KR20210141107A - 주행 저항 감소 기능을 갖는 선박 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주행 저항 감소 기능을 갖는 선박에 관한 것으로, 선체(01)의 외부 바닥면의 외주에 격벽(36)을 설치, 에어가 충진되는 에어포켓을 형성시키는 격벽(36) ;
상기 격벽(36)에 부착된 선저공기공급관(30)의 하부외측에 형성된 선저기포노즐(32)과 내부에 형성되어 에어포켓에 공기를 공급하는 에어포켓공기공급공(33)을 구비한 선저공기공급관(30) ;
선수(03)에 구비되어 공기공급과 기포를 발생하도록 설치된 선수공기공급관(10) ;
측면에 구비되어 공기공급과 기포를 발생하도록 설치된 측면공기공급관(20) ;등이 설치되어 선저(04)에 공기를 저장하도록 에어포켓이 형성되고, 측면으로도 운항 개시와 함께 효력이 발생되는 베르누이의 원리에 의한 선박의 외벽과 물 사이의 진공이 형성된 공간으로 공기를 분사하여 공기층을 형성함으로써 선박의 하부 및 측면에 공기윤활작용이 제공되는 효과가 있다.

Description

주행 저항 감소 기능을 갖는 선박{Ship with running resistance reduce friction}

본 발명은 수중 운행으로 물과의 접촉면이 넓을 수밖에 없는 선박에서,

운항중 유체 역학의 원리인 베르누이 원리로 형성되는 물과 선박사이의 진공 속으로 마찰계수가 물의 1/1000밖에 안 되는 공기를 분사, 측면의 마찰손실을 줄이고, 선저에는 외주에 격벽을 설치, 그 속에 공기를 주입하여 에어포켓을 형성한 상태를 유지하며 운항하여 대형 선박의 경우 40m x 300m=12000m² 에 달하는 면적의 마찰 손실을 1/1000로 줄여 주는 유체 역학과 선박과의 관계에 관한 기술로, 마찰손실 때문에 속도의 3자승에 비례하는 에너지 소비를 줄여 에너지 절감과 상업성 있는 선박의 고속화를 달성하기 위한 선박의 에너지 절감장치이다

일반적으로 해상에서 운항 시 선박은 수면 아래에서 물의 저항을 받고, 수면 위에서 공기저항을 받는다. 물의 저항은 해수에 의한 마찰저항으로 일반 상선의 경우 전체저항의 50%~70%를, 대형유조선 등의 저속선의 경우 80% 이상을 차지하는 중요한 저항이다.

따라서, 마찰저항을 감소시키고 선박의 추진성능을 향상시키기 위한 대책으로 선체 표면에 기포를 분출시켜 선체의 마찰저항을 감소시키는 방법이 주목을 받아 연구되어 오고 있다. 이와 같은, 기포를 이용하여 마찰저항 감소 방법은 해양에 대한 환경 오염 문제가 없어 해양환경을 보호할 수 있다.

또한, 최근 환경 에너지 관련하여 전 세계적으로 이슈가 되고 있으며, 특히, 선박의 엔진에서 배출되는 배기가스의 폐열을 회수하기 위한 노력이 시도되고 있다.

종래기술은 선박 운항 시 발생하는 선저저항을 감소시키기 위하여 선저저항을 감지하는 감지부를 포함하고, 기포를 발생시키는 저감모듈을 제어하는 컨트롤러를 포함하여 감지부에서 감지한 선저저항 정보를 통하여 저감모듈에서 기포를 발생하여 선저저항을 감소시킨 것이었다.

이와 같이, 선행문헌은 선저저항을 감지하기 위한 감지부와 저감모듈을 제어하기 위한 컨트롤러가 필요하여 선저저항을 감소 시키기 위한 구조가 복잡할 수 있다.

