KR20180042069A - 쌍축선의 에너지 절감을 위한 유동 제어 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 쌍축선의 선미 두 개의 스케그 사이 영역에 수중날개가 부착된 쌍축선의 에너지 절감을 위한 유동 제어 장치로서, 상기 수중날개는, 선박의 길이 방향으로는 1스테이션 내지 2스테이션 사이에 위치하며, 선박의 높이 방향으로는 선저로부터 설계흘수의 30% 내지 60% 사이에 위치하며, 설계흘수에 대해 -5도 내지 -10도 사이의 각도로 경사지는 것을 특징으로 하는, 쌍축선의 에너지 절감을 위한 유동 제어 장치를 제공한다. 본 발명에 따르면, 쌍축선의 선미 두 개의 스케그 사이 영역에 발생하는 급격한 압력 저하 현상을 개선하여 저항 증가분을 감소시키고, 추진기로 유입되는 유동을 개선하여 추진기에 의한 진동 소음을 감소시킬 수 있다.

Description

쌍축선의 에너지 절감을 위한 유동 제어 장치{energy saving device for twin skeg ship using hydrofoil}

본 발명은 쌍축선의 에너지 절감을 위한 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.

이와 관련하여, 종래의 기술에 따르면 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.

특히, 쌍축선의 경우 선미 두 개의 스케그 사이 영역에 급격한 압력 저하 현상이 나타나는 특성이 있으며, 이러한 압력 저하가 선박의 저항성능에 부정적인 영향(특히 점성압력항력 증가)을 미치는 요인으로 작용하는데, 종래에는 이러한 문제를 해결할 만한 에너지 절감 기술이 없다.

쌍축선 선형 설계 장치 및 방법(특허공개 제10-2011-0043836호)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 쌍축선의 선미 두 개의 스케그 사이 영역에 수중날개를 부착하여 급격한 압력 저하 현상을 개선하고 이를 통해 저항 증가분을 감소시키는, 쌍축선의 에너지 절감을 위한 유동 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 쌍축선의 선미 두 개의 스케그 사이 영역에 수중날개가 부착된 쌍축선의 에너지 절감을 위한 유동 제어 장치로서, 상기 수중날개는, 선박의 길이 방향으로는 1스테이션 내지 2스테이션 사이에 위치하며, 선박의 높이 방향으로는 선저로부터 설계흘수의 30% 내지 60% 사이에 위치하며, 설계흘수에 대해 -5도 내지 -10도 사이의 각도로 경사지는 것을 특징으로 하는, 쌍축선의 에너지 절감을 위한 유동 제어 장치를 제공한다.

상기 수중날개의 단면은 상하대칭 혹은 비대칭 단면을 모두 적용한다.

상기 수중날개의 스팬 방향 길이는 양 쪽 두 개의 스케그와 맞닿는 길이이다.

상기 수중날개의 코드 길이는 선폭의 10% 내외이다.

상기 수중날개의 몸체를 선박의 길이 방향으로 3개로 분할하되, 상기 수중날개의 앞날에서부터 코드 길이의 5% 내지 15% 사이의 위치에 코드 길이의 0.5% 내지 1.5% 정도의 제1 간격을 두고, 앞날에서부터 코드 길이의 35% 내지 45% 사이의 위치에 코드 길이의 1% 내지 1.5% 정도의 제2 간격을 둔다.

상기 수중날개의 각도는 3개로 분할된 부분이 각각 구동하거나 동시에 일정 각도로 움직이게 한다.

상기 수중날개에 제어 장치를 추가하되, 상기 제어 장치는, 상기 수중날개에 걸리는 저항 값을 계측하는 계측기를 선체 내에 두며, 상기 계측기에 의해 계측된 상기 저항 값이 최소가 되도록 상기 수중날개의 각도를 변경시킨다.

본 발명에 따르면, 쌍축선의 선미 두 개의 스케그 사이 영역에 발생하는 급격한 압력 저하 현상을 개선하여 저항 증가분을 감소시키고, 추진기로 유입되는 유동을 개선하여 추진기에 의한 진동 소음을 감소시킬 수 있다.

