KR20220139394A - 선박의 프로펠러 양측에 배치되는 좌현 타와 우현 타를 구비하는 게이트 러더 - Google Patents

선박의 프로펠러 양측에 배치되는 좌현 타와 우현 타를 구비하는 게이트 러더 Download PDF

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노리유키 사사키
사다토모 쿠리바야시
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가부시키가이샤 케이 세븐
가모메푸로페라 가부시키가이샤
노리유키 사사키
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Abstract

[과제] 선박의 항해 중에 에너지 소비를 저감시킬 수 있는 게이트 러더를 제공한다. [해결 수단] 선미의 프로펠러 양측에 배치되는 좌현 타와 우현 타로 구성되는 한 쌍의 타를 구비하는 게이트 러더에 있어서, 배면에서 볼 때, 상기 타를, 좌우 방향으로 연장되는 제1 타부와, 상하 방향으로 직선형으로 연장되는 제2 타부로 형성하고, 상기 제2 타부의 전후 방향의 타현 길이를 상기 프로펠러 직경의 40∼100%로 형성하며, 측면에서 볼 때, 상기 프로펠러를 제2 타부의 전연으로부터 타현 길이의 15∼65% 사이에 마련하고, 측면에서 볼 때, 상기 타를 구동하는 타축을, 상기 제2 타부의 전연으로부터 타현 길이의 30∼50% 위치에 마련하였다.

Description

선박의 프로펠러 양측에 배치되는 좌현 타와 우현 타를 구비하는 게이트 러더
본 발명은, 선박의 선미에 마련된 프로펠러 양측에 배치되는 좌현 타(左舵, Port rudder)와 우현 타(右舵, Starboard rudder)를 구비하는 게이트 러더(gate rudder)에 관한 것이다.
종래에는 선박의 선미에 마련된 프로펠러 양측에, 전후 방향으로 소정의 간격을 갖고 전후 방향으로 연장되는 좌현 타와 우현 타를 마련하여, 선박을 정지시킬 경우에는, 좌현 타와 우현 타를 프로펠러 후방으로 이동시키는 게이트 러더 기술이 알려져 있다(특허문헌 1).
또한, 프로펠러로부터 분출되는 분류(噴流)를 가속시키기 위하여, 프로펠러 양측에 프로펠러의 외주부를 따르도록 원호 형상으로 형성된 좌현 타와 우현 타를 구비하는 덕트 프로펠러 기술이 알려져 있다(특허문헌 2).
일본 특허공보 제5833278호 일본 공개특허공보 평1-501384호
그러나, 특허문헌 1의 기술에서는, 선박의 직진 시, 코안다 효과나, 항공기의 고양력 장치에 사용되는 어퍼 서페이스 블로잉(Upper Surface Blowing, 이하, USB라 함) 효과에 따른 충분한 타력(舵力)을 얻지 못하여, 선박의 항해 중에 에너지 소비를 충분히 저감시키지 못하였다는 문제가 있었다. 또한, 프로펠러 후방으로 조타한다는 특수성에서, 커다란 토크가 발생하여, 종래보다 작은 면적에도 불구하고, 종래와 거의 같은 조타기의 용량이 필요하였다.
또한, 특허문헌 2의 기술에서는, 프로펠러의 효율을 올리기 위해, 프로펠러와 좌우현 타의 클리어런스가 작게 설정되어 있기 때문에, 좌우현 타의 내부에 캐비테이션 침식(cavitation erosion)이 발생하기 쉽다는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명의 주요 과제는, 선박의 항해 중에 에너지 소비를 저감시킬 수 있는 게이트 러더를 제공하는 것에 있다. 또한, 본 발명의 다음 과제는, 좌우현 타의 내면에 발생하는 캐비테이션 침식 발생을 억제할 수 있는 게이트 러더를 제공하는 것에 있다. 나아가, 조타기의 용량을 작은 타의 면적에 알맞은 사이즈로 최적화시키는 것에 있다.
상기 과제를 해결한 본 발명은 다음에 기술하는 바와 같다.
청구항 1과 관련된 발명은, 선미의 프로펠러 양측에 배치되는 좌현 타와 우현 타로 구성되는 한 쌍의 타를 구비하는 게이트 러더에 있어서,
배면에서 볼 때, 상기 타를 좌우 방향으로 연장되는 제1 타부와 상하 방향으로 직선형으로 연장되는 제2 타부로 형성하고, 상기 제2 타부의 전후 방향 타현(舵弦) 길이를 상기 프로펠러 직경의 40∼100%로 형성하며, 측면에서 볼 때, 상기 프로펠러를 제2 타부의 전연으로부터 타현 길이의 15∼65% 사이에 마련하고, 측면에서 볼 때, 상기 타를 구동하는 타축(舵軸)을, 상기 제2 타부의 전연으로부터 타현 길이의 30∼50% 위치에 마련한 것을 특징으로 하는 게이트 러더이다.
청구항 2와 관련된 발명은, 측면에서 볼 때, 상기 타를 구동하는 타축을, 상기 제2 타부의 전연으로부터 타현 길이의 35∼45% 위치에 마련한, 청구항 1에 기재된 게이트 러더이다.
청구항 3과 관련된 발명은, 배면에서 볼 때, 상기 프로펠러와 제2 타부의 클리어런스를, 상기 프로펠러 직경의 4∼10%로 형성한, 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 게이트 러더이다.
