KR20220142225A - 테슬라 터빈이 구비된 선박의 방향 조절 장치 및 이를 구비한 선박 - Google Patents

테슬라 터빈이 구비된 선박의 방향 조절 장치 및 이를 구비한 선박 Download PDF

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Abstract

본 발명은 테슬라 터빈이 구비된 선박의 방향 조절 장치 및 이를 구비한 선박에 관한 것으로서, 선미부(10)에 회전 가능하게 결합되는 회전본체(100), 프로펠러(20)가 내부에 수용되며 회전본체(100)의 하부에 마련되되, 프로펠러(20)에 의해 해수가 통과하는 추진 통로를 형성하는 환형관로 블레이드(120), 및 회전본체(100)에 마련되는 테슬라 터빈(130)을 포함한다. 이러한 본 발명은 기존 방향타에 비해 형상 자체의 저항도 적으며 장치 전면부에서 물을 흡입하여 가속해서 후방으로 분사하기 때문에 추가적인 추력 발생으로 인한 에너지 절감 효과도 볼 수 있는 장점을 제공한다.

Description

테슬라 터빈이 구비된 선박의 방향 조절 장치 및 이를 구비한 선박{APPARATUS FOR ADJUSTING DIRECTION OF VESSEL AND VESSEL INCLUDING THE SAME}
본 발명은 테슬라 터빈이 구비된 선박의 방향 조절 장치 및 이를 구비한 선박에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 방향 조절과 추력을 제공하는 테슬라 터빈이 구비된 선박의 방향 조절 장치 및 이를 구비한 선박에 관한 것이다.
일반적으로, 프로펠러 방식의 추진 장치는, 선체의 선미부에 설치된 프로펠러의 회전으로 추진력을 발생시키고, 프로펠러 후미에 배치된 방향타(rudder)에 의해 선체의 운행 방향을 결정한다.
선박에서 방향타의 경우 프로펠러 뒤에 위치하며 방향 조절을 위한 충분한 양력 발생을 위한 형상을 가지게 되면 항력으로 인하여 저항 증가 요인이 되게 된다.
이처럼 기존의 방향타는 방향 조절을 위한 필수 장치지만, 선박의 저항에 기여하는 주요한 항력 발생 요인 중 하나로 작용하게 된다.
한편, 워터젯 방식의 추진 장치는 선체에 형성된 해수 흡입구로부터 유입된 해수를 임펠러(impeller)를 이용하여 고속, 고압의 상태로 만든 후 노즐을 통하여 선체 후미로 분사시켜 추진력을 얻는 방식이다.
이러한 워터젯 방식의 추진 장치는 프로펠러 방식보다 캐비테이션 현상, 날개 표면 침식, 수중 소음 등의 측면에서 개선된 성능을 보이는 것으로 알려져 있지만, 그 영향이 아주 미미하며, 일정 동력 사용 시 흡입 유량에 비해 분사되는 배출 유량이 급격히 줄어들어 효율성이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은 기존 방향타에 비해 형상 자체의 저항도 적은 동시에, 테슬라 터빈을 구비한 덕트 형태의 장치로 전면에서 들어오는 물을 원하는 방향으로 분사하여 방향 조절을 충분히 수행하고, 이로 인한 추가 추력을 얻을 수 있는 테슬라 터빈이 구비된 선박의 방향 조절 장치 및 이를 구비한 선박을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 테슬라 터빈이 구비된 선박의 방향 조절 장치는, 선미부(10)에 회전 가능하게 결합되는 회전본체(100); 프로펠러(20)가 내부에 수용되며, 상기 회전본체(100)의 하부에 마련되되, 상기 프로펠러(20)에 의해 해수가 통과하는 추진 통로를 형성하는 환형관로 블레이드(120); 및 상기 회전본체(100)에 마련되는 테슬라 터빈(130)을 포함하며, 상기 회전본체(100)가 회전 구동됨에 따라 선박의 방향타로 작용하며, 상기 환형관로 블레이드(120)의 전면부를 통해 유입된 해수가 상기 테슬라 터빈(130)에서 가속되어 상기 환형관로 블레이드(120)의 후면부로 배출된다.