본 발명에서는 일반적으로 마찰손실을 줄이기 위해 구름마찰 →윤활유→공기→진공으로 발전하여, 에너지절감과 고속화를 실현해가는 현대의 기술계에서 선박은 여기에 미치지 못함에 주목하여, 공기의 물리적 특성인 물속에서 위로 뜨는 성질을 응용하여 본 발명의 핵심 장치인 선저(04)의 격벽(36)으로 형성되는 에어포켓을 착안한 것과,

선박이 흘수선 깊이로 운항할 때 20m x 700m=14000m²의 넓은 측면에서도 마찰 손실이 이루어지는데 베르누이원리로 형성되는 측면과 물 사이의 진공부위로 기포를 분사, 공기가 측면에 밀착하여 흐르게 하여 마찰 손실을 줄이는 원리가 본 발명의 핵심 배경이다.

대한민국 출원번호 10-2015-0117439호

본 발명은 물에서 운항하는 선박에서 마찰계수가 공기의 1000배인 물과의 마찰로 인한 마찰손실을 줄이고, 물의 마찰저항으로 속도의 3자승에 달하는 연료소모 때문에 군함처럼 특수한 경우 외에는 고속 운항이 불가능할 정도로 비경제적을 수밖에 없는 점을 개선하여, 상용 선박들의 고속항진을 달성하는 것이 해결과제이다.

발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 선저에 공기를 저장하도록 에어포켓이 형성될 수 있고, 측면으로도 공기가 분사되어 공기층을 형성함으로써 선박의 하부 및 측면에 공기층으로 인한 윤활작용이 제공될 수 있도록 한 주행 저항 감소 기능을 갖는 선박을 제공하는데 있다.

본 발명에서 주어진 과제를 해결하기 위해 고체와 고체의 마찰 다음으로, 마찰 손실이 큰 고체와 물의 마찰로 이루어지는 선박의 운항에서 또는 호버크레프트와 같이 수상에 떠서 운항하게 할 수는 없어도 선체 구조의 특성상 물과 접촉하는 선저와 측면의 물과 선체 사이에 기포를 분사하도록 하여, 부분적으로 공기로 대체하여 마찰을 줄였다.

첫째는 선저에 에어포켓을 만들어 그 속에 호버크레프트에서 처럼 공기를 지속적으로 공급하여 선저의 넓은 면에서 접촉하는 물을 공기로 대체하여 마찰 손실을 줄였고,

둘째 측면은 선박이 정지해 있을 때는 그냥 공기가 올라오지만 선박의 운항하여 속도가 발생하면 선체와 물 사이에 베르누이의 원리가 발생 진공이 형성되는데 그 진공속으로 기포를 분사하여 기층을 유지하면서 선박을 전진하게 하는 방법을 통해 마찰손실을 줄였다.

본 발명의 목적은, 선체의 외부 바닥면의 외주연에 돌출 형성되며 에어가 충진되는 챔버를 갖는 격벽; 상기 격벽에 다수 형성되어 에어를 분출하는 노즐공을 갖는 토출부; 선체에 구비되며 상기 격벽의 챔버에 공기를 공급하는 에어공급부;를 포함하는 주행 저항 감소 기능을 갖는 선박에 의해 달성될 수 있다.

상기 토출부는 격벽의 내,외측면 및 저면에 노즐공이 복수개로 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 격벽은 선체의 외부 바닥면의 외주연과 측벽이 이어지는 모서리 부위에 모두 형성되어 선수부터 선미까지 모두 둘러싸도록 하여 폐쇄된 형태로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 격벽은 선체의 외부 바닥면의 외주연과 측벽이 이어지는 모서리 부위에 형성되되 선미부위는 개구되도록 하여 에어 볼륨이 배출되는 개구부가 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 선체는 선수의 전단에 에어배출관이 형성되고, 상기 에어베출관은 하부의 격벽 내 챔버와 통하도록 형성되거나 또는 외부 에어공급부와 직접 연결되는 것을 특징으로 한다.

상기 에어배출관은 노즐공이 단일로 형성되거나 또는 양측으로 배열되어 복수개 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 선저에 형성한 에어 포켓과, 선박의 외벽에 분사되는 기포들로 마찰계수가 물의 1/1000 인 공기로 대체하여, 마찰손실을 줄여 에너지 효율을 높이고 경제적 고속화를 가능하게 했다.

