KR20230036117A - 마찰 저항 저감 선박의 운전 방법 - Google Patents

Abstract

[과제] 본 발명은 마찰 저항 감소 선박의 마찰 저항을 더욱 감소시키는 방법을 제공한다. [해결수단] 롤링과 피칭은 기후 변화 등에 의해 크게 변화하지만, 매우 짧은 시간에 한하면 거의 동일하거나 유사한 패턴이 반복된다. 따라서 직전의 롤링과 피칭의 패턴을 알면, 그에 후속하는 다음의 패턴도 예측할 수 있다. 롤링과 피칭의 각도로부터 산출되는 미세 기포 발생부의 상하 위치 변동 패턴도 마찬가지이다. 또한, 각 미세 기포 발생부의 설치 위치에 따라 상하 위치 변동도 다르기 때문에, 본 발명에서는 각각의 미세 기포 발생부마다 상하 위치 변동을 측정하고, 현시점 이후의 상하 위치 변동을 예측한다. 그리고, 예측한 상하 위치 변동과 흘수선 높이를 비교해, 해면보다 아래에 있던 미세 기포 발생부가 해면보다 위가 되는 시각, 혹은 해면 위에 있던 미세 기포 발생부가 해면보다도 낮아지는 시간을 예측하고, 그 시간에 온·오프 밸브(8)를 전환한다.

Description

마찰 저항 저감 선박의 운전 방법

[0001] 본 발명은 미세 기포(마이크로 버블)를 선체의 외표면에 공급하여, 선체와 물 사이의 마찰 저항을 저감하는 마찰 저항 저감 선박의 운전 방법에 관한 것이다.

[0002] 본 발명자는 미세 기포를 이용한 마찰 저항 저감 선박으로서, 특허문헌 1 내지 4를 제안하고 있다. 이들 특허문헌 1~4에 개시된 마찰 저항 저감 선박은, 공통의 구성으로서, 선체에 개구부를 형성하고, 이 개구부에 미세 기포 발생 부재를 설치하고, 배관을 개재하여 상기 미세 기포 발생 부재에 공기를 공급하도록 하고 있다.

[0003] 특히 상기 미세 기포 발생 부재의 구조는, 개구부에 끼워 넣어지는 플레이트와, 이 플레이트에 상기 배관으로부터의 공기를 인출하는 창부(窓部)를 형성하고, 또한, 창부에 대향하는 개소에 인출용의 부압(負壓)을 발생하는 날개를 마련하고 있다.

[0004] 상기 구성으로 함으로써, 선박이 항행(航行)함에 따라, 날개에서 부압이 발생하고, 이 부압에 의해 공기가 창부로부터 기액(氣液) 혼합부로 인출되고, 이 기액 혼합부에 있어서의 켈빈-헬름홀츠 불안정 현상(Kelvin Helmholtz unstable phenomenon)에 의해 미세 기포가 생성되고, 이 미세 기포가 혼합된 해수가 선체를 덮음으로써 항행에 수반하는 물과의 마찰 저항이 저감된다.

[0005] 상기한 특허문헌 1~4에 개시된 방법에서는, 선체 측면의 난류 경계층에 주입된 기포는 이류(移流)하는 과정에서 그 분포가 변동하여, 하류측에서 특정한 소밀 구조를 형성하고, 난류 경계층 내의 국소 공극률은 시공간에서 변동한다.

[0006] 비특허문헌 1에는, 이 보이드율(void fraction)의 시공간 변동이 마찰 저항 저감을 촉진하는 것이 수평 채널을 이용한 실험에서 확인되고, 또한, 수평 채널 난류에 대해서, 간헐적으로 기포를 주입하는 것에 의해 동일한 평균 보이드율에서의 저항 저감량이 증가한 것으로 보고되었다.

[0007] 또한, 특허문헌 5에 기재된 마찰 저항 저감 선박의 운항 방법에서는, 마찰 저항 저감 효과를 향상시키기 위해, 간헐적으로 기포 발생 부재에 공기를 공급하는 것이 기재되어 있다.

[0008] 여기서, 도 5는 미세 기포 발생 부재를 장착한 컨테이너 선박의 실제 항해 상태를 나타내는 사진이며, 외양 항로에서는 파도의 굴곡이 크고, 험악한 날씨에는, 도 5 (a)에 나타낸 바와 같이 롤링에 의해 30° 가까이 선체가 기울어지고, 또한, 도 5 (b)와 같이 롤링과 피칭의 합성 운동에 의해 선체의 선단 좌측면 (또는 우측면)의 미세 기포 발생 부재가 해면으로부터 노출된다.

[0009] 즉, 해면 상에 노출된 미세 기포 발생 부재로부터 공기를 분출해도, 마찰 저감에 기여하는 경계층을 형성하지 않기 때문에, 쓸데없는 에너지를 소비하는 것으로 된다. 전술한 종래 기술에서는 이러한 단점을 개선할 수 없다.

[0010] 특허문헌 6에는, 선체에 장착한 공기 공급구로부터의 기포에 의해 선체 표면과 해수 사이에 기액이 혼합된 경계층을 형성하면서 항행하는 공기 순환식 선박의 운전 방법이 개시되어 있다. 특히, 선체의 롤링과 피칭 각도를 검출하고, 이 검출 값으로부터 상기 공기 공급구가 수면 아래에 있는지 여부를 판단하고, 수면 아래에 없다고 판단한 공기 공급구에는 공기의 공급을 차단하는 내용이 개시되어 있다.