또한, 상기 테슬라 터빈(130)은, 상기 회전본체(100)에 수평하게 적층 배치되며, 상기 회전본체(100)에 회전 가능하게 수용되는 복수의 디스크(131); 및 상기 회전본체(100)에 수직 방향으로 회전 가능하게 설치되며, 상기 복수의 디스크(131)를 연결하는 회전축(135)을 포함하며, 해수가 상기 회전본체(100)의 내부에서 상기 복수의 디스크(131) 사이로 유입되며, 상기 복수의 디스크(131)를 회류하여 상기 복수의 디스크(131) 사이와 유통되는 상기 회전축(135)을 통해 상기 회전본체(100)의 외부로 배출될 수 있다.
또한, 상기 환형관로 블레이드(120)는, 해수가 유입되는 전방개구(121)가 마련되며, 상기 회전본체(100)의 내벽부 측으로 해수를 안내하도록 상기 회전본체(100)와 유통되는 환형유로가 마련된 전방 환형관로(122); 상기 전방 환형관로(122)에 대응하여 상기 전방 환형관로(122)에 결합되는 환형의 중앙 격벽(123); 및 상기 전방 환형관로(122)의 반대측에서 상기 중앙 격벽(123)에 결합되며, 상기 회전본체(100)에서 상기 회전축(135)을 통해 배출되는 해수가 통과하도록 상기 회전본체(100)와 유통되는 환형유로가 마련되며, 상기 환형유로에서 해수를 배출시키는 후방개구(125)가 마련된 후방 환형관로(124)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전방개구(121) 및 상기 후방개구(125) 중 어느 하나 이상에 설치되며, 이물질을 거르고 해수가 통과 가능하도록 격자형을 갖는 스크린부재를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 회전본체(100)의 저면부에는, 상기 전방 환형관로(122)의 환형유로로부터 상기 복수의 디스크(131) 측으로 해수를 유입시키는 유입구; 및 상기 회전축(135)을 통해 배출되는 해수를 상기 후방 환형관로(124)의 환형유로로 배출시키는 배출구가 마련될 수 있다.
또한, 상기 회전본체(100)는 유선형 형상을 가질 수 있다.
또한, 상기 회전본체(100)의 저면부는 상기 환형관로 블레이드(120)의 내측으로 볼록하게 돌출되는 유선형 형상을 가질 수 있다.
또한, 상기 환형관로 블레이드(120)의 하부는 개방된 형상을 가질 수 있다.
또한, 상기 전방 환형관로(122), 상기 중앙 격벽(123) 및 상기 후방 환형관로(124)는 동일한 지름을 가지는 판상의 환형으로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 선박은 전술한 테슬라 터빈이 구비된 선박의 방향 조절 장치를 구비할 수 있다.
상기와 같이 기술된 본 발명은, 기존 방향타에 비해 형상 자체의 저항도 적으면서, 장치 전면부에서 물을 흡입하여 가속해서 후방으로 분사하기 때문에 추가적인 추력 발생으로 인한 에너지 절감 효과도 볼 수 있는 테슬라 터빈이 구비된 선박의 방향 조절 장치 및 이를 구비한 선박을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 프로펠러 후류와 함께 분사되는 추력이 더해져서 방향전환에도 기존 방향타보다 우수하여 방향타의 큰 앵글변화로 인한 저항 증가 요인도 제거할 수 있는 테슬라 터빈이 구비된 선박의 방향 조절 장치 및 이를 구비한 선박을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 테슬라 터빈이 구비된 선박의 방향 조절 장치의 구성도이다.
도 2는 도 1의 방향 조절 장치의 측면도이다.
도 3은 도 1의 방향 조절 장치를 선수측에서 바라본 단면도이다.
도 4는 도 1의 방향 조절 장치를 선미측에서 바라본 단면도이다.
도 5는 도 1의 방향 조절 장치의 해수흐름 상태도이다.
이하, 첨부된 도면에 도시된 특정 실시 예들에 의해 본 발명의 다양한 실시예들을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 테슬라 터빈이 구비된 선박의 방향 조절 장치의 구성도이고, 도 2는 도 1의 방향 조절 장치의 측면도이며, 도 3은 도 1의 방향 조절 장치를 선수측에서 바라본 단면도이고, 도 4는 도 1의 방향 조절 장치를 선미측에서 바라본 단면도이며, 도 5는 도 1의 방향 조절 장치의 해수흐름 상태도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 테슬라 터빈이 구비된 선박의 방향 조절 장치는, 선미부(10)에 회전 가능하게 결합되는 회전본체(100), 선미부(10)에서 프로펠러(20)가 수용되며 회전본체(100)의 하부에 마련되되 프로펠러(20)에 의해 해수가 통과하는 추진 통로를 형성하는 환형관로 블레이드(120), 및 회전본체(100)에 마련되는 테슬라 터빈(130)를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 회전본체(100)가 회전 구동됨에 따라 환형관로 블레이드(120)가 방향타로 작용하며, 테슬라 터빈(130)에서 해수가 가속되어 배출됨으로써 워터제트와 같은 추가의 추진력을 얻을 수 있다.