본 발명에 따르면, 선저에 공기를 저장하도록 에어포켓이 형성될 수 있고, 측면으로도 공기가 분사되어 공기층을 형성함으로써 선박의 하부 및 측면에 공기층으로 인한 윤활작용이 제공될 수 있는 효과가 있다.

도 1은 현존하는 제품의 기포궤적을 보여주는 사진.
도 2는 실시예에 따른 선박에 대한 조감도,
도 3은 실시예에 따른 선박에 대한 선저 조감도,
도 4는 실시예에 따른 선박에 대한 측면도,
도 5는 실시예에 따른 선박의 '선수공기공급관(10)'을 나타낸 도면,
도 6은 실시예에 따른 선박의 '측면공기공급관(20)'을 나타낸 도면,
도 7 및 도 8은 실시예에 따른 선박의 절단면도,
도 9는 다른 실시예에 따른 주행 저항 감소 기능을 갖는 선박에 대한 사시도,
도 10은 다른 실시예에 따른 주행 저항 감소 기능을 갖는 선박에 대한 정면도,
도 11은 다른 실시예에 따른 주행 저항 감소 기능을 갖는 선박에 대한 측면도,
도 12는 또다른 실시예를 나타낸 사시도,
도 13은 또다른 실시예를 나타낸 부분 확대도.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 토대로 상세하게 설명하면 다음과 같다.

후술하는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 개념과 당해 기술분야에서 통용 또는 통상적으로 인식되는 의미로 해석되어야 함을 명시한다.

또한, 본 발명과 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

여기서, 첨부된 도면들은 기술의 구성 및 작용에 대한 설명과 이해의 편의 및 명확성을 위해 일부분을 과장하거나 간략화하여 도시한 것으로서, 각 구성요소가 실제의 크기와 정확하게 일치하는 것은 아니다.

본 발명은 선박의 마찰 면에서의 마찰 물질을 물 대신 공기로 대체하여 마찰 손실을 줄이기 위한 장치로, 도 1은 현존하는 제품에서 시험 운용되고 있는 제품의 사진으로 본 발명의 발명 취지와 기포 궤적의 이해를 돕기 위해 채택한 사진이다(수중에서 찍은 배저부, 인터넷자료).

도 2는 본 발명의 각 장치 전체를 조망한 선박 조감도이다.

도 3는 각 장치들의 위치와 기능에 관한 이해를 돕기 위해 중요한 장치들이 많이 모여 있는 선저를 위로 향하게 뒤집어 조망해본 조감도이다.

도 4는 선박의 측면을 조감한 도면이다.

도 5는 본 발명의 선수기포공급관(11)의 설치도로써, 내부에 선수공기공급관(10)을 내장하고, 좌우 양현에 선수기포공급관(11)을 배열한다.

상기 선수기포공급관(11)의 흘수선(00) 아래 부분에 적절한 간격으로 배치된 선수기포노즐(12)에서 분사된 기포가 선박의 좌우표면에 밀착하여 흐르며 부분적으로 물을 대체시키기 위한 장치의 배치도로 공선일 때와 만선일 때의 깊이의 차이에 따른 선수기포노즐(12)의 개폐는 센서를 통한 자동화로 공기 소모를 줄일 수 있다.

도 6은 선박의 좌,우현에 대칭되고, 유선형으로 생긴 측면기포공급관(21)의 내부에 분사에 필요한 공기를 공급하기 위한 측면공기공급관(20)을 설치하고, 측면기포공급관(21)의 흘수선(00)아래 앞쪽에 설치된 측면기포노즐(22)에서 분사되는 기포도 마찬가지로 측면기포공급관(21)을 감싸고 뒤로 흐르면서 선박의 측면을 기포로 감싸는 효과로 선박의 마찰손실을 줄여 주며, 이 측면기포노즐(22) 또한 센서를 통한 자동화로 공기소모를 줄일 수 있다.

