KR20200000046A - 선박용 추진장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소정의 내경을 갖는 원통형의 덕트 바디; 및 상기 덕트 바디의 입구측에 배치되며 중앙에서 상기 덕트 바디의 내주면을 향하여 상기 덕트 바디의 직경 방향으로 소정의 길이를 갖고 연장되는 복수의 가이드핀;을 포함하고, 상기 가이드핀은, 상기 덕트 바디의 내부로 유입되는 유체의 유입방향에 대해서 소정각도의 사이각을 갖는 슬로프부를 가져서, 저속과 고속에서 모두 사용가능한 선박용 추진장치에 관한 것이다.

Description

선박용 추진장치{PROPULSION APPARATUS}

본 발명은 소정의 내경을 갖는 원통형의 덕트 바디; 및 상기 덕트 바디의 입구측에 배치되며 중앙에서 상기 덕트 바디의 내주면을 향하여 상기 덕트 바디의 직경 방향으로 소정의 길이를 갖고 연장되는 복수의 가이드핀;을 포함하고, 상기 가이드핀은, 상기 덕트 바디의 내부로 유입되는 유체의 유입방향에 대해서 소정각도의 사이각을 갖는 슬로프부를 가져서, 저속과 고속에서 모두 사용가능한 선박용 추진장치에 관한 것이다.

선박용 추진장치는 선체 내부에 설치된 엔진과 프로펠러 축(shaft)으로 연결되어 회전하면서 엔진이 주는 동력을 사용하여 선박의 선속을 발생시키는 것이다. 프로펠러의 추진효율 향상은 에너지 저감(energy saving) 및 선박의 운항비 절감 측면에서 매우 중요한 사항이다.

도 1과 같이 종래의 프로펠러(4)는 소정의 허브(3)를 통해 소정의 구동축에 연결되어 선박(1)에 대해 추력을 발생시킨다. 이와 같이 종래의 프로펠러(4)만을 선박(1)에 설치하는 경우에는 유체역학적으로 선박용 프로펠러의 날개 끝(blade tip)에서 유동이 휘어 감기는 과정(flow roll up)에 의하여 날개 끝에 강한 보오텍스 유동(vortex flow)이 발생하며 이로 인하여 에너지 손실(energy loss)이 유발될 수 있다.

도 2에서는 추진장치로서 프로펠러만 사용하는 기술을 보다 개선한 소정의 덕트 구조물을 더 갖는 프로펠러가 개시된다. 도 2에서 보는 종래의 덕트 구조물을 갖는 프로펠러(duct propeller)의 경우 덕트(7)는 선체에 고정되며 프로펠러(4)는 덕트로 싸여진 내부공간에서 회전하면서 추진력을 발생시킨다.

이러한 덕트 구조물을 갖는 프로펠러에서 덕트 구조물의 단면형상은 도 3에 도시한 바와 같이 Marin Nozzle 19a(Krpt Nozzle)를 기본으로 하고 있다. 이와 같이 덕트 구조물을 갖는 프로펠러는 10노트 이하의 저속에서는 프로펠러만 사용하는 추진장치와 대비할 때 더 높은 추력이 발생하게 되는데 반해, 그 이상의 속도에서는 오히려 덕트 구조물로 인하여 발생하는 저항이 크게 증가하게 되어 고속에서는 사용하지 못하고 있는 실정이다.

이에 따라서 덕트 구조물을 갖는 프로펠러는 저속운행에 적합한 터그보트(tugboat)나 어선에서 주로 사용되고 있다.

한국등록특허 제10-170730호 (공개일 2008.10.30)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 소정의 내경을 갖는 원통형의 덕트 바디; 및 상기 덕트 바디의 입구측에 배치되며 중앙에서 상기 덕트 바디의 내주면을 향하여 상기 덕트 바디의 직경 방향으로 소정의 길이를 갖고 연장되는 복수의 가이드핀;을 포함하고, 상기 가이드핀은, 상기 덕트 바디의 내부로 유입되는 유체의 유입방향에 대해서 소정각도의 사이각을 갖는 슬로프부를 가져서, 저속과 고속에서 모두 사용가능한 선박용 추진장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 선박용 추진장치는, 소정의 구동축을 통해 선박에 연결되어 추진력을 발생시키는 프로펠러; 및 상기 프로펠러의 외주 측에 배치되는 덕트 구조체; 를 포함하는 선박용 추진장치로서, 상기 프로펠러는, 구동축과 연결되는 허브, 및 상기 허브의 외측에 구비되며 소정의 경사각을 갖는 복수 개의 블레이드를 포함하되, 상기 덕트 구조체는, 소정의 내경을 갖는 원통형의 덕트 바디; 및 상기 덕트 바디의 입구측에 배치되며 중앙에서 상기 덕트 바디의 내주면을 향하여 상기 덕트 바디의 직경 방향으로 소정의 길이를 갖고 연장되는 복수의 가이드핀;을 포함하고, 상기 가이드핀은, 상기 덕트 바디의 내부로 유입되는 유체의 유입방향에 대해서 소정각도의 사이각을 갖는 슬로프부를 갖는다.

바람직하게는, 상기 슬로프부는 상기 프로펠러의 블레이드의 경사면과 반대방향의 경사면을 갖도록 비틀려 있는 구성을 갖는다.