청구항 4와 관련된 발명은, 상기 제2 타부에 비틀림각을 형성하고, 상기 제2 타부의 상부에 형성된 상부 비틀림각을, 상기 제2 타부의 상부에 형성된 하부 비틀림각보다 크게 형성한, 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 기재된 게이트 러더이다.
청구항 5와 관련된 발명은, 상기 상부 비틀림 각도를 3도 이상으로 형성하고, 상기 하부 비틀림 각도를 5도 이하로 형성한, 청구항 4에 기재된 게이트 러더이다.
청구항 6과 관련된 발명은, 선박이 정지 시에는, 상기 제2 타부를 전방 조타하는, 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 기재된 게이트 러더이다.
청구항 1에 기재된 발명에 따르면, 배면에서 볼 때, 타를, 좌우 방향으로 연장되는 제1 타부와, 상하 방향으로 직선형으로 연장되는 제2 타부로 형성하고, 제2 타부의 전후 방향 타현 길이를 프로펠러 직경의 40∼100%로 형성하며, 측면에서 볼 때, 프로펠러를, 제2 타부의 전연으로부터 타현 길이의 15∼65% 사이에 마련하고, 측면에서 볼 때, 타를 구동하는 타축을, 제2 타부의 전연으로부터 타현 길이의 30∼50% 위치에 마련하였기 때문에, 선박의 직진 시, 타의 제2 타부의 앞 부분에 발생하는 코안더 효과에 따른 큰 타력과, 뒷 부분에 발생하는 USB 효과에 따른 큰 타력으로 인해, 선박을 전방으로 이동시키는 커다란 추진력이 발생하여, 선박의 항해 중에 에너지 소비를 저감시킬 수 있고, 동시에 타의 토크 최소화를 도모할 수도 있다.
청구항 2에 기재된 발명에 따르면, 청구항 1에 기재된 발명의 효과와 더불어, 측면에서 볼 때, 타를 구동하는 타축을, 제2 타부의 전연으로부터 타현 길이의 35∼45% 위치에 마련하였기 때문에, 제2 타부를 전방 조타한 경우에 더 큰 타력을 발생시킬 수 있고, 동시에 타의 토크를 더 최소화할 수 있다.
청구항 3에 기재된 발명에 따르면, 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 발명의 효과와 더불어, 배면에서 볼 때, 프로펠러와 제2 타부의 클리어런스를 프로펠러 직경의 4∼10%로 형성하였기 때문에, 제2 타부의 뒷 부분에 발생하는 USB 효과에 따른 큰 타력을 유지함과 함께, 제2 타축 내면의 캐비테이션 침식 발생을 방지할 수 있다.
청구항 4에 기재된 발명에 따르면, 청구항 1 ∼ 3 중 어느 한 항에 기재된 발명의 효과와 더불어, 제2 타부에 비틀림각을 형성하고, 제2 타부의 상부에 형성된 상부 비틀림각을, 제2 타부의 상부에 형성된 하부 비틀림각보다 크게 형성하였기 때문에, 프로펠러로 흘러 들어가는 흡인류의 유속이 빠른 선박의 흘수가 얕은 부분에 대향하는 제2 타부의 상부에 더 커다란 추진력이 발생하여, 선박의 항해 중에 에너지 소비를 더 저감시킬 수 있다.
청구항 5에 기재된 발명에 따르면, 청구항 1 ∼ 4 중 어느 한 항에 기재된 발명의 효과와 더불어, 상부 비틀림 각도를 3도 이상으로 형성하고, 하부 비틀림 각도를 5도 이하로 형성하였기 때문에, 컨테이너선 등의 세장형 선형부터 유조선 등의 비대선 항해 중에 에너지 소비를 저감시킬 수 있다.
청구항 6에 기재된 발명에 따르면, 청구항 1 ∼ 4 중 어느 한 항에 기재된 발명의 효과와 더불어, 선박이 정지 시에는, 제2 타부를 전방 조타하기 때문에, 선박의 정지 시, 제2 타부에 발생하는 큰 타력에 의해 선박의 정지 거리를 짧게 만들 수 있다.
도 1은 프로펠러 양측에 좌현 타와 우현 타를 구비하는 게이트 러더의 사시도이다.
도 2는 게이트 러더의 좌측면도이다.
도 3은 게이트 러더의 우측면도이다.
도 4는 타의 전연으로부터 타현 길이의 30%(Cp=0.3) 위치에 타축을 마련한 경우, 타각을 잡았을 때에 프로펠러 후류에 피복되는 타의 면적(전체에 대한 백분율)이다.
도 5는 타의 전연으로부터 타현 길이의 50%(Cp=0.5) 위치에 타축을 마련한 경우, 타각을 잡았을 때에 프로펠러 후류에 피복되는 타의 면적(전체에 대한 백분율)이다.
도 6은 타의 전연으로부터 타현 길이의 70%(Cp=0.7) 위치에 타축을 마련한 경우, 타각을 잡았을 때에 프로펠러 후류에 피복되는 타의 면적(전체에 대한 백분율)이다.
도 7은 타각을 0∼60도 조작한 경우의 타력 중심 위치의 측정치이다.
도 8은 게이트 러더의 배면도이다.