도 7은 본 발명에서 선저(04)의 격벽(36)으로 만든 에어포켓의 구조와 격벽(36)및 격자(34)의 설치상태가 도시되어 있다.

선저(04)와 격벽(36)의 높이 등을 비교 설명하기 위한 도면으로 통상의 선박들은 선저가 “U”자 형태로 이루어져 있고 격벽(36)의 높이는 이 선저의 가장 낮은 곳에서 넓은 선저(04)의 면적을 비교 분석하여 가장 효율적일 수 있도록 2 ~ 3m정도의 깊이로 설치하여 에어포켓을 구성한다.

상기 에어포켓의 내부에 들어있는 공기가 선박의 운항중 배의 좌우(롤링)나 전후(핏칭)로의 흔들림으로 손실되는 공기를 에어포켓공기공급공(33)을 통해 지속적으로 보충하여, 항해시 통상 선저(04)의 공기는 선저공기공급관(30)의 최저선과 일치하게 유지시키며 에어포켓 내부의 공기가 배의 흔들림에 의한 쏠림현상으로 인해 발생할 수 있는 수위의 격차를 줄이며, 손실을 최소화하기 위해 격자(34)을 설치하고 격자(34)에 의해 분리되어 있으면서도 에어포켓 전체의 공기의 저면을 일정하게 유지하기 위하여 선저(04)와의 부착 부위에, 선박에서의 저유탱크나 저수탱크의 내부처럼 소통공(35)이 구성된다.

도 8은 선저(04)를 뒤집은 모습의 단면도이다. 격벽(36)이 안으로 좁아지는 형태로 형성된다.

선저기포노즐(32)에서 분사된 기포의 이동방향을 감안하여 설치하였고 격벽(36)의 끝부분 내면을 따라 설치된 선저공기공급관(30)은 기포들의 이동 경로가 돌출되어 흐름에 방해가 되는 것을 방지하기 위해 형성된다.

선저공기공급관(30)은 선저기포공급관(31)과 동일한 관으로 두 가지 기능을 동시에 하도록 설치하였으며 선저공기공급관(30)의 최저측 밑면의 중앙선을 중심으로 외측과 내측으로 구분된다.

외측은 선저기포노즐(32) 내측은 에어포켓공기공급공(33)을 설치한다.

선저기포노즐(32)을 통해서는 기포를 선박 외측에 분사하고 에어포켓공기공급공(33)을 통해서는 에어포켓에 공기를 공급한다.

도면상 선박에 비해 격벽의 높이가 높아 보이지만 도면에서는 각 장치들의 위치를 나타냈을 뿐 실제 선박의 크기는 선폭이 약 40m이고 길이는 약 300m이며 흘수선(00)까지의 높이 또한 20m 정도로 매우 크며 여기에 비해 격벽의 높이는 약 2 ~ 3m에 불과하므로 40 x 300=12000 m²의 방대한 선저와 20 x 700=14000 m²의 방대한 측면을 가지는 선박의 마찰손실을 줄이기에 유효한 장치이다.

첨부된 도면 중에서, 도 9는 다른 실시예에 따른 주행 저항 감소 기능을 갖는 선박에 대한 사시도, 도 10은 다른 실시예에 따른 주행 저항 감소 기능을 갖는 선박에 대한 정면도, 도 11은 다른 실시예에 따른 주행 저항 감소 기능을 갖는 선박에 대한 측면도, 도 12는 또다른 실시예를 나타낸 사시도, 도 13은 또다른 실시예를 나타낸 부분 확대도이다.

도 9 내지 도 13에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 주행 저항 감소 기능을 갖는 선박은, 선체(100)의 외부 바닥면의 외주연에 돌출 형성되며 에어가 충진되는 챔버(220)를 갖는 격벽(200); 상기 격벽(200)에 다수 형성되어 에어를 분출하는 노즐공(320)을 갖는 토출부; 선체(100)에 구비되며 상기 격벽(200)의 챔버(220)에 공기를 공급하는 에어공급부(400);를 포함하여 구성된다.