회전본체(100)는 해수에 노출된 부분이 둥근 유선형 형상을 갖는 것으로서, 대략 선미부(10)의 방향타가 설치되는 위치 부근에 회전 가능하게 설치되며, 선미부(10)에서 추진력을 제공하는 프로펠러(20)를 감싸며, 프로펠러(20)의 추진방향을 조절하는 환형관로 블레이드(120)에 결합되어 환형관로 블레이드(120)의 위치를 고정함과 동시에 회전 각도를 조절하게 된다.
이러한 회전본체(100)는 선체의 내부에 있는 모터 및 기어 등의 조합에 의한 작동수단에 의해 회전됨으로써 선박의 방향타로 사용되는 환형관로 블레이드(120)를 회전 조절하게 되며, 테슬라 터빈(130)의 터빈 본체로서도 사용된다.
회전본체(100)의 저면부는 환형관로 블레이드(120)의 내측으로 볼록하게 돌출되는 유선형 돌출부(105)에 마련된다. 이에 따라 회전본체(100)가 환형관로 블레이드(120)에 충분히 결합되도록 환형관로 블레이드(120)의 내측으로 돌출된 구조에서도 해수에 대한 저항을 줄일 수 있다.
환형관로 블레이드(120)는 프로펠러(20)에서 추진되는 해수를 안내하도록 프로펠러(20)를 감싸면서 해수가 통과하는 추진 통로를 만들며, 회전본체(100)의 회전에 따라 프로펠러(20)에 대한 각도가 조절됨으로써 프로펠러(20)에 의해 발생되는 추진력의 방향을 조절하는 것이다.
환형관로 블레이드(120)는, 전방개구(121)가 마련된 전방 환형관로(122), 중앙 격벽(123), 후방개구(125)가 마련된 후방 환형관로(124)를 포함한다.
전방 환형관로(122)는 해수가 유입되는 전방개구(121)가 마련되며, 회전본체(100)의 내벽부 측으로 해수를 안내하도록 회전본체(100)와 유통되는 환형유로가 마련된 것으로서, 테슬라 터빈(130)에 연결되는 환형유로를 통해 테슬라 터빈(130) 측에 해수를 유입시킨다.
중앙 격벽(123)은 전방 환형관로(122)와 후방 환형관로(124) 사이에 위치하며, 전방 환형관로(122)와 후방 환형관로(124)에 대응하여 전방 환형관로(122)와 후방 환형관로(124)에 결합되는 환형 형상으로서, 전방 환형관로(122)와 후방 환형관로(124)의 환형유로를 분리 차단시킨다.
후방 환형관로(124)는 전방 환형관로(122)의 반대 측에서 중앙 격벽(123)에 결합되며 회전본체(100)에서 후술되는 테슬라 터빈(130)의 회전축(135)을 통해 배출되는 해수가 통과하도록 회전본체(100)와 유통되는 환형유로가 마련되며 환형유로에서 해수를 배출시키는 후방개구(125)가 마련된 것이다.
전방 환형관로(122)와 후방 환형관로(124)의 환형유로는 환형의 내부관로로서, 회전본체(100) 측으로 해수의 유입을 안내하거나 회전축(135)에서 배출되는 해수를 환형으로 배출시키는 역할을 하게 된다.
회전본체(100)의 저면부에는 복수의 디스크(131) 측에 대해 해수를 유입시키는 유입구(101)와, 회전축(135)을 통해 해수를 배출시키는 배출구(102)가 각각 전방 환형관로(122)와 회전본체(100)가 연결되는 부분 및 후방 환형관로(124)와 회전본체(100)가 연결되는 부분에 마련된다.
구체적으로 회전본체(100)의 저면부에는, 전방 환형관로(122)의 환형유로로부터 복수의 디스크(131) 측으로 해수를 유입시키는 유입구(101)와, 회전축(135)을 통해 배출되는 해수를 후방 환형관로(124)의 환형유로로 배출시키는 배출구(102)가 마련된다.
