KR20220062838A - 선박의 전가동 러더 및 이를 구비한 선박 - Google Patents

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KR20220062838A
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Abstract

본 발명은 선체의 조향을 위해 프로펠러(Propeller)의 후방에 설치되는 선박의 전가동 러더에 관한 것으로서, 상기 선체의 후미에 마련된 러더 스케그(Rudder skeg)에 회전 가능하게 결합되고 상기 프로펠러의 후류가 입사되는 러더 몸체부; 및 상기 러더 몸체부의 하단에 설치되고 복수개의 요홈이 좌우 방향으로 서로 간격을 두고 형성되는 단부 팁을 포함한다.

Description

선박의 전가동 러더 및 이를 구비한 선박{FULL SPADE RUDDER AND SHIP HAVING THE SAME}
본 발명은 선박의 전가동 러더에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전가동 러더의 하단에 작용하는 팁 보텍스의 영향을 최소화하여 전가동 러더의 양력을 증가시킬 수 있는 선박의 전가동 러더 및 이를 구비한 선박에 관한 것이다.
일반적으로, 선박은 선체의 후미에 부착되어 있는 프로펠러(Propeller)가 회전할 때 발생하는 유체의 흐름을 이용하여 전진하며, 프로펠러를 회전시켜 일정 속도를 갖기 위하여 엔진을 구동하게 된다.
여기에서, 엔진의 구동으로 인한 많은 양의 연료가 소모되고 그로 인한 대량의 온실가스가 배출됨에 따라 환경 오염 등의 문제를 야기하게 되므로, 이를 해결하기 위한 다양한 노력들이 이루어지고 있다.
최근에는 세계적으로 환경규제가 강화되는 추세에 따라 질소산화물과 미세먼지 등 환경오염 물질의 배출량이 많은 디젤 엔진(Diesel engine) 선박보다는 액화천연가스(LNG; Liquefied Natural Gas)와 같이 황산화물이나 질소산화물 등의 오염 물질이 상대적으로 적은 친환경 연료 선박으로 대체해 나가고 있다.
특히, 글로벌 선사들의 친환경 고효율이라는 니즈(Needs)를 만족시키기 위하여, 자체적으로 전력을 생산할 수 있는 친환경 전력 생산 기술이나 선박의 추진 시 소비되는 연료를 절감하여 연료 사용량을 감축할 수 있는 연료 절감 기술 등에 대한 연구 및 개발이 활발히 진행되고 있다.
한편, 프로펠러의 후방에는 선체의 조향을 위한 러더(Rudder)가 설치되는데, 러더는 유체의 흐름 속에 놓여진 상태에서 좌우로 회전이 가능하며, 프로펠러 후류의 받음각(Angle of attack)을 이용하여 양력을 발생시킴으로써 선박의 진행방향을 조정할 수 있다.
최근 선박의 조종 성능을 고려한 연료 절감 기술의 일 예로서, 선박의 후미나 프로펠러, 또는 러더 등의 형상을 개량하거나 별도의 부가물을 부착함으로써 추진 효율을 높이는 동시에 연료를 절감하는 연료 절감 장치(ESD: Energy Saving Device)가 큰 관심을 받고 있다.
이러한 연료 절감 장치는 선박의 추진 효율을 높이면서도 한편으로는 저항을 증가시킬 수 있으므로, 저항 증가를 최소화하면서 추진 효율을 극대화할 수 있는 연료 절감 장치에 대한 연구 및 개발이 지속적으로 요구된다.
전술한 기술구성은 본 발명의 이해를 돕기 위한 배경기술로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 종래 기술을 의미하는 것은 아니다.
대한민국 등록특허공보 제10-089797호 “러더벌브를 구비한 선박의 비대칭 전가동 러더”
한편, 본 출원인에 의해 프로펠러 중심을 기준으로 러더의 상부와 하부를 트위스트(Twist)시킨 비대칭 전가동 러더(Twisted full spade rudder)가 출원된 바 있다.
비대칭 전가동 러더에 대해 간략히 설명하면, 전가동 러더는 상부 러더와 하부 러더로 구성되고 상부 러더와 하부 러더의 전단은 서로 좌우로 어긋하게 형성되어 프로펠러의 축심 높이 주위에 불연속면을 형성하고, 불연속면에는 이를 감싸는 러더 벌브가 형성된다.
