KR20190079552A - 최소 선수 파도 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선박이 전진하기 위해 움직여야 하는 물의 양을 상당히 감소시키는 방법을 제공한다. 이것은 선박의 선원 바로 앞에 있는 높은 압력 구역에서 매우 많은 양의 물을 지속적으로 흡입하여 선박의 선미 후방의 낮은 압력 구역으로 옮기는 방법으로 성취될 수 있다. 결과는 선수 파도들의 훨씬 감소된 형성, 선체 난기류 감소, 소용돌이들의 형성 감소, 에너지 흡수 항력 감소를 의미한다. 또한 프로펠러 효율이 향상된다. 위의 모든 사항이 함께 하면 상당한 연료 절감 효과가 있다.

Description

최소 선수 파도 시스템{Minimal bow wave system}

본 발명은 기존의 선박들이 개조되거나 또는 신규 선박들에 내장된 최소 선수 파도 시스템에 관한 것이다.

본 발명의 목적은 선박으로부터 에너지를 소모시키는 대형 선수 파도(large bow wave)의 형성을 감소시키고, 오염뿐만 아니라 연료 소모를 감소시키는 방법을 찾는 것이다.

원유 가격이 몇년전 U.S. 50.00/bbl의 심리적 장벽을 넘어섰기 때문에, 선박 소유자들은 선박 운영 비용을 줄이기 위한 방법을 찾기 위해 재빨리 움직였다.

그들중 대부분은 '규모의 경제'를 선택했고 가장 큰 선박들은 너무 커서 그들을 작동시키기 위한 필요한 엔진들은 100,000 hp를 초과했고, 최대 전력으로 작동할 때 시간당 16톤의 화석 연료를 태울 수 있다. 이러한 선박들은 완전히 적재(load)된 경우 경제적으로 작동하지만 부분적으로만 적재되는 경우 역효과가 발생한다.

또 다른 방법은 '둥글 납작한 선수들(bulbous bows)'로 선박을 만드는 것이다. 그들은 상당한 연료 절감 효과를 얻을 수 있지만 '속도에 특정한(speed specific)' 그리고 '적재에 특정한(load specific)' 것들이다.

다른 선박 소유자는 '감속운항(slow steaming)'에 의지했지만 이 전략은 부정적 법적 영향을 내포한다.

큰 드래프트(draft)와 무딘 선수(bow)를 갖는 선체는 물을 통과하기 위해 물을 매우 빨리 밀어내야 한다. 물이 이동될 때 이 높은 가속도는 많은 양의 에너지를 필요로 한다.

선수(bow)가 흔들림에 따라 '스웰(swell)'이 포트(port)로 그리고 우현(starboard)으로 나가기 전에 선수 전방의 물의 '스웰'의 유체 정압이 추가되는 선수의 앞에서 매우 높은 압력 구역이 형성된다. 선수 파도들은 차례로, 선박의 운동 에너지를 희생하면서 선체 상에 끌리는 난류를 생성하도록 선박의 선체와 충돌하는, 결국 사라져 버리는 발산 파도들로 그리고 수렴 파도들로 빠져들게 된다.

선체가 앞으로 나아갈 때 낮은 압력 구역이 동시에 생성되어, 물속의 공간이 비워진다.

선미 파도가 이 낮은 압력 지역으로 돌진하여 선미 뒤쪽과 프로펠러 앞쪽의 '예비-소용돌이(pre-swirl)' 영역에서 난기류를 일으킨다. 이것은 프로펠러 효율을 감소시키고 또한 공동현상(cavitation)의 위험을 초래한다.

지금까지, 상기 문제 중 일부를 해결한 유일한 발명은 "둥글납작한 선수"이다. 이것은 많은 대형 선박에 의해 채택되었으며 최적 조건하에서 최대 12%의 연료 절감이 달성되었다. 그러나, 디자인은 '속도에 특정한' 그리고 '적재에 특정한' 것이다. 더 느린 속도와 감소된 적재(드래프트)에서는 이점들이 최소화된다. 승무원들은 크고 무거운 둥글고 납작한 선수가 사나운 날씨에 파도를 타는 선박의 능력을 떨어뜨릴 것이고 특히 선박이 완전히 적재되었을 때 파운더링(foundering)의 위험이 여전히 존재할 것이라고 걱정하고 있다.