바람직하게는, 상기 슬로프부는, 상기 프로펠러의 중심축 방향과 상기 가이드핀을 관통하는 프로펠러의 반경 방향이 형성하는 가상의 기준면에 대해서 소정의 사이각을 갖는다.

바람직하게는, 상기 덕트 바디의 입구의 직경이 D 일 때, 상기 슬로프부의 최대 비틀림 폭은 0.005D 내지 0.02D 로 구성된다.

바람직하게는, 상기 슬로프부의 길이는, 상기 가이드핀의 길이의 40 내지 60% 로 구성된다.

바람직하게는, 상기 슬로프부는, 상기 블레이드가 회전하여 형성하는 원환 형태의 영역과 전후 방향으로 겹쳐지는 위치에 위치한다.

바람직하게는, 상기 슬로프부는, 상기 블레이드가 회전하여 형성하는 원환의 내경과 외경 사이의 반경 방향 폭이 Q 일 때, 상기 슬로프부의 최대 폭이 위치하는 지점은 상기 내경 위치로부터 반경 방향으로 0.6Q 내지 0.8Q 에 위치한다.

바람직하게는, 상기 가이드핀은, 상기 프로펠러의 중심축과, 상기 프로펠러의 반경이 형성하는 가상의 기준면과 나란한 면으로 구성되는 리드부를 더 포함한다.

바람직하게는, 상기 덕트 구조체는, 상기 덕트 바디의 입구측 중앙에 배치되며 소정의 반경을 갖는 고리 형태의 링형 허브부를 포함하고, 상기 가이드핀의 일 단은 상기 링형 허브부에 연결되고 타 단은 상기 덕트 바디 내주면에 연결된다.

바람직하게는, 상기 가이드핀은, 6~ 12 개 구비된다.

본 발명에 따른 선박용 추진장치는, 슬로프부를 갖는 가이드핀이 마련됨으로써, 덕트 바디의 유입구를 통해 유입되는 유체의 흐름이 프로펠러의 회전방향과 반대방향이 되도록 유도하여, 프로펠러의 효율을 향상시키고 덕트 구조체에서 발생하는 추력을 더 크게 할 수 있다. 특히, 단순히 덕트 바디만을 갖는 덕트 구조체를 적용하는 경우와 달리, 고속에서도 추력과 효율의 감소가 크지 않으므로, 저속 및 고속에서 폭넓게 활용될 수 있다..

아울러, 가이드핀이 부채살 형태로 덕트 바디의 유입구 측에 마련되어 있으므로, 덕트 바디 내부로 이물질이 유입되는 것을 방지하여, 프로펠러의 손상을 방지함은 물론 엔진의 고장을 막을 수 있다.

또한, 앞서 실시 형태에서 설명한 바와 같이, 가이드핀에 형성된 슬로프부는 소정의 범위에 걸친 길이, 및 기준면과 형성하는 사이각을 가지며, 프로펠러의 블레이드가 형성하는 원환 형태의 내부에 위치하여 있으므로, 프로펠러의 회전 방향과 반대방향으로 유도되는 유체의 흐름이 프로펠러로 집중되도록 할 수 있다. 따라서, 슬로프부에 의해 발생하는 저항을 최소화하면서 효율 증가 및 추력 증가 효과가 달성될 수 있다.

도 1은 프로펠러 단독으로 작용하는 종래의 선박 추진장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 종래의 덕트 프로펠러 추진장치를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2의 추진장치에서 덕트의 단면형상을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 덕트 구조체를 구비한 선박 추진장치를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4에서 선박용 덕트 구조체만을 도시한 도면이다.
도 6은 도 5의 선박용 덕트 구조체의 단면을 나타낸 단면도이다.
도 7은 가이드핀의 구조를 나타낸 도면이다.
도 8은 선박용 덕트 구조체와 기준면을 나타낸 도면이다.
도 9는 가이드핀과 기준면 사이의 사이각을 나타낸 도면이다.
도 10은 프로펠러가 회전할 때 블레이드가 형성하는 영역과 가이드핀과의 위치 관계를 나타낸 도면이다.
도 11은 가이드핀의 슬로프부와 블레이드의 경사면 사이의 관계를 나타낸 도면이다.
도 12는 실험에 사용된 덕트 바디의 단면 형상을 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 같거나 대응하는 구성 요소는 같은 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 덕트 구조체(20)를 구비한 선박 추진장치를 나타낸 도면이고, 도 5는 도 4에서 선박용 덕트 구조체(20)만을 도시한 도면이며, 도 6은 도 5의 선박용 덕트 구조체(20)의 단면을 나타낸 단면도이고, 도 7 은 가이드핀(200)의 구조를 나타낸 도면이다. 아울러, 도 8은 선박용 덕트 구조체(20)와 기준면을 나타낸 도면이며, 도 9는 가이드핀(200)과 기준면 사이의 사이각을 나타낸 도면이고, 도 10은 프로펠러(10)가 회전할 때 블레이드(12)가 형성하는 영역과 가이드핀(200)과의 위치 관계를 나타낸 도면이다.

본 발명에 따른 선박용 추진장치는, 소정의 구동축을 통해 선박에 연결되어 추진력을 발생시키는 프로펠러(10); 및 상기 프로펠러(10)의 외주 측에 배치되는 덕트 구조체(20); 를 포함하는 선박용 추진장치이다.