도 9는 전방 조타 타각으로부터 후방 조타 타각으로 조타한 경우의 타력 측정치이다.
도 10은 Cp=0.3과 Cp=0.5에서 프로펠러와 게이트 러더의 최적 클리어런스의 시뮬레이션이다.
도 11은 선박의 선회 시, 선회각 속도의 통상의 타의 측정치이다.
도 12는 선박의 선회 시, 선회각 속도의 게이트 러더의 측정치이다.
도 13은 게이트 러더의 평면도이다.
도 14는 게이트 러더의 좌현 타의 (a)는 좌측면도, (b)는 좌현 타의 상부 횡단면도, (c)는 좌현 타의 하부 횡단면도, (d)는 좌현 타의 비틀림각 설명도이다.
도 15는 게이트 러더의 우현 타의 (a)는 우측면도, (b)는 우현 타의 상부 횡단면도, (c)는 우현 타의 하부 횡단면도, (d)는 우현 타의 비틀림각 설명도이다.
도 16은 통상의 타와 게이트 러더를 장비한 모형선을 사행(斜行) 각도 0∼10도에서 항행하였을 경우의 저항값의 측정치이다.
도 17은 통상의 타와 게이트 러더를 장비한 모형선을 사행 각도 0∼10도에서 항행하였을 경우의 타의 가로 방항력의 측정치이다.
도 18은 흡인류의 유장(流場) 교란의 (a)는 비틀림각이 형성되지 않은 게이트 러더, (b)는 비틀림각이 형성된 게이트 러더의 시뮬레이션이다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 본 실시형태의 타(이하, 게이트 러더라 함)는 선박의 프로펠러(1) 양측에 배치되는 좌현 타(2A)와 우현 타(2B)로 형성되어 있다.
좌현 타(2A)는 좌우 방향으로 연장되는 제1 좌현 타부(5A)와, 제1 좌현 타부(5A)의 좌단부로부터 아래쪽을 향하여 연장되는 제2 좌현 타부(6A)로 형성되어 있다. 또한, 제1 좌현 타부(5A)의 좌단부와 제2 좌현 타부(6A)의 상부를 경사 형상, 완만한 곡선 형상의 연결부(도시 생략)에서 연결할 수도 있다.
제1 좌현 타부(5A)의 우측 부분에는, 상하 방향으로 연장되는 좌현 타축(10A)이 고정되고, 좌현 타축(10A)의 상부는 선박의 기관실 내로 연장되며, 좌현 타축(10A)의 상부에는 좌현 타축(10A)을 조타시키는 좌측 조타기(도시 생략)가 연결되어 있다.
마찬가지로, 우현 타(2B)는 좌우 방향으로 연장되는 제1 우현 타부(5B)와, 제1 우현 타부(5B)의 우단부로부터 아래쪽을 향하여 연장되는 제2 우현 타부(6B)로 형성되어 있다. 또한, 제1 좌현 타부(5A)의 좌단부와 제2 좌현 타부(6A)의 상부를 경사 형상, 완만한 곡선 형상의 연결부(도시 생략)에서 연결할 수도 있다.
제1 우현 타부(5B)의 좌측 부분에는, 상하 방향으로 연장되는 우현 타축(10B)이 고정되고, 우현 타축(10B)의 상부는 선박의 기관실 내로 연장되며, 우현 타축(10B)의 상부에는 우현 타축(10B)을 조타시키는 우측 조타기(도시 생략)가 연결되어 있다.
또한, 본 명세서에 있어서는, 좌현 타(2A)와 우현 타(2B)를 총칭하여 타(2)라 하고, 제1 좌현 타부(5A)와 제1 우현 타부(5B)를 총칭하여 제1 타부라 하고, 제2 좌현 타부(6A)와 제2 우현 타부(6B)를 총칭하여 제2 타부(6)라 하고, 좌현 타축(10A)과 우현 타축(10B)을 총칭하여 타축이라 한다.
<제2 타부의 타현 길이>
도 2에 도시하는 바와 같이, 제2 좌현 타부(6A)의 좌현 타현 길이(CA)는 덕트 프로펠러의 덕트 길이와 동일하게 프로펠러(1) 직경(D)의 40∼100%로 형성하는 것이 바람직하다. 이로써, 제2 좌현 타부(6A)로부터 효율적으로 타력을 얻을 수 있다.
또한, 프로펠러(1)는 제2 좌현 타부(6A)의 전단부로부터 좌현 타현 길이(CA)의 15∼65% 사이, 즉, 프로펠러(1) 날개부의 전단부(E)를 제2 좌현 타부(6A)의 전단부로부터 좌현 타현 길이(CA)의 15%보다 후측에 배치하고, 프로펠러(1) 날개부의 후단부(F)를 제2 좌현 타부(6A)의 전단부로부터 좌현 타현 길이(CA)의 65%보다 전측에 배치하였다.
마찬가지로, 도 3에 도시하는 바와 같이, 제2 우현 타부(6B)의 우현 타현 길이(CB)는 프로펠러(1) 직경(D)의 40∼100%로 형성하는 것이 바람직하다. 이로써, 제2 우현 타부(6B)로부터 효율적으로 타력을 얻을 수 있다.
