)의 상하방향 운동을 더욱 효과적으로 억제할 수 있다.
수중익(20, 30)이 설치되는 위치는 선수부(11)와 선미부(12)의 바닥이다. 이와 같이 구성하는 이유는 선체(10)가 상하방향 운동을 할 때 수중익(20, 30)이 노출되어 역할을 하지 못하는 일이 없도록 하기 위한 것이며, 아래쪽에 위치할수록 좋을 것이나 반드시 선체(10)의 저면에 설치된다는 의미로 해석되어서는 아니될 것이다.
수중익(20, 30)을 설치 고정함에 있어서 구조 강도를 향상시키기 위해, 도 5에 선수부(11)의 수중익(20)과 관련하여 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 의한 고속세장선은 선체(10)의 측면에 일단이 고정되고 수중익(20, 30)의 상면에 타단이 고정되는 수중익 지지 기둥(40)을 구비한다.
수중익(20, 30)의 양력 발생 효율을 향상시키기 위하여 수중익(20, 30)에 부가물을 설치하거나 수중익(20, 30)을 변형하는 것이 가능할 것이다. 예를 들면, 도 6a, 6b에 도시된 바와 같이, 수중익(20, 30)의 양단에 단부 막음판(50)이 설치되어 수중익의 양력 발생 효율을 향상시키는 것이 가능할 것이다. 또는 도 7에 도시된 바와 같이, 수중익(20, 30)의 양단에는 상측으로 꺽어진 굴곡부(25, 35)가 형성되어 수중익의 양력 발생 효율을 향상시키는 것도 가능할 것이다.
본 발명의 다양한 실시예들에 의해서, 고속세장선 선체(10)의 상하방향 운동이 억제됨은 상술한 바와 같은데, 상하방향 운동은 선체(10)의 원활한 운항을 방해하는 요소이므로 상하방향 운동이 억제됨으로써 당연히 동일 소요 마력에서 얻을 수 있는 선박 속도가 향상되며, 동일 선속에서의 소요 마력이 감소되는 효과가 있다.
또한, 도 3의 우하향하는 양력(Fdown)과 도 4의 우상향하는 양력(Fup)에는 선체 상하방향 성분 외에 선체 진행방향 성분도 존재함을 볼 수 있으며, 이로 인한 연료절감도 기대할 수 있다. 즉, 상하방향 운동이 발생하는 경우 이를 억제할 뿐만 아니라 그 때에 발생되는 수중익의 양력의 일부 성분으로 고속세장선 선박의 추력을 보완하기까지 하게 되는 것이다.
또한, 종동요나 상하동요 등 선박의 상하방향 운동이 대폭 감소됨으로써 운항중에 때때로 발생하는 화물(특히 컨테이너)의 적제 이탈 및 상호 출돌에 의한 파손을 방지하는 효과가 있을 것임은 당연하고, 또한 슬래밍 현상 등의 발생으로 인한 선체의 파손 방지를 위한 보강 설계 및 이를 위한 구조 강도용 자재가 불필요하게 되어 고속세장선의 제조 비용이 절감되는 효과도 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부도면을 참조하여 설명하였지만, 당해 기술 분야에 숙련된 사람은 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 선체 11: 선수부 12: 선미부
20, 30: 수중익 25, 35: 굴곡부 40: 지지 기둥
50: 단부 막음판

Claims (6)

  1. 프루드 수가 0.20 ~ 0.35인 고속세장선의 선체 선수부 바닥에 수중익이 설치되어, 선체가 수중에서 진행하는 도중에 종동요, 상하동요 등 상하방향 운동이 발생할 때에 상기 수중익이 선체의 운동방향에 반대되는 양력을 발생시켜 선체의 상하방향 운동을 감소시키도록 되는,
    종동요 저감형 고속세장선.
  2. 청구항 1에 있어서,
    선체 선미부 바닥에 수중익이 추가적으로 설치되는,
    종동요 저감형 고속세장선.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 수중익은 받음각과 캠버가 없는,
    종동요 저감형 고속세장선.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    선체의 측면에 일단이 고정되고 수중익의 상면에 타단이 고정되는 수중익 지지 기둥을 구비하는,
    종동요 저감형 고속세장선.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 수중익의 양단에는 단부 막음판이 설치되어 수중익의 양력 발생 효율을 향상시키는,
    종동요 저감형 고속세장선.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 수중익의 양단에는 상측으로 꺽어진 굴곡부가 형성되어 수중익의 양력 발생 효율을 향상시키는,
    종동요 저감형 고속세장선.
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