이러한 비대칭 전가동 러더는, 프로펠러의 축심 주위의 영향을 미치는 프로펠러 허브 보텍스(Herb vortex)의 영향을 완화시킴으로써 허브 보텍스로 인해 양력(lift)이 저하되는 현상을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
여기에서, 프로펠러의 축 중심점을 지나는 가상의 수평선을 기준으로 프로펠러 상부와 하부에서 나오는 유체의 흐름은 서로 반대의 방향을 가지게 된다.
도 1은 일반적인 러더의 하단에서 유체의 흐름을 나타낸 도면으로서, 프로펠러에 의한 후류는 전가동 러더에 입사되어 전가동 러더의 상부와 하부 각각에서 압력이 다르게 형성됨을 알 수 있다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 전가동 러더의 하단으로 후류가 작용하게 되면, 전가동 러더의 하단에 생성된 팁 보텍스(Tip vortex)로 인한 양력이 감소되는 현상이 발생될 수 있다.
본 발명은 전가동 러더의 하단에 작용하는 팁 보텍스의 영향을 최소화함으로써 전가동 러더의 양력을 증가시킬 수 있는 선박의 전가동 러더 및 이를 구비한 선박을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 선체의 조향을 위해 프로펠러(Propeller)의 후방에 설치되는 선박의 전가동 러더로서, 상기 선체의 후미에 마련된 러더 스케그(Rudder skeg)에 회전 가능하게 결합되고 상기 프로펠러의 후류가 입사되는 러더 몸체부; 및 상기 러더 몸체부의 하단에 설치되고 복수개의 요홈이 좌우 방향으로 서로 간격을 두고 형성되는 단부 팁을 포함하는 선박의 전가동 러더가 제공될 수 있다.
상기 복수개의 요홈은 상기 러더 몸체부의 전단과 후단을 잇는 방향으로 길게 연장 형성될 수 있다.
또한, 상기 단부 팁은 섬유강화 플라스틱(FRP; Fiber Reinforced Plastics) 재질로 마련될 수 있다.
또한, 상기 단부 팁 표면의 적어도 일 부분에는 팁 보텍스로 인한 손상을 방지하기 위한 내침식성 코팅재가 도포될 수 있다.
또한, 상기 러더 몸체부는, 상기 러더 스케그와 인접하게 위치되는 상부 러더; 상기 상부 러더의 하부에 마련되는 하부 러더; 및 상기 상부 러더와 상기 하부 러더 사이에서 전단으로 돌출 형성되는 러더 벌브(Rudder bulb)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 상부 러더 및 상기 하부 러더 각각의 횡단면은 전단이 선수측 방향으로 볼록한 곡면을 갖고 후단으로 갈수록 뽀족한 에어포일(Airfoil) 형상을 가질 수 있다.
또한, 상기 상부 러더의 전단과 상기 하부 러더의 전단은 서로 좌우로 어긋나게 위치될 수 있다.
또한, 상기 상부 러더와 상기 하부 러더 각각의 리딩 엣지는 상하 방향으로 길게 연장 형성되되, 상기 상부 러더와 상기 하부 러더의 리딩 엣지 중 적어도 하나는 러더 몸체부의 무게중심을 지나는 가상의 수직선을 기준으로 편향되게 위치될 수 있다.
또한, 상기 상부 러더 및 상기 하부 러더 각각의 리딩 엣지는 상기 수직선에 평행하게 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 선수와 선미를 갖는 선체; 상기 선체의 추진력을 발생시키기 위한 프로펠러; 및 상기 선체의 조향을 위해 상기 프로펠러의 후방에 설치되는 전가동 러더를 포함하는 선박이 제공될 수 있다.
상기 전가동 러더는, 상기 선체의 후미에 마련된 러더 스케그(Rudder skeg)에 회전 가능하게 결합되고 상기 프로펠러의 후류가 입사되는 러더 몸체부; 및 상기 러더 몸체부의 하단에 설치되고 복수개의 요홈이 좌우 방향으로 서로 간격을 두고 형성되는 단부 팁을 포함할 수 있다.