상기 프로펠러(10)는 통상적으로 선박용 추진장치에 널리 사용되는 것으로서 선박의 후미, 즉 선미에 배치되는 구동축에 회전가능하게 결합되어 구동축의 회전에 따라서 함께 회전된다. 이러한 프로펠러(10)는 구동축에 결합되는 허브(11)와, 허브(11)의 외면에 마련되는 복수의 블레이드(12)로 이루어진다. 이때 블레이드(12)는 선박추진을 위한 것으로서 일정한 간격으로 복수개 배치된다. 아울러, 블레이드(12)는 추진력을 발생시키도록 소정의 경사각을 갖는다. 구동축이 회전하면 상기 허브(11)가 회전하면서 상기 허브(11)의 외면에 마련된 블레이드(12)가 회전하면서 추진력을 발생시킨다.

상기 덕트 구조체(20)는 대략 원통형상으로 이루어지며 프로펠러(10)의 외주 축에 배치되어 프로펠러(10)를 둘러싸도록 구성된다.

구체적으로, 상기 덕트 구조체(20)는, 원통형의 덕트 바디(100) 및 복수의 가이드핀(200)을 포함한다.

덕트 바디(100)는 소정의 내경을 갖는 원통형으로 구성되어, 전방에 유입구(102)를 갖고, 후방에 유출구(104)를 가질 수 있다. 선박 운항 시, 선미형상을 따라서 프로펠러(10) 회전면에 유입되는 유체의 유동은 덕트 바디(100)의 상기 유입구(102)를 따라 가속되어 프로펠러(10)로 유입되며, 프로펠러(10)의 반경방향 유기속도 성분과 상호 작용하게 된다. 이때 덕트 바디(100)의 외주면과 내주면 사이의 작용하는 압력차이에 의하여 양력이 발생하며, 이는 추가적인 추력으로 작용하게 된다.

즉, 본 발명에 따른 덕트 구조체(20)는 프로펠러(10) 주변에 양력을 발생시킴으로서 추가적인 추력을 발생시켜 추력을 향상시킬 수 있도록 하는 장치이다.

상기 가이드핀(200)은, 상기 덕트 바디(100)의 입구측에 배치되며, 중앙에서 상기 덕트 바디(100)의 내주면을 향하여 상기 덕트 바디(100)의 직경 방향으로 연장되는 소정의 핀형 부재이다. 즉, 가이드핀(200)은 부채살 형태의 배치 구조를 갖는다. 상기 가이드핀(200)은, 6~ 12 개 구비되어 서로 소정의 사이각을 갖고 배치될 수 있다. 사이각은 예컨대 30° 내지 60° 일 수 있으며, 이에 한정하지 않는다.

바람직하게는, 상기 덕트 바디(100)의 입구측 중심부에 소정의 내경을 갖는 원환형의 링형 허브부(110)가 더 구비될 수 있다. 상기 링형 허브부(110)의 외주부에 상기 가이드핀(200)의 일 단이 연결되고, 상기 가이드핀(200)의 타단이 상기 덕트 바디(100)의 내주면에 연결되는 구성을 가질 수 있다.

아울러, 상기 가이드핀(200)의 중간 부분에도 복수 개의 가이드핀(200)을 서로 연결하여 가이드핀(200)의 강도를 보강할 수 있는 원환형의 보강부(120)가 구비될 수 있다.

이하에서는 상기 덕트 구조체(20)에 구비되는 가이드핀(200)의 구성에 대해서 상세히 설명한다.

도 7 은 본 발명의 일 실시예에 따른 가이드핀(200)의 형태를 도시한 도면이다. 구체적으로, (a) 는 가이드핀(200)을 비스듬한 각도에서 본 도면이고, (b) 는 가이드핀(200)을 위에서 본 도면이며, (c) 는 가이드핀(200)을 정면에서 본 도면이다.

각각의 가이드핀(200)은 상기 덕트 바디(100)의 내부로 유입되는 유체의 유입방향에 대해서 소정각도 비틀어져 있는 슬로프부(210)를 갖는다.

슬로프부(210)에 대해서 상세히 설명하면 이하와 같다. 즉, 도 8 과 같이 상기 프로펠러(10)의 중심축 방향(C)과, 상기 가이드핀(200)을 관통하는 프로펠러(10)의 반경 방향(R)이 형성하는 가상의 면을 기준면(G)이라고 하면, 상기 기준면(G)은 유체의 유입방향과 나란하여 이론적으로 유입구를 통해 덕트 바디(100) 내로 유입하는 유체에 대해 저항이 없으며, 유체의 유동 방향에 영향을 주지 아니한다. 상기 슬로프부(210)가 형성하는 면은 상기 기준면(G)과 소정의 사이각 θ 을 가짐으로써, 덕트 바디(100) 내로 유입하는 유체의 유동 방향에 영향을 주게 된다. 즉, 가이드핀(200)을 소정의 길이, 너비, 및 면적을 갖는, 길고 가는 패널 형태의 부재라고 할 때, 슬로프부(210)는 상기 패널의 중간 부분이 비틀려진 소정의 비틀림부라고 생각할 수 있다.