본 발명은 기존의 선박들이 개조되거나 또는 신규 선박들에 내장된 최소 선수 파도 시스템을 제공한다.

구조물은 이중 선체 구역 내에 내장된 4개 이상의 큰 관형 도관들로 선수로부터 선미까지 연장되어 있는 내장되거나 개조된 대형 화물선 용도를 포함한다. 도관들 또는 트렁킹(trunking)은 타원형 또는 정사각형 단면 또는 이들의 조합으로 되어 있어 사용 가능한 공간을 최대한 활용할 수 있다.

고용량 '대용량, 저압' 축류 펌프(A-F 펌프)가 각 도관에 설치된다. 펌프들은 화물창 정면의 빈 공간 또는 기타 편리한 위치에 설치될 수 있다. 모든 A-F 펌프들은 선수 전방의 구역에서 매우 많은 양의 물을 연속적으로 빨아 들이고 선미에서 물을 밀어내도록 설계되어 있다. 이것은 선박이 항해할 낮은 압력 구역을 만들 것이고, 배가 높은 압력의 물 벽을 통해 '강제로' 움직일 필요가 더 이상없을 것이다. 따라서, 선수 파도들이 최소화될 것이다.

펌프들로 들어가는 흡입 공급물은 그 위의 수압 헤드에 의해 가압된다. 수압 헤드는 프리모솔(plimsoll) 라인에 적재될 때 가장 큰 선박들에서 최대 20미터가 될 수 있다.

선박의 중간선을 따라 설치된 2개의 도관들은 가압수를 프로펠러 슈라우드에 직접 배수하여 예비 소용돌이 구역이 부드러운 유동 가압수를 갖도록하여 공동현상 위험을 줄여 프로펠러에 양성의 공급을 제공한다. 프로펠러는 더 나은 효율을 위해 물의 "양질의 물기(good solid bite)"를 얻을 수 있다.

프로펠러는 물을 채우고 프로펠러에 의해 강제로 밀어 넣은 모든 물을 담아서 채우는 종 모양의 슈라우드가 있다. 물은 옆으로 빠져 나갈 수 없으므로 프로펠러로부터 에너지를 받은 모든 물은 슈라우드의 노즐을 통해 큰 제트의 형태로 힘차게 배수되어 배를 앞으로 나아갈 수 있도록 한다.

선박에 6개의 축류 도관들이 설치되어 있는 경우, 중간 도관 No. 2와 5는 큰 물줄기를 선미 바로 뒤의 낮은 압력 구역으로 배수한다. 이것은 선체가 앞으로 나아갈 때 선체의 저압 수의 '흡입 효과 (sucking effect)'를 감소시켜 물속의 공간이 차지하는 공간을 비우는 역할을 한다.

도관 No. 3과 4는 프로펠러 슈라우드로 배수되어 프로펠러에게 최대 '물기(bite)'를 주고 최대의 프로펠러 효율을 유지한다.

선박에 8개의 축류 도관들이 설치된 경우, 중간 도관 No. 2, 3, 6 및 7은 선미 뒤의 낮은 압력 구역으로 물을 배수하여, 슬립 무빙 포워드(slip moving forward)에 의한 흡입력과 낮은 압력을 감소시킨다.

벌크선은 30미터에 부합하는 빔을 가질 정도로 매우 넓을 수 있다. 그러한 경우에, A-F 펌프의 설치를 위해 지정된 8개의 위치 각각에서, 각 위치는 평행하게 장착된 2개 이상의 A-F 펌프들의 세트의 피팅(fitting)을 위해 이용될 수 있다. A-F 펌프들의 각 세트는 공통 매니폴드로 배수되도록 배열될 수 있으므로, 수십 개의 파이프 도관들이 선박의 길이를 따라 설치될 필요가 없다. 이렇게 하면 무게와 비용이 절약된다.