또한, 프로펠러(1)는 제2 좌현 타부(6A)의 전단부로부터 우현 타현 길이(CB)의 15∼65% 사이, 즉, 프로펠러(1) 날개부의 전단부(E)를 제2 좌현 타부(6A)의 전단부로부터 우현 타현 길이(CB)의 15%보다 후측에 배치하고, 프로펠러(1) 날개부의 후단부(F)를 제2 좌현 타부(6A)의 전단부로부터 우현 타현 길이(CB)의 65%보다 전측에 배치하였다.
또한, 본 명세서에 있어서는, 좌현 타현 길이(CA)와 우현 타현 길이(CB)를 총칭하여 타현 길이(C)라 한다.
<타축 배치>
좌현 타축(10A)은 제2 좌현 타부(6A)의 전연으로부터 제2 좌현 타부(6A)의 좌현 타현 길이(CA)의 30∼50%로 마련하는 것이 바람직하고, 우현 타축(10B)은 제2 우현 타부(6B)의 전연으로부터 제2 우현 타부(6B)의 우현 타현 길이(CB)의 30∼50%로 마련하는 것이 바람직하다. 또한, 전방 조타 시에 큰 타력을 발생시키기 위해서는, 좌현 타축(10A)은 제2 좌현 타부(6A)의 전연으로부터 제2 좌현 타부(6A)의 좌현 타현 길이(CA)의 35∼45%로 마련하는 것이 바람직하고, 우현 타축(10B)은 제2 우현 타부(6B)의 전연으로부터 제2 우현 타부(6B)의 우현 타현 길이(CB)의 35∼45%로 마련하는 것이 보다 바람직하다. 이로써, 좌현 타축(10A)과 우현 타축(10B)을 조타시키는 토크를 작게 만들 수 있으며, 또, 후술하는 바와 같이, 선박을 정지시킬 경우에는, 선박의 직진 시, 프로펠러(1)보다 후방으로 연장되는 제2 좌현 타부(6A)와 제2 우현 타부(6B)의 뒷 부분의 타력 감소를 억제할 수도 있다.
프로펠러(1)보다 후방으로 연장되는 제2 타부(6)의 뒷 부분에 발생하는 타력(FN)은 프로펠러(1)의 분류 외에 위치하는 제2 타부(6)의 뒷 부분 부위에 발생하는 타력(FN1)과, 프로펠러(1)의 분류 내에 위치하는 제2 타부(6)의 뒷 부분 부위에 발생하는 타력(FN2)을 수학식 1에 대입하여 산출할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pct00001
수학식 1의 FN1은 수학식 2로부터 산출할 수 있다.
[수학식 2]
Figure pct00002
여기서, ρ는 밀도, UR1은 타의 위치에서의 속도, AR은 프로펠러(1)보다 후방으로 연장되는 제2 좌현 타부(6A)의 뒷 부분 면적, CL1은 양력 계수이다.
수학식 2의 UR1은 수학식 3으로부터 산출할 수 있다.
[수학식 3]
Figure pct00003
여기서, uR1은 속도의 프로펠러 축 방향 성분, vR은 속도의 둘레 방향 성분이다.
수학식 2의 CL1은 수학식 4로부터 산출할 수 있다.
[수학식 4]
Figure pct00004
여기서, λ는 타의 종횡비, δ는 타각이다.
수학식 1의 FN2는 수학식 5로부터 산출할 수 있다.
[수학식 5]
Figure pct00005
여기서, ρ는 밀도, UR2는 타의 위치에서의 속도, AR은 프로펠러(1)보다 후방으로 연장되는 제2 타부(6)의 뒷 부분 면적, CL2는 양력 계수이다.
수학식 5의 UR2는 수학식 6으로부터 산출할 수 있다.
[수학식 6]
Figure pct00006
여기서, uR2는 속도의 프로펠러 축 방향 성분, VR은 속도의 둘레 방향 성분이다.
수학식 5의 CL2는 수학식 7로부터 산출할 수 있다.
[수학식 7]
Figure pct00007
여기서, λ는 타의 종횡비, δ는 타각이다.
수학식 1의 μ은 수학식 8로부터 산출할 수 있다.
[수학식 8]
Figure pct00008
여기서, ACV는 프로펠러(1)의 분류 내에 위치하는 제2 타부(6)의 뒷 부분 부위의 면적, AR은 프로펠러(1)보다 후방으로 연장되는 제2 타부(6)의 뒷 부분 면적, η은 프로펠러(1)의 직경(D)과 타(2)의 높이(H)와의 비(D/H)이다.
도 4∼6에 도시하는 바와 같이, 제2 타부(6)의 전연으로부터 제2 타부(6)의 타현 길이(C)의 50%(Cp=0.5)보다 후방에 타축(10)을 마련한 경우(예를 들면, Cp=0.7)에는, 수학식 2, 5의 프로펠러(1)보다 후방으로 연장되는 제2 타부(6)의 뒷 부분 면적(ACV)이 급격하게 감소한다. 이로써, 프로펠러(1)의 분류를 받아 프로펠러(1)보다 후방으로 연장되는 제2 타부(6)의 뒷 부분에 발생하는 타력(FN)이 과도하게 작아질 우려가 있다. 따라서, 프로펠러(1)보다 후방으로 연장되는 제2 타부(6)의 뒷 부분에 소정의 타력(FN)을 발생시키기 위하여, 타축(10)은 제2 타부(6)의 전연으로부터 제2 타부(6)의 타현 길이(C)의 50% 이하로 마련하는 것이 바람직하다. 또한, 도 4∼6 중에는, 제2 타부(6)의 뒷 부분 면적을 COVERED AREA라 명기하였다.