도 1은 수중날개가 쌍축선의 선미에 부착된 모습이다.
도 2는 수중날개가 설치되지 않은 베어 헐(bare hull)의 압력분포와 유선흐름이다.
도 3은 수중날개가 설계흘수에 대해 0도 각도로 설치된 선박의 압력분포와 유선흐름이다.
도 4는 수중날개가 설계흘수에 대해 5도 각도로 설치된 선박의 압력분포와 유선흐름이다.
도 5는 수중날개가 설계흘수에 대해 -5도 각도로 설치된 선박의 압력분포와 유선흐름이다.
도 6은 수중날개 설치로 인한 유효마력 개선 효과를 보여주는 그래프이다.
도 7은 수중날개 설치 유무에 따라 추진기로 유입되는 유체의 속도를 비교한 것이다.
도 8은 수중날개의 몸체를 3개로 분할한 형태를 보여준다.
도 9는 받음각이 26도일 때 날개 주변의 유선분포를 보여준다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

쌍축선(1)의 경우 선미 두 개의 스케그(skeg)(2) 사이 영역에 급격한 압력 저하 현상이 나타나는 특성이 있으며, 이러한 압력 저하가 선박의 저항성능에 부정적인 영향(특히 점성압력항력 증가)을 미치는 요인으로 작용하는데, 종래에는 이러한 문제를 해결할 만한 에너지 절감 기술이 없다.

본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해 도출된 것이다.

본 발명에 따르면, 쌍축선(1)의 선미 두 개의 스케그(2) 사이 영역에 발생하는 급격한 압력 저하 구간을 완화하기 위하여, 도 1과 같이 수중날개(hydrofoil)(3)를 부착한다.

수중날개(3)는 선박의 길이 방향으로는 1스테이션 내지 2스테이션 사이에, 선박의 높이 방향으로는 선저로부터 설계흘수의 30% 내지 60% 사이에 위치한다.

수중날개(3)는 유선의 흐름을 고려하여 설계흘수에 대해 -5도 내지 -10도 사이의 각도로 경사진다.

수중날개(3)의 단면은 상하대칭 혹은 비대칭 단면을 모두 적용할 수 있다.

수중날개(3)의 스팬 방향 길이는 양 쪽 두 개의 스케그(2)와 맞닿는 길이이다.

수중날개(3)의 코드 길이는 선폭의 10% 내외이다.

수중날개(3)의 상부는 선저의 압력 저하로 인한 저항 증가분을 감소시키는 역할을 하며, 하부는 추진기로 유입되는 유동을 개선하는 역할을 한다.

도 2는 수중날개(3)가 설치되지 않은 베어 헐(bare hull)의 압력분포와 유선흐름이며, 도 3은 수중날개(3)가 설계흘수에 대해 0도 각도로 설치된 선박의 압력분포와 유선흐름이다.

도 4는 수중날개(3)가 설계흘수에 대해 5도 각도로 설치된 선박의 압력분포와 유선흐름이며, 도 5는 수중날개(3)가 설계흘수에 대해 -5도 각도로 설치된 선박의 압력분포와 유선흐름이다.

도 4와 같이 설계흘수에 대해 5도 각도로 설치된 수중날개(3)도 선저 압력분포를 개선시키는 것으로 보이나 수중날개(3) 주변 유선흐름의 교란이 심하게 발생하여 자체의 저항 증가분이 더 큰 것을 확인할 수 있다.

따라서 도 5와 같이 유선흐름을 고려한 설계를 통하여 바람직한 저항성능 개선의 효과를 얻는 것이 바람직하다.

도 6을 참고하면, 수중날개(3) 설치로 인하여 유효마력이 약 5% 정도 개선되었음을 알 수 있다.

도 7은 수중날개(3) 설치 유무에 따라 추진기로 유입되는 유체의 속도를 비교한 것인데, 수중날개(3)를 설치하는 경우 저항 감소의 효과로 인해 추진기로 유입되는 유체의 속도가 빨라진 것을 확인할 수 있다.

한편, 화물이 실려 있는 정도나 해상 상태에 따라 달라지는 선박의 항주 자세는 수중날개(3)의 받음각에도 영향을 주게 되며, 그것은 저항의 증감에 영향을 주게 된다.

즉, 수중날개(3)는 받음각이 커짐에 따라 실속이 발생하거나, 실속 발생 전 날개 후면의 유동박리에 의해 성능 효율이 매우 낮아질 수 있다.

따라서 수중날개(3)의 경우 날개 단면의 형상 변경을 통해 높은 받음각에서도 실속 현상이나 유동박리가 크게 발생하지 않도록 하는 것이 필요하다.

이를 위해, 본 발명에서는 수중날개(3)의 몸체를 선박의 길이 방향으로 3개로 분할한다(도 8).

보다 구체적으로는, 수중날개(3)의 앞날에서부터 코드 길이의 5% 내지 15% 사이의 위치에 코드 길이의 0.5% 내지 1.5% 정도의 제1 간격(A)을 두고, 앞날에서부터 코드 길이의 35% 내지 45% 사이의 위치에 코드 길이의 1% 내지 1.5% 정도의 제2 간격(B)을 둔다.