구체적으로는, 슬로프부(210)는, 가이드 핀(200)의 전방(201)은 변형이 없이 직선 형태를 유지하고, 측면부의 일 부분이 측방향으로 벤딩됨으로써 경사면이 형성되어, 후방(202)이 전방(201)과 측 방향으로 소정의 거리를 갖도록 구성된 경사면이라고 할 수 있다. 이에 따라서, 도 7 의 (c)와 같이 가이드핀(200)을 정면에서 보면 가운데 부분이 측 방향으로 휘어져 있으며, (b)와 같이 위에서 보면 삼각형 형태로 휘어져서, 후방 부분이 전방 부분과 소정의 폭 S 를 가지고 있음을 확인할 수 있다. 단, 이와 같은 형태에 반드시 한정하는 것은 아니다.

이때, 상기 슬로프부(210)는 프로펠러(10)의 블레이드(12)의 경사면과 반대방향의 경사면을 갖는 방향으로 벤딩되어 상기 기준면(G)과 사이각을 갖는다. 즉, 슬로프부(210)는 덕트 바디(100)의 유입구를 통해 유입되는 유체의 흐름이 프로펠러(10)의 회전방향과 반대방향이 되도록 유도할 수 있다.

이를 그림으로 나타내면 도 11 과 같다. 즉, 도 11 에 도시된 바와 같이, 유체의 흐름 F1 은 슬로프부(210)을 지나면서 방향이 바뀌어 프로펠러(10)의 블레이드(10)에 충돌하게 된다. 슬로프부(210)는 블레이드(12)의 경사면과 반대방향의 경사면을 가져서, 이와 같은 유체의 흐름을 유도하게 된다.

상기와 같이 비틀림을 갖는 상기 슬로프부(210)는 소정의 폭 S 를 가질 수 있다. 여기서, 폭이라 함은 슬로프부(210)가 비틀림을 가짐으로써 가이드핀(200)의 두께 방향으로 형성되는 거리를 의미한다. 덕트 바디(100)의 유입구(102)의 직경을 D 라고 할 때, 상기 슬로프부(210)의 최대 비틀림 폭 S 는, 0.005D 내지 0.02D 일 수 있다.

아울러, 상기 덕트 바디(100)의 유입구(102)에서의 직경(내경)을 D라고 할 때 가이드핀(200)의 길이는 1D/3 (덕트 바디(100)의 유입구(102)에서의 직경(내경)의 33% 길이)일 수 있으며, 이 때, 상기 슬로프부(210)의 길이 T 는 가이드핀(200) 길이의 40 ~ 60 % 의 길이(2D/15 내지 3D/15 의 길이)를 가질 수 있다. 이때, 바람직하게는, 블레이드(12)의 외측 단부와 덕트 바디(100)의 내주면은 충분히 인접한 상태인 것으로 설정한다.

한편, 상기 슬로프부(210)는 가이드핀(200)의 전체 길이에 걸쳐져 형성될 수도 있으나, 부분적으로 형성될 수도 있다. 즉, 상기 가이드핀(200)의 전체가 상기 슬로프부(210)로 구성되는 실시 형태에서는, 가이드핀(200) 전체가 기준면(G)과 소정의 사이각 θ 를 갖는 빗면으로 구성된다. 반면에, 가이드핀(200)의 일 부분이 상기 슬로프부(210)로 구성되는 실시 형태에서는 가이드핀(200)의 일 부분이 비틀려져 가이드핀(200)의 소정 범위 부분이 기준면(G)과 소정의 사이각 θ 를 갖는 빗면으로 구성된다.

가이드핀(200)의 일 부분이 상기 슬로프부(210)로 구성되는 실시 형태에서는, 슬로프부(210) 외에, 리드부(220)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 리드부(220)는 비틀림이 없는 부분으로서, 상기 덕트 바디(100)의 내부로 유입되는 유체의 유입방향과 나란한 면으로 구성된다. 즉, 리드부(220)는 소정의 면적을 갖는 패널 형태로 구성되며, 리드부(220)가 형성하는 면은 상기 설명한 기준면과 나란하다. 도 7 은 이와 같이, 슬로프부(210)외에 리드부(220)가 구비된 실시 형태를 도시한 것이다.

구체적으로, 상기 가이드핀(200)은, 길이 방향으로 일 단에 상기 리드부(220)가 형성되고, 타 단에 상기 슬로프부(210)가 형성되는 실시 형태를 갖거나, 또는 도 7 에 도시된 바와 같이, 양 단에 상기 리드부(220)가 마련되고, 상기 리드부(220) 사이에 상기 슬로프부(210)가 형성되는 구성을 가질 수 있다. 이때, 외경 방향에 구비된 리드부(220)는 덕트 바디(100)에 연결되고, 내경 방향에 구비된 리드부(220)는 링형 허브부(110)에 연결될 수 있다. 앞서 슬로프부(210)의 길이 외의 나머지 부분이 상기 리드부(220)가 되므로, 리드부(220)가 차지하는 길이는, 3D/30 내지 2D/30 일 수 있다.