도 7에 도시하는 바와 같이, 조타기를 조작하여 타각을 0∼60도로 변경한 경우, 타력의 작용 중심 위치(무차원 값)는 통상의 타에서는, 타각 증가와 함께 단조롭게 20%부터 시작되어 40% 부근까지 변하는데 비하여, 게이트 러더에서는, 45% 부터 시작되어 25% 부근까지 감소하고, 그리고나서 다시 55% 부근으로 증가한다. 따라서, 최대 타의 토크를 최소로 만들려면, 타축 위치를 종래의 30% 부근부터 40% 부근으로 이동시킬 필요가 있다. 또한, 도 7은 수조 실험으로 얻어진 타력의 작용 중심 위치(무차원 값)를 통상과 타와 비교하여 도시하였다.
<프로펠러와 타부의 클리어런스>
도 8에 도시하는 바와 같이, 프로펠러(1)의 외주선(L)과 제2 좌현 타부(6A)의 좌측 내면(7A)의 좌측 클리어런스(TA)는, 프로펠러(1)의 흡인력에 의해 프로펠러(1)로 흘러 들어가는 흡인류에 의해, 프로펠러(1)보다 전방으로 연장되는 제2 좌현 타부(6A)의 앞 부분에 발생하는 코안다 효과에 따른 타력과, 프로펠러(1)로부터 분출되는 분류에 의해, 프로펠러(1)보다 후방으로 연장되는 제2 좌현 타부(6A)의 뒷 부분에 발생하는 USB 효과에 따른 타력에 커다란 영향을 준다.
마찬가지로, 프로펠러(1)의 외주선(L)과 제2 우현 타부(6B)의 우측 내면(7B)의 우측 클리어런스(TB)는, 프로펠러(1)의 흡인력에 의해 프로펠러(1)로 흘러 들어가는 흡인류에 의해, 프로펠러(1)보다 전방으로 연장되는 제2 우현 타부(6B)의 앞 부분에 발생하는 코안다 효과에 따른 타력과, 프로펠러(1)로부터 분출되는 분류에 의해, 프로펠러(1)보다 후방으로 연장되는 제2 우현 타부(6B)의 뒷 부분에 발생하는 USB 효과에 따른 타력에 커다란 영향을 준다.
즉, 좌측 클리어런스(TA)와 우측 클리어런스(TB)를 소정 미만의 클리어런스로 한 경우에는, 좌우 타부의 내면에 캐비테이션에 의한 손상을 발생시킬 우려가 있고, 좌측 클리어런스(TA)와 우측 클리어런스(TB)를 소정 초과의 클리어런스로 한 경우에는, 흡인류의 유속과 분류의 유속이 저속이 되어, 코안다 효과와 USB 효과가 저하되어, 타력이 작아질 우려가 있다.
또한, 본 명세서에 있어서는, 좌측 내면(7A)과 우측 내면(7B)을 총칭하여 내면(7)이라 하고, 좌측 클리어런스(TA)와 우측 클리어런스(TB)를 총칭하여 클리어런스(T)라 한다.
도 9에 도시하는 바와 같이, 좌현 타(2A)의 경우에는, 좌현 타축(10A)을 -타각(전방 조타 타각)으로 조타시켜서 제2 좌현 타부(6A)의 앞 부분을 뒷 부분보다 전방 우측에 위치하는 자세로 만든 경우에 발생하는 타력은, 선미와 제2 좌현 타부(6A)의 간섭으로 인한 플랩 효과에 의해, 좌현 타축(10A)을 ＋타각(후방 조타 타각)으로 조타시켜서 제2 좌현 타부(6A)의 앞 부분을 뒷 부분보다 전방 좌측에 위치하는 자세로 만든 경우에 발생하는 타력보다 커진다.
마찬가지로, 좌현 타(2B)의 경우에는, 우현 타축(10B)을 -타각으로 조타시켜서 제2 우현 타부(6B)의 앞 부분을 뒷 부분보다 전방 좌측에 위치하는 자세로 만든 경우에 발생하는 타력은, 선박의 선미와 제2 우현 타부(6B)의 간섭으로 인한 플랩 효과에 의해, 우현 타축(10B)을 ＋타각으로 조타시켜서 제2 우현 타부(6B)의 앞 부분을 뒷 부분보다 전방 우측에 위치하는 자세로 만든 경우에 발생하는 타력보다 커진다.
또한, 도 13에 도시하는 바와 같이, 좌현 타축(10A)의 -타각은 좌현 타축(10A)을 시계 방향으로 전방 조타시킨 타각이고, 좌현 타축(10A)의 ＋타각은 좌현 타축(10A)을 반시계 방향으로 후방 조타시킨 타각이며, 우현 타축(10B)의 -타각은 우현 타축(10B)을 반시계 방향으로 전방 조타시킨 타각이고, 우현 타축(10B)의 ＋타각은 우현 타축(10B)을 시계 방향으로 후방 조타시킨 타각이다.