또한, 상기 복수개의 요홈은, 상기 러더 몸체부의 전단과 후단을 잇는 방향으로 길게 연장 형성되어, 상기 프로펠러의 작동 시 상기 전가동 러더의 하단에 팁 보텍스로 인한 유체 흐름을 교란시킬 수 있다.
본 발명은 러더 몸체부의 하단에 복수개의 요홈이 형성된 단부 팁을 추가 설치하여 전가동 러더의 하단에 생성되는 팁 보텍스의 영향을 최소화함으로써, 전가동 러더의 양력을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 전가동 러더의 타면적 저감 설계가 가능할 수 있다.
도 1은 일반적인 러더의 하단에서 유체의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 전가동 러더의 정면을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 전가동 러더의 측면을 도시한 도면이다.
도 4는 도 3의 A 영역의 저면 및 정면을 확대 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.
우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 전가동 러더의 정면을 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 전가동 러더의 측면을 도시한 도면이며, 도 4는 도 3의 A 영역의 저면 및 정면을 확대 도시한 도면이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 전가동 러더는, 선체의 조향을 위해 프로펠러(Propeller)(미도시)의 후방에 설치되는 선박의 전가동 러더(Full spade rudder)(100)에 관한 것으로서, 선체의 후미에 마련된 러더 스케그(Rudder skeg)(10)에 회전 가능하게 결합되는 러더 몸체부(110)와, 러더 몸체부(100)의 하단에 설치되는 단부 팁(130)을 포함할 수 있다.
러더 몸체부(110)는 프로펠러의 후류가 입사되어 받음각(Angle of attack)을 이용한 양력을 발생시키기 위한 것으로, 내부에는 러더 몸체부(110)에 회전 동력을 전달하기 위한 축 역할을 하는 러더 스톡(Rudder stock)이 삽입될 수 있다.
러더 몸체부(110)의 횡단면은 전단이 선수측 방향으로 볼록한 곡면을 갖고 후단으로 갈수록 뾰족한 에어포일(Airfoil) 형상을 가질 수 있으며, 상부에서 하부로 갈수록 면적이 감소하는 형태일 수 있다.
여기에서, 러더 몸체부(110)의 전단에는 리딩 엣지(Leading edge, 또는 앞날부)가 형성될 수 있으며, 러더 몸체부(110)의 후단에는 트레일링 엣지(Trailing edge, 또는 뒷날부)가 형성될 수 있다.
본 실시예의 러더 몸체부(110)는, 러더 스케그(10)와 인접하게 위치되는 상부 러더(111)와, 상부 러더(111)의 하부에 마련되는 하부 러더(113)와, 상부 러더와 하부 러더 사이에서 전단으로 돌출 형성되는 러더 벌브(Rudder bulb)를 포함할 수 있다.
본 실시예에서, 상부 러더(111) 및 하부 러더(113) 각각의 횡단면 형상은 전단이 선수측 방향으로 볼록한 곡면을 갖고 후단으로 갈수록 뾰족한 에어포일 형태로 이루어질 수 있으며, 상부 러더(111)의 전단과 하부 러더(113)의 전단은 서로 좌우로 어긋나게 위치될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 전가동 러더(100)는, 뒤틀린 리딩 엣지(Twisted leading edge)와 러더 벌브(115)를 갖는 비대칭 전가동 러더일 수 있다.
구체적으로, 상부 러더(111) 및 하부 러더(113) 각각의 리딩 엣지(111a, 113a)는 상하 방향으로 길게 연장 형성되되, 상부 러더(111)와 하부 러더(113)의 전단, 또는 리딩 엣지(111a, 113a) 중 적어도 하나는 러더 몸체부(110)의 무게중심을 지나는 가상의 수직선을 기준으로 편향될 수 있다.
여기에서, 상부 러더(111)와 하부 러더(113) 각각의 리딩 엣지(111a, 113a)는 상기 수직선에 평행하게 형성될 수 있다.