이와 같이 가이드핀(200)의 일 부분에 슬로프부(210)가 형성된 실시 형태에 의하면, 가이드핀(200)은, 소정의 면적을 갖는 패널 형태로 구성되되, 상기 패널의 적어도 일 부분이 벤딩됨으로써 상기 슬로프부(210)를 갖는 구성을 가질 수 있다. 이러한 벤딩은, 타 부분과 슬로프부(210) 사이의 사이각이 불연속적인 소정의 절곡부로 구성되거나, 타 부분과 슬로프부(210) 사이의 사이각이 연속적으로 변화하는 만곡부로 구성될 수 있다. 도 7 에서는 상기 슬로프부(210)가 만곡되게 도시되었으나, 이에 반드시 한정하는 것은 아니다. 아울러, 가이드핀(200)을 위에서 봤을 때 슬로프부(210)의 빗면 형상 또한, 기울기가 균일한 직선형, 기울기가 연속적으로 변하는 곡선형, 또는 직선과 곡선이 조합된 형태일 수 있으며, 반드시 일 형태에 한정하는 것은 아니다.

이하에서는 가이드핀(200)의 슬로프부(210)의 위치와, 블레이드(12)의 위치 사이의 관계에 대해서 설명한다. 이하에서는 도 10 을 참조하여 설명한다.

바람직하게는, 상기 블레이드(12)가 형성하는 원환 형태의 영역과 전후 방향으로 겹쳐지는 위치에 슬로프부(210)가 위치할 수 있다.

상기 슬로프부(210)는, 상기 프로펠러(10)가 회전할 때, 블레이드(12)가 형성하는 원환 형태의 영역 K 와 겹쳐지는 위치에 위치한다. 여기서, 원환 형태의 영역이라 함은 프로펠러(10)를 전후 방향에서 볼 때 형성하는 형상을 의미한다. 즉, 프로펠러(10)가 회전할 때 상기 블레이드(12)는 소정의 내경 및 외경을 갖는 원환 형태의 영역을 그리게 되며, 상기 슬로프부(210)는 상기 블레이드(12)가 형성하는 원환 형태의 영역과 전후 방향으로 겹쳐지는 위치에 위치할 수 있다.

바람직하게는, 상기 슬로프부(210)의 최대 폭이 위치하는 지점(기준면과 최대 사이각을 갖는 지점)은, 반경 방향으로 상기 블레이드(12)가 회전하여 형성하는 원환 형태의 영역의 내경과 외경 사이의 지점에 위치한다.

즉, 예컨대, 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 블레이드(12)가 회전하여 형성하는 원환 형태의 영역을 K 라고 하며, 상기 영역의 반경 방향 폭(내경~외경 사이 폭)이 Q 라고 할 때, 슬로프부(210)의 최대 폭이 위치하는 지점 P 는 상기 영역의 내경 지점으로부터 반경 방향으로 0.6Q 내지 0.8Q 이격된 지점일 수 있다. 이때, 바람직하게는, 블레이드(12)의 외측 단부와 덕트 바디(100)의 내주면은 충분히 인접한 상태일 수 있다.

상기와 같은 구성을 갖는 슬로프부(210)가 마련됨에 따라서, 본 발명에 따른 선박용 추진장치는 고속에서 가이드핀(200)에 의한 저항을 최소로 하고 프로펠러(10)의 추력은 가이드핀(200) 전체에 슬로프부(210)를 적용할 때와 유사한 효과를 얻고자 하며, 따라서 효율을 증가시키고자 한다. 즉, 프로펠러(10)의 추력은 슬로프부(210)와 겹쳐지는 부분에서 대부분 발생하기 때문이다. 추력에 기여하는 양이 적은 가이드핀(210)의 양단 영역은 슬로프를 주지 않고 기준면(G)과 나란하게 하여, 저항을 작게 한다.

이하에서는 본 발명에 따른 덕트 바디(100) 및 가이드핀(200)을 구비한 선박용 추진장치와 다른 형태의 선박용 추진장치의 성능을 비교한 실험예에 대해서 설명한다.

실험에서는, 선박의 속도를 각각 달리하여 수행하되, 각각의 변수의 제원은 아래와 같다.

Case 1) 프로펠러(10)만 있는 경우

Case 2) 프로펠러(10)에 대해 덕트 바디(100)만을 갖는 덕트 구조체(20)를 추가한 경우

Case 3) 슬로프부(210)가 형성된 가이드핀(200), 및 덕트 바디(100)를 갖는 덕트 구조체(20)와 프로펠러(10)가 구비되는 경우에서 가이드핀(200) 전체가 폭 0.01D 의 슬로프부(210)로 구성된 경우

Case 4) 슬로프부(210)가 형성된 가이드핀(200), 및 덕트 바디(100)를 갖는 덕트 구조체(20)와 프로펠러(10)가 구비되는 경우에서 가이드핀(200)의 일 부분(1D/6 : D=덕트 바디의 입구 직경)이 폭 0.01D 의 슬로프부(210)로 구성된 경우

Case 5) 슬로프부(210)가 형성된 가이드핀(200) 및 덕트 바디(100)를 갖는 덕트 구조체(20)와 프로펠러(10)가 구비되는 경우에서 가이드핀(200)의 일 부분(1D/6 : D=덕트 바디의 입구 직경)이 폭 0.02D 의 슬로프부(210)로 구성된 경우

이때, 실험에 사용된 덕트 바디(100)의 단면은 도 12 와 같을 수 있다. 아울러, 아래와 같은 덕트 바디(100)의 단면은 실시 형태로도 구현될 수 있다.