한편, 좌현 타축(10A)의 -타각을 과도하게 조타하여, 제2 좌현 타부(6A)의 앞 부분을 선미에 과도하게 근접시키면, 프로펠러(1)로 흘러 들어가는 흡인류의 유장에 교란이 발생하여, 진동이나 소음의 원인이 되는 캐비테이션을 증대시킬 우려가 있다. 그래서, 좌현 타축(10A)의 -타각의 최대 조타 타각을 ＋타각으로 25도 조타한 경우에 발생하는 타력과 같은 타력을 얻을 수 있는 15도로 설정하는 것이 바람직하다. 또한, 좌현 타축(10A)의 회전 각도는 임의로 설정할 수 있지만, 본 실시형태에서는, -타각에 0∼15도, ＋타각에 0∼105도의 회전 각도로 설정하였다.
마찬가지로, 우현 타축(10B)의 -타각을 과도하게 조타하여, 제2 우현 타부(6B)의 앞 부분을 선미에 과도하게 근접시키면, 프로펠러(1)로 흘러 들어가는 흡인류의 유장에 교란이 발생하여, 진동이나 소음의 원인이 되는 캐비테이션을 증대시킬 우려가 있다. 그래서, 우현 타축(10B)의 -타각의 최대 조타 타각을 ＋타각으로 25도 조타한 경우에 발생하는 타력과 같은 타력을 얻을 수 있는 15도로 설정하는 것이 바람직하다. 또한, 우현 타축(10B)의 회전 각도는 임의로 설정할 수 있지만, 본 실시형태에서는, -타각에 0∼15도, ＋타각에 0∼105도의 회전 각도로 설정하였다.
선박을 정지시킬 경우에는, 좌현 타축(10A)을 -타각으로 15도 조타하고, 우현 타축(10B)을 -타각으로 15도 조타함으로써, 프로펠러의 아이들링을 촉진시키는 선체 전방으로부터의 물의 흐름을 차단할 수 있어, 프로펠러의 관성력을 작게 만들 수 있기 때문에, 특히 FPP(고정 피치 프로펠러)의 경우에 후진 회전 상태로 이동시키기 쉬우며, 정지 성능이나 후진 성능을 향상시킬 수 있다.
프로펠러(1)의 외주선(L)과 제2 타부(6) 내면(7)의 클리어런스(T)는 수학식 9로부터 산출할 수 있다.
[수학식 9]
Figure pct00009
여기서, Rp는 제2 타부(6)의 회전 반경, Cp는 측면에서 볼 때, 제2 타부(6)의 전연과 타축(6)의 길이를 타현 길이(C)로 나눈 값(본 실시형태에서는 0.3∼0.5로 설정), φ는 타축(10)의 -타각의 조타 타축(본 실시형태에서는 15도로 설정)이다.
도 10에 도시하는 바와 같이, Cp=0.3을 수학식 9에 대입하고, 제2 타부(6)의 타현 길이(C)를 프로펠러(1)의 직경(D)으로 나눈 값을 0.4∼0.7까지 증가시켜서 산출한 클리어런스(T)는 0.04D∼0.06D가 되고, Cp=0.5를 수학식 9에 대입하고, 제2 타부(6)의 타현 길이(C)를 프로펠러(1)의 직경(D)으로 나눈 값을 0.4∼0.7까지 증가시켜서 산출한 클리어런스(T)는 0.06D∼0.1D가 된다. 따라서, 프로펠러(1)의 외주선(L)과 제2 타부(6) 내면(7)의 클리어런스(T)는 프로펠러(1) 직경(D)의 4∼10%로 형성하는 것이 바람직하다.
이로써, 선박의 직진 시, 프로펠러(1)로 흘러 들어가는 흡인류에 의해, 프로펠러(1)보다 전방으로 연장되는 제2 좌현 타부(6A)의 앞 부분에 발생하는 코안다 효과에 따른 큰 타력과, 프로펠러(1)로부터 분출되는 분류에 의해, 프로펠러(1)보다 후방으로 연장되는 제2 좌현 타부(6A)의 뒷 부분에 발생하는 USB 효과에 따른 큰 타력이 발생하여, 선박을 전방으로 이동시키는 커다란 추진력(양력)을 발생시킬 수 있다. 또한, 덕트 프로펠러의 클리어런스인 0.03D보다 큰 클리어런스(T)를 형성함으로써, 제2 타부(6) 내면(A)의 앞 부분에 발생하는 캐비테이션 침식 발생을 방지할 수 있다.
도 11, 12에 도시하는 바와 같이, 프로펠러의 후방, 특히, CPP(가변 피치 프로펠러)의 후방에 장비된 통상의 타는 -타각과 ＋타각의 조타 타각이 20도 이상에서는, 선박의 선회력(선회각 속도)이 실속(失速)되는 경향이 있다. 한편, 게이트 러더는 -타각과 ＋타각의 조타 타각이 20도 이상에서도, 타각에 따른 선회력(선회각 속도)이 실속되지 않고 증가 경향을 유지할 수 있다. 또한, 도 11 중에는, 본 실시형태의 게이트 러더를 Gate Rudder라 표기하고, 통상의 타를 Flap Rudder라 표기하며, 가로 축은 타각을 나타내고, 세로 축은 선회각 속도를 나타낸다.