즉, 회전본체(100)에서 유입구(101)는 전방부 측인 전방 환형관로(122)에서 회전본체(100)의 하단부 테두리를 따라 마련되며, 배출구(102)는 회전축(135)이 위치한 중앙부 하단에 위치하면서 후방 환형관로(124)로 연통하게 구성된다.
환형관로 블레이드(120)는 하부 일부가 끊어져 개방된 형상을 갖는 개방부(126)가 마련된 판상의 환형으로서, 프로펠러(20)의 최하단 위치와 같거나 그 위치로 하단부가 위치하며, 프로펠러(20)에 대한 간섭이 방지되도록 프로펠러(20)의 유효 회전 반경에 대해 내벽부가 충분히 이격되어 있다.
또한, 환형관로 블레이드(120)를 구성하는 전방 환형관로(122), 중앙 격벽(123) 및 후방 환형관로(124)는 동일한 지름을 가지는 판상의 환형으로 구성되어 지름이 다를 경우 발생하는 불필요한 저항을 저감시킬 수 있다.
한편, 환형관로 블레이드(120)의 전방 환형관로(122)의 전면부 및/또는 후방 환형관로(124)의 후면부에는 이물질을 거르고 해수가 통과 가능하도록 격자형을 갖는 스크린부재(127)가 설치된다.
이러한 스크린부재(127)는 환형관로 블레이드(120) 측으로 이물질의 유입을 차단하여 환형관로 블레이드(120)와 테슬라 터빈(130)에 이물질이 끼이는 현상을 차단하고, 선체로부터 이물질이 배출되지 않도록 하는 것으로서, 환형관로 블레이드(120)의 앞, 뒤 또는 앞뒤 모두에 설치될 수 있으며, 해수가 통과 가능하도록 격자형을 갖는다.
스크린부재(127)는 환형관로 블레이드(120)의 환형 형상에 대응하여 환형관로 블레이드(120)의 원주 방향을 따라 결합된다.
테슬라 터빈(130)는, 회전본체(100)에 수평하게 적층 배치되며 회전본체(100)에 회전 가능하게 수용되는 복수의 디스크(131), 및 회전본체(100)에 수직 방향으로 회전 가능하게 설치되며, 복수의 디스크(131)를 연결하는 회전축(135)을 포함한다.
이러한 테슬라 터빈(130)는 디스크 터빈 또는 경계층 펌프로도 알려져 있으며 간단히 언급하면, 여러 장의 디스크(131)를 일정 간격으로 적층시켜 유체의 점성 마찰력으로 회전시키는 것이다. 테슬라 터빈(130)는 충분히 공지된 테슬라 터빈의 기술을 적용하는 것이므로, 이에 대한 유체 역학적인 작동 원리의 자세한 설명은 생략한다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 실시예에서는, 전방 환형관로(122)의 전방개구(121)에서 환형 유로를 따라 회전본체(100)의 유입구(101)로 유입되는 해수가 회전본체(100)의 내주변에서 복수의 디스크(131) 사이로 유동되며, 복수의 디스크(131)를 회류하여 복수의 디스크(131) 사이와 유통되는 회전축(135)의 배출구(102)를 통해 회전본체(100)의 외부로 유동된 후, 후방 환형관로(124)의 후방개구(125)를 통해 외부로 배출된다.
테슬라 터빈(130)은, 해수가 유입구(101)를 통해 유입되어 내부에서 점차 고속 및 고압의 상태가 되며, 가속된 상태로 배출구(102)를 통해 외부로 분사되도록 만든다. 해수는 테슬라 터빈(130)의 배출구(102)를 통해 환형관로 블레이드(120) 후류 측, 즉 후방개구(125)로 분사되며, 선박은 워터제트와 같은 추진력을 추가적으로 얻을 수 있게 된다.
상기의 본 실시예에 따르면, 기존 방향타에 비해 형상 자체의 저항도 적으며 장치 전면부에서 물을 흡입하여 가속해서 후방으로 분사하기 때문에 추가적인 추력 발생으로 인한 에너지 절감 효과를 볼 수 있다.
또한 본 실시예에 따르면, 프로펠러 후류와 함께 분사되는 추력이 더해져서 방향전환에도 기존 방향타보다 우수하여 방향타의 큰 앵글변화로 인한 저항 증가 요인도 제거할 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 실시 예들에 대하여 설명하였으나, 이를 기초로 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 청구범위에 기재된 본 발명의 본질적인 기술 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다.