구체적으로는, 덕트 바디(100)는, 익형 단면을 갖되, 상기 단면은, 선박용 덕트 구조체(100)의 내주면의 후방부를 구성하고 소정의 길이의 직선 구간으로 구성되는 제1 내주 라인(130); 선박용 덕트 구조체(100)의 내주면의 전방부를 구성하고 후단부가 상기 제1 내주 라인(130)과 연결되며 상기 제1 내주 라인(130)과 소정의 사이각을 갖되 전방으로 갈수록 그 사이각이 커지도록 외경 방향 외측으로 만곡되는 곡선 구간으로 구성되는 제2 내주 라인(140); 선박용 덕트 구조체(100)의 외주면을 구성하고 후단부가 상기 제1 내주 라인(130)의 후단부와 연결되며 소정의 길이의 직선 구간으로 구성되는 외주 라인(150); 선박용 덕트 구조체(100)의 전방 단부를 구성하며 상기 외주 라인(150)의 전단부와 상기 제2 내주 라인(140)의 전단부를 연결하고 소정의 곡률을 갖는 헤드 라인(160); 를 포함한다. 아울러, 제1 내주 라인(130)과 외주 라인(150)은 테일부(170)를 통해 연결된다.

상기 제1 내주 라인(130)과 상기 구동축의 중심축 C 는 서로 평행하거나, 소정의 사이각을 가질 수 있으며, 상기 사이각을 θ 라고 하면 상기 θ 는 1° 이하의 크기를 가질 수 있다.

제2 내주 라인(140)은, 소정의 곡률을 갖는 곡선으로 구성된다. 제2 내주 라인(140)의 형상은, 상기 제1 내주 라인(130)과 소정의 사이각을 갖되, 전방으로 갈수록 상기 사이각이 커지도록 외경 방향 외측으로 만곡되는 곡선 형상을 갖는다. 즉, 제2 내주 라인(140)은 내경 방향으로 볼록한 곡선 형상을 갖는다.

이때, 제2 내주 라인(140)과 제1 내주 라인(130)이 형성하는 사이각을 고찰하면, 이하와 같다. 제1 내주 라인(140)의 전단(즉, 제2 내주 라인(120)의 후단으로서, 곡면이 시작되는 지점) 지점(Q)과 선박용 덕트 구조체(100)의 최 전단 지점(접선 기울기 값이 제1 내주 라인(110)과 직교하는 지점)(P)을 이은 선(R)과, 제1 내주 라인(130)이 형성하는 사이각을 기준각 α 라고 하면, 상기 α 는 7° 내지 17° 의 크기를 가질 수 있다. 즉, 달리 설명하면, 제2 내주 라인(140)의 최 전단과 최 후단을 직선 연결한 가상선(R)과 제1 내주 라인(130)과 평행한 선이 형성하는 사이각을 기준각이라고 할 수 있으며, 상기 기준각은 7° 내지 17° 일 수 있다.

외주 라인(150)은, 소정의 빗면으로 구성되어 기울기를 갖는 직선 형상을 가진다. 제1 내주 라인(130)을 기준으로 하여, 상기 제1 내주 라인(130)과 상기 외주 라인(150) 사이의 기울기 값을β라고 하면, 상기 β 는 4° 내지 8° 의 크기를 가질 수 있다.

이때, 선박용 덕트 구조체(100)의 수평 방향(회전 중심축 C 과 평행한 방향) 길이를 L 이라 하고, 상기 제1 내주 라인(130)의 수평 방향 길이를 M 이라 하면, 상기 L 과 M 은 소정의 비율을 가질 수 있다. 즉, 0.3 < M/L < 0.7 의 범위를 가질 수 있다.

이하, 실험에서는, 제1 내주 라인(140)과 외주 라인(160)이 형성하는 각도 α 는 5°이며, 제1 내주 라인(140)과 제2 내주 라인(150) 사이의 각도 β 는 11° 로 설정하였다.

먼저, 11.7 노트에서 실험을 수행한 결과는 아래 표1 과 같다.

	Thrust	Torque	효율
Case 1	19125.2	1331.0	0.274
Case 2	16345.3	1030.3	0.303
Case 3	19459.9	1191.2	0.312
Case 4	17823.8	1004.2	0.339
Case 5	18417.6	1065.9	0.330

11.7 노트에서는, 가이드핀(200)이 없이, 덕트 바디(100)만을 갖는 덕트 구조체가 구비된 Case 2 에서도 덕트 바디(100)로 인해 프로펠러(10)의 효율의 향상이 있다. 그러나 고속용 덕트이기 때문에 추력은 상대적으로 낮은 편이다. 가이드핀(200) 전체에 걸쳐서 슬로프부(210)가 형성된 경우인 Case 3 이 가장 높은 추력을 제공하지만 가이드핀(200) 자체의 저항 증가로 인해 전체효율은 가이드핀(200)의 일 부분에 슬로프부(210)가 형성된 Case 4, 5 의 경우가 효율이 좋은 편이다.

이어서, 19.4 노트에서 실험을 수행한 결과는 아래 표 2 와 같다.