수중날개(3)를 2개로 분할하는 방법도 고려해 볼 수 있으나, 날개를 2개로 분할하는 경우에는 받음각이 24도 이상에서 유동박리가 발생하지만 3개로 분할하는 경우에는 유동박리가 발생하지 않으므로, 본 발명에서는 수중날개(3)를 3개로 분할하는 방법을 채택하였다.

상기와 관련하여, 도 9는 받음각이 26도일 때 날개 주변의 유선분포를 보여준다.

도 9에서 (a)는 날개를 분할하지 않은 경우, (b)는 날개를 2개로 분할한 경우, (c)는 날개를 3개로 분할한 경우를 보여준다.

도 9에서 볼 수 있듯이, (a)와 (b)에서는 날개의 앞날에서부터 유동박리가 발생하여 날개의 윗면 전체가 재순환 영역이 되는 반면, (c)에서는 유동박리가 거의 발생하지 않는다.

(a)에서는 받음각이 15도부터 유동박리가 발생하여 20도 이상이 되면 날개의 윗면 전체로 확대되는데, 이러한 현상이 발생하는 받음각이 (b)에서는 24도 이상, (c)에서는 28도 이상이 된다.

이처럼 유동박리가 발생하면 급격하게 양력이 감소하고 항력이 증가하게 되는데, 날개의 분할로 인해 이러한 실속각을 더 늦추고 날개의 효율을 증가시킬 수 있다.

한편, 수중날개(3)의 각도는 3개로 분할된 부분이 각각 구동하거나 동시에 일정 각도로 움직이게 할 수도 있다.

또한, 수중날개(3)에 제어 장치를 추가하여 선박의 자세와 해상 상태에 따라 수중날개(3)의 각도를 자동으로 조절하도록 시스템을 구성할 수도 있다.

상기 제어 장치는, 예를 들면, 수중날개(3)에 걸리는 저항 값을 계측하는 계측기를 선체 내에 두고, 상기 저항 값이 최소가 되도록 수중날개(3)의 각도를 변경하는 방식으로 구현될 수 있으며, 이를 통하여 제어 장치가 최적의 각도를 조절하여 저항 성능의 개선 효과를 얻을 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.

1 : 쌍축선
2 : 스케그
3 : 수중날개

Claims (7)

1. 쌍축선(1)의 선미 두 개의 스케그(2) 사이 영역에 수중날개(3)가 부착된 쌍축선의 에너지 절감을 위한 유동 제어 장치로서,
   상기 수중날개(3)는,
   선박의 길이 방향으로는 1스테이션 내지 2스테이션 사이에 위치하며,
   선박의 높이 방향으로는 선저로부터 설계흘수의 30% 내지 60% 사이에 위치하며,
   설계흘수에 대해 -5도 내지 -10도 사이의 각도로 경사지는 것을 특징으로 하는, 쌍축선의 에너지 절감을 위한 유동 제어 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 수중날개(3)의 단면은 상하대칭 혹은 비대칭 단면을 모두 적용하는 것을 특징으로 하는, 쌍축선의 에너지 절감을 위한 유동 제어 장치.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 수중날개(3)의 스팬 방향 길이는 양 쪽 두 개의 스케그(2)와 맞닿는 길이인 것을 특징으로 하는, 쌍축선의 에너지 절감을 위한 유동 제어 장치.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 수중날개(3)의 코드 길이는 선폭의 10% 내외인 것을 특징으로 하는, 쌍축선의 에너지 절감을 위한 유동 제어 장치.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 수중날개(3)의 몸체를 선박의 길이 방향으로 3개로 분할하되,
   상기 수중날개(3)의 앞날에서부터 코드 길이의 5% 내지 15% 사이의 위치에 코드 길이의 0.5% 내지 1.5% 정도의 제1 간격(A)을 두고, 앞날에서부터 코드 길이의 35% 내지 45% 사이의 위치에 코드 길이의 1% 내지 1.5% 정도의 제2 간격(B)을 두는 것을 특징으로 하는, 쌍축선의 에너지 절감을 위한 유동 제어 장치.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 수중날개(3)의 각도는 3개로 분할된 부분이 각각 구동하거나 동시에 일정 각도로 움직이게 하는 것을 특징으로 하는, 쌍축선의 에너지 절감을 위한 유동 제어 장치.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 수중날개(3)에 제어 장치를 추가하되,
   상기 제어 장치는,
   상기 수중날개(3)에 걸리는 저항 값을 계측하는 계측기를 선체 내에 두며,
   상기 계측기에 의해 계측된 상기 저항 값이 최소가 되도록 상기 수중날개(3)의 각도를 변경시키는 것을 특징으로 하는, 쌍축선의 에너지 절감을 위한 유동 제어 장치.

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