도 12에 도시하는 바와 같이, 평면에서 볼 때, 제2 좌현 타부(6A)는 제2 좌현 타부(6A)의 폭 방향 중심을 연결하여, 프로펠러 측에 부풀어오른 캠버선(캠버 라인)으로 구성되는 날개형으로 형성되어 있다. 이로써, 특히, 전방 프로펠러 측을 향한 양력이 발생하지만, 제2 좌현 타부(6A) 내면(7A)의 전연 측에 발생하는 프로펠러(1)에 의한 흡인류가 코안다 효과를 발생시켜, 양력 및 그에 대응한 타력을 증가시킬 수 있다.
마찬가지로, 평면에서 볼 때, 제2 우현 타부(6B)는 제2 우현 타부(6B)의 폭 방향 중심을 연결하여, 프로펠러 측에 부풀어오른 캠버선(캠버 라인)으로 구성되는 날개형으로 형성되어 있다. 이로써, 특히, 전방 프로펠러 측을 향한 양력이 발생하지만, 제2 우현 타부(6B) 내면(7B)의 전연 측에 발생하는 프로펠러(1)에 의한 흡인류가 코안다 효과를 발생시켜, 양력 및 그에 대응한 타력을 증가시킬 수 있다.
<비틀림각>
도 14에 도시하는 바와 같이, 제2 좌현 타부(6A)에는 전후 방향의 가상선에 대해서, 제2 좌현 타부(6A)의 앞 부분이 가상선보다 좌측에 위치하고, 제2 좌현 타부(6A)의 뒷 부분이 가상선보다 우측에 위치하도록 좌측 비틀림각(αA)이 형성되어 있다. 이로써, 제2 좌현 타부(6A)의 타현선에 대해서 프로펠러(1)로 흘러 들어가는 흡인류와, 프로펠러(1)로부터 분출되는 분류를 소정의 영각을 갖고 흘릴 수 있기 때문에, 제2 좌현 타(6A)는 그 저항을 작게 만들고, 그 양력을 크게 만들 수 있다. 선박을 전방으로 추진시키는 추진력을 크게 만들 수 있다. 또한, 도 12에 도시한 제2 좌현 타부(6A)는 제2 좌현 타부(6A)의 타현 길이의 전체 길이에 비틀림각(αA)을 형성하였지만, 측면에서 볼 때, 좌현 타축(10A)보다 전측인 제2 좌현 타부(6A)의 앞 부분에만 비틀림각(αA)을 형성할 수도 있다.
제2 좌현 타부(6A) 상부의 상부 좌측 비틀림각(αA1)은 제2 좌현 타부(6A) 하부의 하부 좌측 비틀림각(αA2)보다 크게 형성되어 있다. 이로써, 프로펠러 작동이 없는 상태에서의 유속에 비하여, 프로펠러 흡인류의 영향이 큰 선박의 흡인류 등, 유속이 빠른 선박의 흘수가 얕은 부분에 대향하는 제2 좌현 타부(6A)의 상부에서 커다란 추진력을 효율적으로 발생시킬 수 있다.
또한, 도 14에서는, 제2 좌현 타부(6A)의 타현 길이의 전체 길이에 비틀림각(αA)을 형성하였지만, 측면에서 볼 때, 좌현 타축(10A)보다 전측인 제2 좌현 타부(6A)의 앞 부분에만 비틀림각(αA)을 형성할 수도 있다.
마찬가지로, 도 15에 도시하는 바와 같이, 제2 우현 타부(6B)에는 전후 방향의 가상선에 대해서, 제2 우현 타부(12)의 앞 부분이 가상선보다 우측에 위치하고, 제2 우현 타부(6B)의 뒷 부분이 가상선보다 좌측에 위치하도록 우측 비틀림각(αB)이 형성되어 있다. 이로써, 제2 우현 타부(6B)의 타현선에 대해서 프로펠러(1)로 흘러 들어가는 흡인류와, 프로펠러(1)로부터 분출되는 분류를 소정의 영각을 갖고 흘릴 수 있기 때문에, 제2 우현 타(6B)는 그 저항을 작게 만들고, 그 양력을 크게 만들 수 있다. 선박을 전방으로 추진시키는 추진력을 크게 만들 수 있다. 또한, 도 14에 도시한 제2 우현 타부(6B)는 제2 우현 타부(6B)의 타현 길이의 전체 길이에 비틀림각(αB)을 형성하였지만, 측면에서 볼 때, 우현 타축(10B)보다 전측인 제2 우현 타부(6B)의 앞 부분에만 비틀림각(αB)을 형성할 수도 있다.
제2 우현 타부(6B) 상부의 상부 우측 비틀림각(αB1)은 제2 우현 타부(6B) 하부의 하부 우측 비틀림각(αB2)보다 크게 형성되어 있다. 이로써, 프로펠러 작동이 없는 상태에서의 유속에 비하여, 프로펠러의 흡인류의 영향이 큰 선박의 흘수가 얕은 부분에 대향하는 제2 우현 타부(6B)의 상부에서 커다란 추진력을 효율적으로 발생시킬 수 있다.
또한, 본 명세서에 있어서는, 비틀림각 αA와 비틀림각 αB를 총칭하여 비틀림각(α)이라 하고, 비틀림각 αA1과 비틀림각 αB1을 총칭하여 상부 비틀림각(α1)이라 하고, 비틀림각 αA2와 비틀림각 αB2를 총칭하여 하부 비틀림각(α2)이라 한다.