	Thrust	Torque	효율
Case 1	13869.3	968.4	0.456
Case 2	13116.7	911.6	0.458
Case 3	14834.6	992.0	0.476
Case 4	14612.4	928.4	0.501
Case 5	14814.3	962.4	0.490

19.4 노트에서 Case 2 와 Case 1 은 비슷한 효율을 갖는다. 가이드핀(200) 전체에 걸쳐서 슬로프부(210)가 형성된 경우인 Case 3 이 가장 높은 추력을 제공하지만 속도가 높아질수록 가이드핀(200)에 의한 저항 증가는 더 커져서 효율은 슬로프부(210)가 있는 경우보다 많이 떨어진다. 따라서, 전체효율은 가이드핀(200)의 일 부분에 슬로프부(210)가 형성된 Case 4, 5 의 경우가 효율이 좋은 편이다. 표에서 확인할 수 있는 바와 같이, 효율 차이가 비교적 큰 편이다.

이어서, 23.3 노트에서 실험을 수행한 결과는 아래 표 3 과 같다.

	Thrust	Torque	효율
Case 1	11173.4	791.5	0.539
Case 2	10096.5	740.2	0.521
Case 3	11628.7	836.5	0.531
Case 4	11093.4	770.4	0.550
Case 4	11542.4	816.5	0.540

23.3노트에서 Case 2 는 오히려 Case 1 보다 효율이 떨어진다. 이유는 이 속도에서는 덕트 바디(100) 자체의 저항의 증가가 크기 때문이다. 즉, 본 속도에서는 효율면에서는 덕트 구조체(20)를 부착하지 않은 것이 좋게 된다. 즉, 가이드핀(200)이 없이 덕트 바디(100)만을 갖는 덕트 구조체를 적용한 경우, 덕트 구조체가 없는 경우보다 오히려 효율이 떨어지게 된다. Case 3 의 경우는 Case 1 과 비슷한 효율을 갖는다. 전체효율은 가이드핀(200)의 일 부분에 슬로프부(210)가 형성된 Case 4, 5 의 경우가 효율이 좋은 편이다. 표에서 확인할 수 있는 바와 같이, 효율 차이가 비교적 큰 편이다. 이에 따라서, 덕트 바디(100) 자체만으로는 23 노트 이상에서 성능의 저하를 일으킨다는 것을 알 수 있으며, 덕트 구조체를 더 높은 속도에서도 사용하기 위해서는 일부분에 슬로프부(210)가 형성된 가이드핀(200)을 갖는 경우만이 가능하다는 것을 알 수 있다..

이어서, 27.2 노트에서 실험을 수행한 결과는 아래 표 4 와 같다.

	Thrust	Torque	효율
Case 1	8610.9	623.7	0.610
Case 2	7653.2	609.0	0.560
Case 3	8920.4	712.4	0.558
Case 4	8462.5	632.7	0.596
Case 5	8867.1	675.5	0.585

27.2 노트에서는 프로펠러(10)만 장착한 Case 1 이 효율이 가장 높다. 아울러, 가이드핀(200)의 일 부분(T)이 폭 0.01D 의 슬로프부(210)로 구성된 Case 4 의 경우가 효율의 손실이 가장 적다.

위 실험 결과를 종합하면 아래와 같다.

단순히 덕트 바디(100)를 가진 덕트 구조체(20)가 적용된 Case 2의 경우에는, 저속에서는 효율면에서 프로펠러만을 갖는 Case 1 에 비해 유리하다고 할 수 있다. 그러나, 고속에서는 덕트 구조체(20)가 없는 Case 1 에 비해 Case 2의 경우가 추력이 가장 많이 감소되며, 효율도 가장 낮음을 알 수 있다. 이는 덕트 바디(100)의 표면의 기울기에 의하여 경계층이 두꺼워지는 것에 기인한 현상이다. 이에 따라서, 단순히 고속 덕트 바디(100) 만을 갖는 덕트 구조체(20)를 적용할 경우, 비록 저속(19 노트 이하)에서는 효율의 감소가 적으나, 고속에서는 추력과 효율이 상당히 감소하여 고속 선박에는 활용이 어렵게 된다.

그러나, 덕트 바디(100)에 가이드핀(200)을 부가한 덕트 구조체(20)를 사용한 case 3, 4, 5 의 경우, 덕트 바디(100)만을 갖는 덕트 구조체(20)를 사용한 경우에 비하여, 좀 더 높은 속도에서 덕트 바디(100)의 사용이 가능하며, 특히 Case 4 의 경우 27.2 노트까지 효율의 감소가 적다는 점을 알 수 있다.

특히, 가이드핀(200)에 형성된 슬로프부(210)의 폭 및 길이를 적절히 제한한 Case 4, 5, 의 경우, 20 노트 근처에서 프로펠러(10)만 있는 Case1 의 경우보다 추력과 효율이 증가함과 동시에, 고속에서도 저항이 크게 증가하지 아니하여 추력 및 효율 손실이 적어 전체적으로 우수함을 확인할 수 있다. 특히, 위 실험 결과를 종합했을 때, 11.7노트에서 27.2노트까지 Case 4 가 효율면에서 가장 우수하다고 할 수 있다.