대형 선박들은 장비 리프팅, 평형수(ballast) 조정, 앵커 설정 및 회수 등을 위한 보조 엔진이 있다. 이러한 기능들은 선박이 진행 중일 때 공회전 상태이므로, 전력이 A-F 펌프를 위해 사용될 수 있다. 필요한 경우, 추가 보조 엔진이 장착될 수 있다.

점성으로 인해, 물 경계층의 유속이 느려지고 선체 곡률이 높은 지역(특히 후미 구역)에서는 선미 반류(stern wake)로부터 난기류를 차단하고 후미 바디 빌지(aft-body bilge)의 소용돌이 형성을 차단하도록 움직이는 벽면(moving wall)을 흘려 보내도록 하고, 이로 인해 에너지 소모 항력을 줄인다.

선수 파도 형성 감소, 감소된 선체 항력, 감소된 소용돌이 형성, 감소된 공동현상, 감소된 프로펠러 슬립 및 가장 중요하게는 선박의 선수 전방 구역에서의 감소된 압력과 함께, 프로펠러 작동의 증가된 효율이 모든 감소된 에너지 손실이 더 작은 스로틀 설정들로 바뀌므로 향상된 연료 소비로 항해 속도를 유지할 수 있는 선박이 탄생한다. 감속 운항이 더 이상 선택 사항이 아니다.

최소한의 선수 파도 시스템은 '신축 선박들'에 사용할 수 있으며 기존 선박이 개조되어 적용될 수 있으므로, 비용을 절감할 수 있지만, 더 중요한 것은 지구 온난화 속도가 이전 추정치보다 훨씬 빠르기 때문에 많은 시간을 절약할 수 있다는 것이다.

도 1은 선박의 빌지 영역에서 도관 튜브들의 상대적 위치를 나타내는 선박의 측면도이다.(프로펠러 슈라우드는 표시되지 않음). 101은 선박의 선수에서 선미까지 연장되는 도관 튜브들을 보여준다. 102는 바다 표면을 향하여 더 구부러진 입구를 갖는 도관 튜브들의 깔때기 모양의 입구를 도시한다. 103은 도관 튜브의 입구로부터 짧은 거리에서 도관 튜브들 내에 위치된 A-F 펌프를 도시한다. 전기적으로 구동되는 A-F 펌프들은 화물창의 전방인, 선수에서 '크럼플 존(crumple zone)'에 위치될 수 있다. 104는 프로펠러 레벨에서 선박의 선미에서 도관 튜브의 테이퍼진 배수관을 보여준다. 105는 선박의 타를 도시한다. 106은 선박에 완전히 짐을 실었을 때의 수위-만재흘수선(plimsoll line)을 도시한다. 107은 선박의 뱃머리를 도시한다. 108은 선박의 프로펠러를 도시한다. 109는 선박의 주 엔진을 도시한다. 110은 축류 펌프들에 전력을 공급하는 보조 발전기 세트(필요한 경우)를 도시한다.
도 2는 프로펠러 레벨에서의 선박의 수평 단면도로서 선박의 선수에서 선미까지 연장된 8개의 도관 튜브들의 배치를 도시한다. 108은 단일 선박의 프로펠러를 도시한다. 202는 슈라우드 입구와 선체 사이의 환형 갭을 도시한다. 203은 프로펠러 슈라우드를 도시한다. 104는 프로펠러 쪽으로 기울어진 관형 도관의 배수 단부를 도시한다.(이것은 선박의 중앙선을 따라 2개의 도관 튜브들에만 적용됨). 204는 고압의 물을 뒤로 똑바로 배수하는 4개의 중간 도관 튜브들을 도시한다. 205는 배수 노즐들이 후미 소용돌이 형성을 막는 강력한 물 분사(jets)를 생성하도록 테이퍼 가공된 최외곽 도관(c.1, c.8.)을 도시한다.
도 3은 도관 튜브(101)를 도시하는 벌크 캐리어의 선수를 통한 수직 단면도이다. 선박의 폭에 따라 4개 이상의 도관 튜브들이 있을 수 있다.
도 3a는 도관 튜브(101)를 통과하는 수평 단면도이다. 축류 펌프 이후 짧은 거리에서 도관 튜브(101)는 평평한 상자형 트렁킹(trunking)(301)이 되고 이러한 형상을 선박의 선미까지 유지한다. 트렁킹의 평평한 모양은 도관 트렁킹의 설치로 인한 수직 공간 손실을 줄이도록 설계되었다.