러더 벌브(115)는 상부 러더(111)와 하부 러더(113) 사이에서 전단으로 돌출 형성되는 것으로, 프로펠러 회전축 중심(또는, 프로펠러 샤프트)의 연장선 상에 위치될 수 있으며, 상부 러더(111)와 하부 러더(113)의 비틀림으로 인한 횡단면 변화폭을 감쌀 수 있도록 러더 몸체부(110)의 좌우측까지 연장되는 형태를 가질 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 전가동 러더(100)는, 도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 프로펠러의 작동 시 전가동 러더의 하단에서 발생하는 팁 보텍스(Tip vortex)로 인한 양력이 감소되는 현상을 완화시키기 위하여 러더 몸체부(110)의 하단에 단부 팁(130)이 설치될 수 있다.
본 실시예의 단부 팁(130)은, 전가동 러더(100)의 제작 과정에서 러더 몸체부(110)와 일체 형성될 수 있으며, 이미 제작이 완료되어 선박에 적용된 전가동 러더의 경우에는 러더 몸체부(110)의 하단에 단부 팁(130)을 간단히 추가 설치하여 적용될 수 있다.
단부 팁(130)은 러더 몸체부(110)의 하단에서 복수개의 요홈(131)이 좌우 방향(러더 몸체부(110)의 좌우측, 도 2 기준)으로 서로 간격을 두고 형성될 수 있다.
본 실시예에서, 복수개의 요홈(131)은 러더 몸체부(110)의 전단과 후단을 잇는 방향으로 길게 연장 형성되어, 프로펠러의 작동 시 전가동 러더(100)의 하단에 팁 보텍스로 인한 유체 흐름을 교란시키는 역할을 수행할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 단부 팁(130)을 분리하여 확대 도시한 도면으로서, 도 4의 (a)는 본 실시예의 단부 팁(130)을 저면에서 바라본 모습을 나타낸 도면이며, 도 4의 (b)는 본 실시예의 단부 팁(130)의 정면을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예의 단부 팁(130)은 2줄의 요홈(131)이 길게 연장 형성되어 있는 것이 도시되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 단부 팁(130)의 요홈(131)은 러더의 크기나 러더 하단부의 유체 흐름에 대한 전산수치해석 결과 등에 따라 다양하게 형성될 수 있으며, 3줄, 또는 그 이상 형성될 수도 있다.
한편, 러더에는 캐비테이션(Cavitation, 공동현상)으로 인한 침식(Erosion) 손상이 발생될 수 있다.
캐비테이션이란 유체 압력이 낮아지게 되면 유체 내 포함되어 있던 공기로 인해 기포가 발생하는 현상으로 공동 현상이라고도 하는데, 선박 운항 시 프로펠러의 회전에 의해 캐비테이션이 발생될 수 있으며, 이는 프로펠러의 후방에 설치된 러더에 침식 문제를 야기할 수 있다.
종래에는 대체로 선박이 20노트 이하의 저속으로 운항되어 캐비테이션으로 인한 침식 문제는 크게 문제가 되지 않았으나, 최근에 들어서 기술 발전 및 선박의 기계 성능 향상에 따라 고속 운항이 증가되고 있으며, 캐비테이션은 러더의 양력 저하를 일으키는 보텍스(Vortex, 와류)와 함께 작용되어 러더의 손상 속도를 크게 증가시킬 수 있다.
본 실시예에 있어서, 러더 몸체부(110)는, 강재의 주조(Casting)방식을 통한 뼈대를 각각 가질 수 있으며, 캐비테이션 및 허브 보텍스로 인한 손상을 최소화하기 위하여 러더 몸체부(110)의 외면에 패브릭과 레진 등으로 이루어진 섬유강화 플라스틱(FRP; Fiber Reinforced Plastics)과 같은 복합재를 도포 내지 적층시킬 수 있다.
또한, 단부 팁(130)은, 러더 몸체부(110)와 유사하게, 주조강으로 마련될 수 있으나, 경량화 및 내부식성 향상을 위해 섬유강화 플라스틱과 같은 복합재로 대체될 수 있으며, 단부 팁(130)의 표면에는 내침식성 코팅재를 부분 도포하여 캐비테이션 및 팁 보텍스로 인한 손상을 미연에 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 전가동 러더(100)는, 러더 몸체부(110)의 하단에 복수개의 요홈(131)이 형성된 단부 팁(130)을 설치하여 전가동 러더(100)의 하단에 생성되는 팁 보텍스의 영향을 최소화함으로써, 전가동 러더(100)의 양력을 증가시킬 수 있다.