즉, 본 발명과 같이, 유체의 유입방향에 대해 소정각도 비틀려져 있는 슬로프부(210)가 형성된 가이드핀(200)을 갖는 덕트 구조체(20)를 적용하되, 상기 가이드핀(200)의 슬로프부(210)의 폭, 및 길이 범위를 소정 폭으로 한정할 경우, 저속에서 추력과 효율을 증가시키면서. 동시에 고속에서도 추력과 효율의 감소가 크지 않으므로, 고속 선박에도 폭넓게 활용할 수 있음을 알 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 선박용 추진장치의 효과에 대해서 설명한다.

본 발명에 따른 선박용 추진장치는, 슬로프부(210)를 갖는 가이드핀(200)이 마련됨으로써, 덕트 바디(100)의 유입구를 통해 유입되는 유체의 흐름이 프로펠러(10)의 회전방향과 반대방향이 되도록 유도하여, 프로펠러(10)의 효율을 향상시키고 덕트 구조체(20)에서 발생하는 추력을 더 크게 할 수 있다. 특히, 단순히 덕트 바디(100)만을 갖는 덕트 구조체(20)를 적용하는 경우와 달리, 고속에서도 추력과 효율의 감소가 크지 않으므로, 저속 및 고속에서 폭넓게 활용될 수 있다..

아울러, 가이드핀(200)이 부채살 형태로 덕트 바디(100)의 유입구 측에 마련되어 있으므로, 덕트 바디(100) 내부로 이물질이 유입되는 것을 방지하여, 프로펠러(10)의 손상을 방지함은 물론 엔진의 고장을 막을 수 있다.

또한, 앞서 실시 형태에서 설명한 바와 같이, 가이드핀(200)에 형성된 슬로프부(210)는 소정의 범위에 걸친 길이, 및 기준면과 형성하는 사이각을 가지며, 프로펠러(10)의 블레이드(12)가 형성하는 원환 형태의 내부에 위치하여 있으므로, 프로펠러(10)의 회전 방향과 반대방향으로 유도되는 유체의 흐름이 프로펠러(10)로 집중되도록 할 수 있다. 따라서, 슬로프부(210)에 의해 발생하는 저항을 최소화하면서 효율 증가 및 추력 증가 효과가 달성될 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

10: 프로펠러
11: 허브
12: 블레이드
100: 덕트 바디
110: 링형 허브부
120: 보강부
102: 유입구
104: 유출구
200: 가이드핀
210: 슬로프부
220: 리드부

Claims (10)

1. 소정의 구동축을 통해 선박에 연결되어 추진력을 발생시키는 프로펠러; 및
   상기 프로펠러의 외주 측에 배치되는 덕트 구조체; 를 포함하는 선박용 추진장치에 있어서,
   상기 프로펠러는, 구동축과 연결되는 허브, 및 상기 허브의 외측에 구비되며 소정의 경사각을 갖는 복수 개의 블레이드를 포함하되,
   상기 덕트 구조체는,
   소정의 내경을 갖는 원통형의 덕트 바디; 및
   상기 덕트 바디의 입구측에 배치되며 중앙에서 상기 덕트 바디의 내주면을 향하여 상기 덕트 바디의 직경 방향으로 소정의 길이를 갖고 연장되는 복수의 가이드핀;을 포함하고,
   상기 가이드핀은,
   상기 덕트 바디의 내부로 유입되는 유체의 유입방향에 대해서 소정각도의 사이각을 갖는 슬로프부를 갖는 선박용 추진장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 슬로프부는 상기 프로펠러의 블레이드의 경사면과 반대방향의 경사면을 갖도록 비틀려 있는 선박용 추진장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 슬로프부는,
   상기 프로펠러의 중심축 방향과 상기 가이드핀을 관통하는 프로펠러의 반경 방향이 형성하는 가상의 기준면에 대해서 소정의 사이각을 갖는 선박용 추진장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 덕트 바디의 입구의 직경이 D 일 때,
   상기 슬로프부의 최대 비틀림 폭은 0.005D mm 내지 0.02D mm 인 선박용 추진장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 슬로프부의 길이는,
   상기 가이드핀의 길이의 40 내지 60% 인 선박용 추진장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 슬로프부는,
   상기 블레이드가 회전하여 형성하는 원환 형태의 영역과 전후 방향으로 겹쳐지는 위치에 위치하는 선박용 추진장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 슬로프부는,
   상기 블레이드가 회전하여 형성하는 원환의 내경과 외경 사이의 반경 방향 폭이 Q 일 때,
   상기 슬로프부의 최대 폭이 위치하는 지점은 상기 내경 위치로부터 반경 방향으로 0.6Q 내지 0.8Q 이격된 지점 내에 위치하는 선박용 추진장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 가이드핀은,
   상기 프로펠러의 중심축과, 상기 프로펠러의 반경이 형성하는 가상의 기준면과 나란한 면으로 구성되는 리드부를 더 포함하는 선박용 추진장치.
9. 제1항에 있어서,
   상기 덕트 구조체는,
   상기 덕트 바디의 입구측 중앙에 배치되며 소정의 반경을 갖는 고리 형태의 링형 허브부를 포함하고,
   상기 가이드핀의 일 단은 상기 링형 허브부에 연결되고 타 단은 상기 덕트 바디 내주면에 연결되는 선박용 추진장치.
10. 제1항에 있어서,
    상기 가이드핀은,
    6~ 12 개 구비되는 선박용 추진장치.

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