먼저 도 1을 참조하면, 4개(또는 선박이 매우 넓은 경우 최대 8)의 도관 튜브들(101)이 대형 화물선의 빌지 영역에 내장된다.(오직 하나의 도관 튜브가 측면도에 도시되어 있다). 선수에서의 도관 튜브의 개구(102)는 깔때기 형이며 위쪽으로 경사져 있다. 강력한 축류 펌프(103)가 튜브의 입구로부터 짧은 거리에 설치된다. 축류 펌프들(103)이 작동할 때, 큰 체적의 물이 선수에서 개구(102)를 통해 도관 튜브(101)으로 흡입된다. 이것은 빌지 레벨에서 낮은 압력 구역을 만들고 정수압과 대기압에 의해 도움을 받아 물이 급격하게 흘러 들어간다.(드래프트(draft)가 20미터라면, 정수압은 28.1 ps일 것이다. 14.7 psi의 대기압이 가해지면, 총 압력은 42.8 psi일 것이다.)

따라서 매우 많은 양의 물이 선박 선수 전방 구역에서 연속적으로 흡입되어 선미 후방 구역으로 옮겨진다(쫓아내진다).

따라서 선박의 전방에서 연속적으로 생성되는 낮은 압력 구역은 선박을 물 밖으로 밀어내는 데 많은 양의 에너지를 소비하지 않고도 쉽게 항해할 수 있게 한다. 선수 파도는 최소일 것이고 선체 항력은 또한 최소일 것이다.

도 2는 프로펠러 레벨에서 선박의 수평 단면을 도시한다.(축적에 맞지 않음). 선박의 단일한 대형 프로펠러(108)는 종-입 모양(bell-mouthed)을 갖는 슈라우드(203)로 둘러싸여 도시된다. 전방(흡입) 단부에는 환형 갭(202)이 있다. 선박의 중간선과 나란히 있는 2개의 도관 튜브들(101-c.4, c.5)은 출구 단부(104)에서 테이퍼 가공되어 있다. 배수된 물의 흐름은 슈라우드(203)로 안내되고 슈라우드에 의해 안내되어 프로펠러(108)에 공급된다.

유출 파이프들(104)로부터의 급속하게 흐르는 물 제트(jets)는 후미-바디 구역으로부터 환상 갭(202)을 통해 쉬라우드 내로 물을 끌어들일 것이다. 이것은 프로펠러 효율을 높이고 동시에 공동현상의 위험을 줄이도록 물 흐름을 최대화하고 프로펠러(108)로의 물의 흐름을 부드럽게 할 것이다.

물은 프로펠러(108)에서 에너지를 흡수하고 에너지가 실린 물은 선박을 앞으로 추진한다. 슈라우드(203)는 에너지가 함유된 물이 반경 방향으로 버려지는 것을 막아준다.

선박이 앞으로 나아감에 따라, 물이 급하게 유입될 순간적인 공백이 뒤에 남을 것이다. 선미 후방의 이러한 낮은 압력 구역은 매우 격렬한 물을 가지고 있다. 대형 선박의 프로펠러(108)는 거품이 심하고 매우 격렬한 물을 빨아 들여야 한다. 물의 모든 거품이나 공기는 물이 완전히 에너지를 받고 추진력을 전달하기 전에 압축되어야 한다. 거기에는 공동현상의 위험이 있다.