발명의 설명에 있어서 선수는 배의 앞부분을 의미하며, 선미는 배의 뒷부분을 의미한다.

상기 토출부는 격벽(200)의 내,외측면 및 저면에 노즐공(320)이 복수개로 형성되어 이루어진다.

노즐공(320)은 에어를 고압으로 토출시키기 위해 미세공이 적어도 1개 이상 형성되며, 바람직하게는 확대도에 나타낸 바와 같이, 격벽(200)의 외측, 내측, 하단에 모두 노즐공(320)이 형성된다.

더욱이 보다 선박 주행시 에어 토출에 의해 적절한 공기층의 형성을 유발하기 위해 노즐공(320)은 최적의 경사각도를 가질수도 있을 것이다.

예를들어 양측 노즐공(320)은 격벽(200)의 양측에 상향 경사지게 형성되거나 또는 양측 노즐공(320)은 격벽(200)의 양측에 각기 상이한 각도로 경사각을 갖도록 형성될 수 있다(도 9의 확대도 참조).

격벽(200)의 하단에 형성되는 노즐공(320)은 단일 또는 복수개 형성되는 것일 수도 있다(도 9의 확대도 참조).

상기 격벽(200)은 도 9와 같이, 선체(100)의 외부 바닥면(110)의 외주연과 측벽(120)이 이어지는 모서리 부위에 모두 형성되어 선수(130)부터 선미(140)까지 모두 둘러싸도록 하여 폐쇄된 형태로 이루어진다.

상기 격벽(200)이 선체(100)의 바닥면(110) 외주연에 모두 감싸도록 형성되어 소정의 에어포켓을 형성할 수 있게 된다.

도 10에 나타낸 바와 같이, 에어포켓에 의해 선체 바닥면과 물과 이격되는 공기층이 형성되고, 이에 따라 윤활작용이 이루어질 수 있다.

격벽(200)의 측방으로 분사되는 공기는 도 11에 나타낸 바와 같이, 주행하는 속도에 비례하여 우상향으로 배출되며, 선체 측면에 공기층을 형성하여 마찰 저항을 감소시켜줄 수 있게 된다.

또는 도 12에 니타낸 바와 같이, 격벽(200)은 선체(100)의 외부 바닥면(110)의 외주연과 측벽(120)이 이어지는 모서리 부위에 형성되되 선미부위는 개구되도록 하여 에어 볼륨이 배출되는 개구부(113)가 형성된 것일 수 있다.

이에 따라 에어포켓을 형성하는 공기층이 대량으로 보다 신속하게 후방으로 배출될 수 있다.

한편 도 13에 나타낸 바와 같이, 선체(100)는 선수(130)의 전단에 에어배출관(500)이 형성된다.

상기 에어배출관(500)은 하부의 격벽(200) 내 챔버(220)와 통하도록 형성되거나 또는 외부 에어공급부(400)와 직접 연결된다.

또한 도 13의 확대도에 나타낸 바와 같이, 상기 에어배출관(500)은 노즐공(520)이 단일로 형성되거나 또는 양측으로 배열되어 복수개 형성될 수 있다.

양측에 각기 노즐공(520)이 형성됨으로서 선수의 양측면으로 보다 균일하게 에어가 배출되어 선수(130)의 양측면에 각기 공기층을 형성할 수 있다.