10: 선미부 20: 프로펠러
100: 회전본체 101: 유입구
102: 배출구 105: 유선형 돌출부
120: 환형관로 블레이드
121: 전방개구 122: 전방 환형관로
123: 중앙 격벽 124: 후방 환형관로
125: 후방개구 126: 개방부
127: 스크린부재 130: 테슬라 터빈
131: 디스크 135: 회전축

Claims (10)

  1. 선미부(10)에 회전 가능하게 결합되는 회전본체(100);
    프로펠러(20)가 내부에 수용되며, 상기 회전본체(100)의 하부에 마련되되, 상기 프로펠러(20)에 의해 해수가 통과하는 추진 통로를 형성하는 환형관로 블레이드(120); 및
    상기 회전본체(100)에 마련되는 테슬라 터빈(130)을 포함하며,
    상기 회전본체(100)가 회전 구동됨에 따라 선박의 방향타로 작용하며, 상기 환형관로 블레이드(120)의 전면부를 통해 유입된 해수가 상기 테슬라 터빈(130)에서 가속되어 상기 환형관로 블레이드(120)의 후면부로 배출되는, 테슬라 터빈이 구비된 선박의 방향 조절 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 테슬라 터빈(130)은,
    상기 회전본체(100)에 수평하게 적층 배치되며, 상기 회전본체(100)에 회전 가능하게 수용되는 복수의 디스크(131); 및
    상기 회전본체(100)에 수직 방향으로 회전 가능하게 설치되며, 상기 복수의 디스크(131)를 연결하는 회전축(135)을 포함하며,
    해수가 상기 회전본체(100)의 내부에서 상기 복수의 디스크(131) 사이로 유입되며, 상기 복수의 디스크(131)를 회류하여 상기 복수의 디스크(131) 사이와 유통되는 상기 회전축(135)을 통해 상기 회전본체(100)의 외부로 배출되는, 테슬라 터빈이 구비된 선박의 방향 조절 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 환형관로 블레이드(120)는,
    해수가 유입되는 전방개구(121)가 마련되며, 상기 회전본체(100)의 내벽부 측으로 해수를 안내하도록 상기 회전본체(100)와 유통되는 환형유로가 마련된 전방 환형관로(122);
    상기 전방 환형관로(122)에 대응하여 상기 전방 환형관로(122)에 결합되는 환형의 중앙 격벽(123); 및
    상기 전방 환형관로(122)의 반대측에서 상기 중앙 격벽(123)에 결합되며, 상기 회전본체(100)에서 상기 회전축(135)을 통해 배출되는 해수가 통과하도록 상기 회전본체(100)와 유통되는 환형유로가 마련되며, 상기 환형유로에서 해수를 배출시키는 후방개구(125)가 마련된 후방 환형관로(124)를 포함하는, 테슬라 터빈이 구비된 선박의 방향 조절 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전방개구(121) 및 상기 후방개구(125) 중 어느 하나 이상에 설치되며, 이물질을 거르고 해수가 통과 가능하도록 격자형을 갖는 스크린부재를 더 포함하는, 테슬라 터빈이 구비된 선박의 방향 조절 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 회전본체(100)의 저면부에는,
    상기 전방 환형관로(122)의 환형유로로부터 상기 복수의 디스크(131) 측으로 해수를 유입시키는 유입구; 및
    상기 회전축(135)을 통해 배출되는 해수를 상기 후방 환형관로(124)의 환형유로로 배출시키는 배출구가 마련되는, 테슬라 터빈이 구비된 선박의 방향 조절 장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 회전본체(100)는 유선형 형상을 가지는, 테슬라 터빈이 구비된 선박의 방향 조절 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 회전본체(100)의 저면부는 상기 환형관로 블레이드(120)의 내측으로 볼록하게 돌출되는 유선형 형상을 가지는, 테슬라 터빈이 구비된 선박의 방향 조절 장치.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 환형관로 블레이드(120)의 하부는 개방된 형상을 가지는, 테슬라 터빈이 구비된 선박의 방향 조절 장치.
  9. 제 3 항에 있어서,
    상기 전방 환형관로(122), 상기 중앙 격벽(123) 및 상기 후방 환형관로(124)는 동일한 지름을 가지는 판상의 환형으로 형성되는, 테슬라 터빈이 구비된 선박의 방향 조절 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 테슬라 터빈이 구비된 선박의 방향 조절 장치를 구비한 선박.
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