중간 도관 튜브들(204)은 선박의 선미 후방의 낮은 압력 구역으로 많은 양의 물을 배수하고 프로펠러가 프로펠러의 효율을 극대화할 수 있도록 물의 '양질의 물기(good solid bite)'를 확보하도록 한다.

프로펠러 슈라우드(203)의 환형 갭(202)을 통해 (필요한 경우) 추가적인 물을 흡입할 수도 있다.

가장 바깥쪽의 도관 튜브들(c.1, c.8.)은 강력한 물 제트(205)를 제공하도록 테이퍼 가공되어 있고, 이에 따라 후미 바디 구역에서 소용돌이(와류) 형성을 막기 위해 똑바로 뒤로 젯팅한다. 이것은 또한 항력을 줄이는 데 도움이 된다.

선박의 보조 엔진은 선박이 진행 중일 때 미사용되어 A-F 펌프에 전력을 공급할 수 있다. 필요한 경우 보조 엔진을 추가로 설치할 수 있다.

도 3은 일반적인 대형 화물선의 수직 단면을 보여준다(축적에 맞지 않음). 301은 화물창이다. 302는 화물창(301) 아래의 평형수 탱크이다. 303은 도관 튜브의 전방 원형 단면 부분이다. 103은 도관 튜브의 원형 단면 부분에 위치한 축류 펌프이다. 304는 평형수 탱크들(302) 아래를 통과하여 선미에 이르는 도관 튜브의 평평한 직사각형 단면 부분이다. 도관 튜브들도 이중 바닥 사이의 공간에 배치될 수 있다. 도관 튜브들의 납작한 프로파일은 수직 공간을 덜 차지한다.

305는 뱃머리(107)와 전방 화물창(301) 사이의 뱃머리(107) 바로 뒤에 있는 빈 공간(crumple-zone)이다. 축류 펌프들(103) 및 보조 발전기(110)는 이 공간에 편리하게 배치될 수 있다.

도 3a는 도관 튜브(원형 단면)에 위치한 축류 펌프(103)를 도시한다. 303은 축류 펌프(103) 이후 흡입구에서 짧은 거리까지 연장되는 둥근 단면의 도관 튜브이다. 304는 선박의 선미까지 줄곧 연장된 도관 튜브의 평평하고 긴 직각 단면 부분이다. 평평한 프로파일은 수직 공간을 절약하도록 설계되어 있다.

Claims (11)