아울러, 선박의 조종성능에 직접적인 영향을 주는 타력(Rudder force), 즉 조타 시 발생하는 양력은 타면적에 비례하는데, 본 실시예의 전가동 러더(100)는, 러더 몸체부(110)의 하단에 설치된 단부 팁(130)을 통해 유체 흐름을 교란하고 3차원 효과로 인한 양력 저하를 최소화함으로써, 타면적을 줄이더라도 기존 대비 유사한 수준의 타력을 확보할 수 있으므로, 전가동 러더(100)의 타면적 저감 설계가 가능한 유리한 효과를 가질 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.
본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
또한, 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.
100: 전가동 러더(Full spade rudder)
110: 러더 몸체부
111: 상부 러더
113: 하부 러더
115: 러더 벌브(Rudder bulb)
130: 단부 팁
131: 요홈

Claims (10)

  1. 선체의 조향을 위해 프로펠러(Propeller)의 후방에 설치되는 선박의 전가동 러더로서,
    상기 선체의 후미에 마련된 러더 스케그(Rudder skeg)에 회전 가능하게 결합되고 상기 프로펠러의 후류가 입사되는 러더 몸체부; 및
    상기 러더 몸체부의 하단에 설치되고 복수개의 요홈이 좌우 방향으로 서로 간격을 두고 형성되는 단부 팁을 포함하는 선박의 전가동 러더.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 복수개의 요홈은 상기 러더 몸체부의 전단과 후단을 잇는 방향으로 길게 연장 형성되는 선박의 전가동 러더.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 단부 팁은 섬유강화 플라스틱(FRP; Fiber Reinforced Plastics) 재질로 마련되는 선박의 전가동 러더.
  4. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 단부 팁 표면의 적어도 일 부분에는 팁 보텍스로 인한 손상을 방지하기 위한 내침식성 코팅재가 도포되는 선박의 전가동 러더.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 러더 몸체부는,
    상기 러더 스케그와 인접하게 위치되는 상부 러더;
    상기 상부 러더의 하부에 마련되는 하부 러더; 및
    상기 상부 러더와 상기 하부 러더 사이에서 전단으로 돌출 형성되는 러더 벌브(Rudder bulb)를 포함하는 선박의 전가동 러더.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 상부 러더 및 상기 하부 러더 각각의 횡단면은 전단이 선수측 방향으로 볼록한 곡면을 갖고 후단으로 갈수록 뽀족한 에어포일(Airfoil) 형상을 갖는 선박의 전가동 러더.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 상부 러더의 전단과 상기 하부 러더의 전단은 서로 좌우로 어긋나게 위치되는 선박의 전가동 러더.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 상부 러더와 상기 하부 러더 각각의 리딩 엣지는 상하 방향으로 길게 연장 형성되되, 상기 상부 러더와 상기 하부 러더의 리딩 엣지 중 적어도 하나는 러더 몸체부의 무게중심을 지나는 가상의 수직선을 기준으로 편향되게 위치되는 선박의 전가동 러더.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 상부 러더 및 상기 하부 러더 각각의 리딩 엣지는 상기 수직선에 평행하게 형성되는 선박의 전가동 러더.
  10. 선수와 선미를 갖는 선체;
    상기 선체의 추진력을 발생시키기 위한 프로펠러; 및
    상기 선체의 조향을 위해 상기 프로펠러의 후방에 설치되는 전가동 러더를 포함하고,
    상기 전가동 러더는,
    상기 선체의 후미에 마련된 러더 스케그(Rudder skeg)에 회전 가능하게 결합되고 상기 프로펠러의 후류가 입사되는 러더 몸체부; 및
    상기 러더 몸체부의 하단에 설치되고 복수개의 요홈이 좌우 방향으로 서로 간격을 두고 형성되는 단부 팁을 포함하고,
    상기 복수개의 요홈은, 상기 러더 몸체부의 전단과 후단을 잇는 방향으로 길게 연장 형성되어, 상기 프로펠러의 작동 시 상기 전가동 러더의 하단에 팁 보텍스로 인한 유체 흐름을 교란시키는 선박.
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