본 실시형태의 게이트 러더에 있어서는, 상부 비틀림각(α1)은 3도 이상으로 형성되고, 하부 비틀림각(α2)은 5도 이하로 형성되어 있다. 또한, 선박의 형상에 따라 상부 비틀림각(α1)들은 다르며, 컨테이너선 등의 세장형 선박에서는, 상부 비틀림각(α1)은 5도, 하부 비틀림각(α2)은 1도로 형성하는 것이 바람직하고, 유조선 등의 비대선에서는, 상부 비틀림각(α1)은 7도, 하부 비틀림각(α2)은 3도로 형성하는 것이 바람직하다. 따라서, 상부 비틀림각(α1)과 하부 비틀림각(α2)의 관계를 정리하면, 상부 비틀림각(α1)은 하부 비틀림각(α2)보다 크게 형성하고, 상부 비틀림각(α1)은 3도 이상으로 형성하고, 하부 비틀림각(α2)은 5도 이하로 형성하는 것이 바람직하다.
도 16에 도시하는 바와 같이, 파도나 바람의 영향을 받아 선박이 사행한 경우, 본 실시형태의 게이트 러더의 타의 저항은 통상의 타보다 작다. 또한, 선박의 사행 각도가 0∼9도에 있어서는, 게이트 러더의 타의 저항은 선박을 전방으로 추진시키는 추진력으로서 작용하는 것을 알았다. 이로써, 본 실시형태의 게이트 러더를 사용한 경우에는, 선박의 항해 중에 에너지 소비를 대폭 삭감하는 효과가 있다는 것이 밝혀졌다. 또한, 도 16 중에는, 본 실시형태의 게이트 러더를 본 발명의 타라 표기하고, 통상의 타를 통상의 타라 표기하였다.
도 17에 도시하는 바와 같이, 파도나 바람의 영향을 받아 선박이 사행한 경우, 본 실시형태의 게이트 러더의 타의 가로 방향력, 즉, 선박을 직진 상태로 되돌리는 복원력은 통상의 타보다 큰 것을 알았다. 이로써, 본 실시형태의 게이트 러더를 사용한 경우에는, 선박의 보침성을 대폭 향상시키는 효과가 있다는 것이 밝혀졌다. 또한, 도 17 중에는, 본 실시형태의 게이트 러더를 본 발명의 타라 표기하고, 통상의 타를 통상의 타라 표기하였다.
도 18에 도시하는 바와 같이, 제2 좌현 타부(6)에 비틀림각(α)을 형성한 게이트 러더는, 제2 좌현 타부(6)에 비틀림각을 형성하지 않는 게이트 러더에 비하여, 프로펠러(1)로 흘러 들어가는 흡인류의 유장 교란을 억제하는 것을 알았다. 이로써, 흡인류의 혼란에 따른 유속 저하를 방지하고, 게이트 러더에서 발생하는 추진력 저하를 방지하여, 커다란 추진력을 유지하는 효과가 있다는 것이 밝혀졌다.
본 발명은, 선박의 프로펠러 양측에 배치되는 좌현 타와 우현 타를 구비한 게이트 러더에 적용할 수 있다.
1　프로펠러
2　타
2A　좌현 타
2B　우현 타
5　제1 타부
6　제2 타부
10　타축
T　클리어런스
α　비틀림각
α1　상부 비틀림각
α2　하부 비틀림각

Claims (6)

  1. 선미의 프로펠러 양측에 배치되는 좌현 타와 우현 타로 구성되는 한 쌍의 타를 구비하는 게이트 러더에 있어서,
    배면에서 볼 때, 상기 타를 좌우 방향으로 연장되는 제1 타부와 상하 방향으로 직선형으로 연장되는 제2 타부로 형성하고,
    상기 제2 타부의 전후 방향 타현 길이를 상기 프로펠러 직경의 40∼100%로 형성하며,
    측면에서 볼 때, 상기 프로펠러를 제2 타부의 전연으로부터 타현 길이의 15∼65% 사이에 마련하고,
    측면에서 볼 때, 상기 타를 구동하는 타축을, 상기 제2 타부의 전연으로부터 타현 길이의 30∼50% 위치에 마련한 것을 특징으로 하는,
    게이트 러더.
  2. 제1항에 있어서,
    측면에서 볼 때, 상기 타를 구동하는 타축을, 상기 제2 타부의 전연으로부터 타현 길이의 35∼45% 위치에 마련한,
    게이트 러더.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    배면에서 볼 때, 상기 프로펠러와 제2 타부의 클리어런스를, 상기 프로펠러 직경의 4∼10%로 형성한,
    게이트 러더.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 타부에 비틀림각을 형성하고, 상기 제2 타부의 상부에 형성된 상부 비틀림각을, 상기 제2 타부의 상부에 형성된 하부 비틀림각보다 크게 형성한,
    게이트 러더.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 상부 비틀림 각도를 3도 이상으로 형성하고, 상기 하부 비틀림 각도를 5도 이하로 형성한,
    게이트 러더.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    선박이 정지 시에는, 상기 제2 타부를 전방 조타하는,
    게이트 러더.
KR1020227031988A 2020-03-19 2021-03-15 선박의 프로펠러 양측에 배치되는 좌현 타와 우현 타를 구비하는 게이트 러더 KR20220139394A (ko)

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