1. 선수 파도들(bow waves)의 형성을 줄이고, 선체 항력(hull drag)을 줄이며 공동현상(cavitation)을 줄이고 프로펠러 효율을 극대화함에 의해, 신축되거나 기존 선박이 연비 달성 목적을 위해 개조된, 벌크선(bulk carrier ship)을 포함하는, 바다 또는 하천 수로와 같은 수역에 위치한 구조물.
2. 제1항에 있어서,
   개조들은 선박중 선수 전방의 높은 압력 구역으로부터 선미 후방의 낮은 압력 구역까지 대량의 물을 연속적으로 전달하기 위해, 선수로부터 선미까지 연장된, 선박의 이중 바닥들 사이의 공간에 내장된 다수의 도관 튜브들을 갖는 벌크선을 구비함을 포함하고, 이러한 조치는 선박이 상대적으로 낮은 압력 구역으로 앞으로 이동할 수 있고, 상대적으로 작은 저항으로 인해 선수 파도들의 형성을 최소화하는, 구조물.
3. 제1항 및 제2항에 있어서,
   대량, 낮은 압력 축류 펌프가 각 도관 튜브의 흡입 단부로부터 짧은 거리에서 각 도관 튜브에 끼워지고, 축류 펌프들은 전기 모터들에 의해 구동되는, 방법.
4. 제1항, 제2항 및 제3항에 있어서,
   축류 펌프들 및 모터들은 선박의 선수와 전방 화물창 사이의, 선수의 바로 뒤에 있는 빈 공간에 설치되는, 방법.
5. 제1항, 제2항, 제3항 및 제4항에 있어서,
   축류 펌프들은 선박 선수의 전방인 높은 압력 구역으로부터 연속적으로 대량의 물을 흡입하고 도관 튜브들을 통해 물을 전달하며, 그리고 선박의 선미 후방인 낮은 압력 구역으로 물을 배수하는, 방법.
6. 제1항, 제2항, 제3항, 제4항 및 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   선박은 상대적으로 낮은 압력 구역으로 이동하고 대량의 물이 이미 배수되었기 때문에 물로부터의 저항이 감소되며 그리고 다수의 도관 튜브들을 통해 물을 전달하고 선박 선미의 후방인 낮은 압력 구역으로 물을 배수하도록 동작하는 다수의 축류 펌프들의 동작에 의해 선박의 바로 전방 구역으로부터 계속 배수되며, 실제로, 선박이 항해를 시작하기 전에, 축류 펌프가 먼저 예상되어 활성화되고 유사하게 개조되지 않은 다른 선박들보다 훨씬 작은 전력을 사용하여, 선박이 쉽게 항해할 수 있는 낮은 압력 구역을 만드는, 방법.
7. 제1항, 제2항, 제3항, 제5항, 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   프로펠러 슈라우드(shroud)가 제공되고 선박의 프로펠러를 둘러싸도록 선미의 하부에 장착되며, 슈라우드는 프로펠러에 공급할 수 있도록 물을 안내(guide and channel)하고, 프로펠러가 물을 끌어 올려 뒤로 밀면, 에너지가 물에 전달되고 원심력으로 인해 일부가 옆으로 빠져나오며, 슈라우드는 이를 방지하고 모든 에너지를 함유한 물이 거대한 물 제트의 형태로 슈라우드의 노즐을 빠져 나가며 선박을 추진하는데 도움이 되는 추가 추진력을 제공하는, 방법.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   선박의 중앙선을 따르는 2개의 도관 튜브들은 프로펠러 슈라우드 내로 프로펠러의 예비 소용돌이 구역으로, 직접 물을 배수하도록 배치되고, 이렇게 가압된 물을 추가로 공급하면 프로펠러가 최대 효율로 작동하기 위해 필요한 모든 물을 얻을 수 있으며, 공동현상 위험이 줄어들고, 슈라우드 입구의 환형 갭은 필요한 경우 자동으로 추가적인 물을 끌어 올 수 있게 하는, 방법.
9. 선박이 앞으로 움직이면, 선박에 의해 비워진 공간에 순간적인 진공이 발생하고, 모든 방향들로부터 물이 돌진하여 난기류를 일으키며, 동시에 낮은 압력 구역이 선박의 선체가 멀리 떨어지는 것을 방지하기 위해 선체에 흡입력을 발생시키고, 이 모든 항력은 엔진의 힘으로 극복해야 하며, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 중간 도관 튜브들은 소량 추력에 기여할 뿐만 아니라 낮은 압력의 부정적인 영향에 대응하도록 연속적으로 선박의 선미 후방의 낮은 압력 구역으로 대량의 가압된 물을 배수하는, 방법.
10. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    선박의 각 측면에 있는 가장 바깥 쪽의 도관 튜브들은 선박의 후미로부터 후미 빌지 와류들(aft-body bilge-vortices)의 형성을 막기 위해, 바로 뒤로 분사되는 물의 움직이는 벽면(moving wall of water)을 전달하도록 설계되고, 이것은 항력을 감소시키고 선박의 에너지를 보존하는 역할을 하는 방법.
11. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    벌크선이 완전히 적재되어 프리모솔(plimsoll) 라인으로 내려 가면, 벌크선이 물에서 아래로 내려간 상태로 항해함에 따라, 악천후 시 갑판 상으로 그리고 전방 해치(hatch)로 충돌하여 내려가는 크고 위험한 선수 파도들이 최소화됨으로써, 선수 파도들의 형성이 최소화되고, 이것이 전방 해치 상으로 연속적으로 충돌하여 내려가는 많은 톤의 바닷물로 인한 전방 해치 고장의 가능성을 제거하는, 방법.

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