본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 안에서 예시되지 않은 여러 가지 변형과 응용이 가능함은 물론 구성요소의 치환 및 균등한 타실시 예로 변경할 수 있으므로 본 발명의 특징에 대한 변형과 응용에 관계된 내용은 본 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

00 ; 흘수선 20 ; 측면공기공급관, 30 ; 선저공기공급관,
01 ; 선체, 21 ; 측면기포공급관, 31 ; 선저기포공급관,
02 ; 선미, 22 ; 측면기포노즐, 32 ; 선저기포노즐
03 ; 선수, 33 ; 에어포켓공기공급공
04 ; 선저 34 ; 격자 35 ; 소통공
36 ; 격벽 10 ; 선수공기공급관 11 ; 선수기포공급관,
12 ; 선수기포노즐
100 : 선체 130 : 선수
140 : 선미 200 : 격벽
400 : 에어공급부 320 : 노즐공
500 : 에어배출관

Claims (9)

1. 주행 저항 감소 기능을 갖는 선박에 관한 것으로, 선체의 외부 바닥면의 외주에 형성되어 에어가 충진되는 에어포켓을 형성시키는 격벽 ;
   상기 격벽에 부착되며, 하부 외측에 형성된 선저기포노즐과 내부에 형성되어 에어포켓에 공기를 공급하는 에어포켓공기공급공을 구비한 선저공기공급관 ;
   선수에 구비되어 공기공급과 기포를 발생하도록 설치된 선수공기공급관;을 포함하는 것으로,
   선저에 공기를 저장하도록 에어포켓이 형성되어 선박의 외벽과 물 사이의 진공이 형성된 공간으로 공기를 분사하여 공기층을 형성함으로써 공기윤활작용이 제공되도록 하는 것을 특징으로 하는 주행 저항 감소 기능을 갖는 선박.
2. 제 1항에 있어서,
   선체의 측면에 구비되어 공기공급과 기포를 발생하도록 측면기포공급관이 형성된 측면공기공급관;을 포함하는 것을 특징으로 하는 주행 저항 감소 기능을 갖는 선박.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 격벽이 안으로 좁아지는 형태로 형성되고,
   상기 선저기포노즐에서 분사된 기포의 이동방향을 감안하여 형성되고,
   상기 격벽의 끝부분 내면을 따라 선저공기공급관이 형성되어 기포들의 이동 경로가 돌출되어 흐름에 방해가 되는 것을 방지하도록 한 것을 특징으로 하는 주행 저항 감소 기능을 갖는 선박.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 에어포켓 내부에 설치되어 선박의 운항시 흔들림으로 인한 공기의 불안전한 이동을 막아주기 위해 설치된 격자와,
   상기 격자에 의해 분리되어 있으면서도 에어포켓 전체의 공기의 저면을 일정하게 유지하기 위하여 선저와의 부착 부위에 형성되는 소통공을 포함하는 것을 특징으로 하는 주행 저항 감소 기능을 갖는 선박.
5. 선체의 외부 바닥면의 외주연에 돌출 형성되며 에어가 충진되는 챔버를 갖는 격벽;
   상기 격벽에 다수 형성되어 에어를 분출하는 노즐공을 갖는 토출부;
   선체에 구비되며 상기 격벽의 챔버에 공기를 공급하는 에어공급부;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 주행 저항 감소 기능을 갖는 주행 저항 감소 기능을 갖는 선박.
6. 제 5항에 있어서,
   상기 토출부는 격벽의 내,외측면 및 저면에 노즐공이 복수개로 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 주행 저항 감소 기능을 갖는 선박.
7. 제 5항에 있어서,
   상기 격벽은
   선체의 외부 바닥면의 외주연과 측벽이 이어지는 모서리 부위에 모두 형성되어 선수부터 선미까지 모두 둘러싸도록 하여 폐쇄된 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 주행 저항 감소 기능을 갖는 선박.
8. 제 5항에 있어서,
   상기 격벽은
   선체의 외부 바닥면의 외주연과 측벽이 이어지는 모서리 부위에 형성되되 선미부위는 개구되도록 하여 에어 볼륨이 배출되는 개구부가 형성된 것을 특징으로 하는 주행 저항 감소 기능을 갖는 선박.
9. 제 5항에 있어서,
   상기 선체는
   선수의 전단에 에어배출관이 형성되고,
   상기 에어베출관은 하부의 격벽 내 챔버와 통하도록 형성되거나 또는 외부 에어공급부와 직접 연결되는 것을 특징으로 하는 주행 저항 감소 기능을 갖는 선박.
   
   

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