[0011] 특허문헌 1 : 일본 특허 제4183048호 공보 특허문헌 2 : 일본 특허 제4212640호 공보 특허문헌 3 : 일본 특허 제4286313호 공보 특허문헌 4 : 일본 특허 제5931268호 공보 특허문헌 5 : 일본 특허 공개 제2011-163774호 공보 특허문헌 6 : 일본 재공표 특허 제2015/198613호

[0012] 비특허문헌 1 : 「보이드파 생성에 의한 고속 채널 난류의 마찰 저항 체감률 향상」 제24회 동력·에너지 기술 심포지엄 강연 논문집, 2019년 6월 20일

[0013] 특허문헌 6에 의하면 특허문헌 1∼5로 해결할 수 없었던 문제를 개선할 수 있다. 그러나, 실제 항행에서는 롤링과 피칭에 의해 항상 선체는 전후 좌우 및 상하로 이동하고 있고, 게다가 기포 발생부의 선체에의 설치 위치에 따라 변동폭이 다르다. 또한, 기포 발생부(공기 공급구)가 수면보다 위에 있다고 판단하여 공기의 공급을 차단해도, 선체는 상시 움직이고 있기 때문에, 차단한 시점에서 수면 아래로 되어 있는 것으로 생각된다.

[0014] 선박이 항행하는 경우, 파랑 등에 기인하는 외란을 받으면, 롤링과 피칭 현상이 발생한다. 선박에 작용하는 외란에는, 비교적 온화한 해수면을 항행하는 경우의 파랑에 의한 주기성 외란과, 험악한 날씨의 경우의 비주기성 외란이 있으며, 주기성 외란의 경우에는 거의 같은 패턴의 롤링과 피칭 현상이 반복된다. 또한, 비주기성 외란의 경우는 거의 같은 패턴이 반복되는 것은 아니지만, 임의의 시점의 패턴과 그 전후의 패턴을 비교하면, 주기성 외란의 경우보다는 변화는 크지만, 유사한 패턴으로 되어 있다. 즉, 항행의 조건에 관계없이, 연속하는 롤링과 피칭 현상의 패턴은 어느 시점에서 급격하게 변화하지 않는다고 말할 수 있다.

[0015] 본 발명은 상기 식견에 기초하여 이루어진 것이다. 즉, 본 발명에 따른 마찰 저항 저감 선박의 운전 방법은, 항행시의 직전의 롤링 및 피칭 패턴으로부터 다음의 롤링 및 피칭 패턴을 예측하고, 이 예측한 롤링 및 피칭 패턴으로부터 개별 미세 기포 발생부의 예측 상하 위치 패턴을 작성하고, 이 예측 상하 위치 패턴과 적재량에 기초한 흘수선 높이로부터 상기 복수의 미세 기포 발생부 중 다음의 롤링 및 피칭시에 해면보다 높아지는 미세 기포 발생부를 예측하고, 이 해면보다 높아질 것으로 예측한 시간에 맞추어 당해 미세 기포 발생부에 공기를 공급하는 경로에 설치한 밸브를 닫도록 했다.

[0016] 밸브로부터 미세 기포 발생부까지 공기가 이동하는데 시간 지연이 있기 때문에, 이 시차 분을 고려하여 밸브를 작동시키도록 해도 된다.

[0017] 본 발명은 특히, 미세 기포 발생부로부터 간헐적(맥동)으로 공기를 토출하는 방식에 효과적이다. 미세 기포 발생 부재에의 간헐적인 공기의 공급은 다이어프램 밸브나 버터플라이 밸브 등을 이용한 온·오프 밸브의 제어 외에, 헤더 등에 진동판을 배치하는 구성 등도 생각할 수 있다.

[0018] 본 발명에 의하면, 능동적으로 제어함으로써, 선체의 롤링과 피칭 움직임에 의해 수면 아래에 있는 기포 발생부에만 공기를 공급하기 때문에, 에너지 손실이 적어진다. 특히, 공급하는 공기를 간헐 공급으로 함으로써, 선체와 해수 사이에 형성되는 경계층에 있어서의 기포율(보이드율)이 시간의 경과 및 선체를 따른 후방으로의 이동에 의해 정상 상태가 되는 것을 지연시켜, 난류 상태를 유지하기 위해 마찰 감소 효과를 더욱 높일 수 있습니다.

[0019] 도 1은, 본 발명 방법의 적용 대상이 되는 마찰 저항 저감 선박의 측면도.
도 2는, 에어 회로의 개략도.
도 3은, 선체가 롤링에 의해 기울어진 상태를 나타내는 도면.
도 4는, 롤링과 피칭의 합성 운동에 의한 미세 기포 발생부의 상하 위치 변화와 기준이 되는 흘수선과의 관계를 나타내는 그래프.
도 5의 (a)는, 미세 기표 발생 장치를 설치한 선박의 외양에서의 항행시의 경사예를 나타낸 사진이고, (b)는, 외양에서의 항행시의 선수 부분의 사진.

[0020] 이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 마찰 저항 감소 선의 측면 및 저면에는 미세 기포를 분출하는 미세 기포 발생부(1)가 복수 개 설치되어 있다. 이 미세 기포 발생부(1)는 선체 측면 및 저면에 형성된 개구에 끼워지고, 선체 내에 설치된 배관을 통해 공기 또는 압축 공기가 공급된다.

[0021] 도 2는 미세 기포 발생 부재(1)에의 공기 공급 계통의 일례를 나타내고, 컴프레서 등의 공기 공급원(2)으로부터 배관(3)을 통하여 헤더(4a, 4b, 5, 6a, 6b)에 에어가 공급된다. 헤더 (4a, 4b) 로부터는 선체 좌측면의 미세 기포 발생부재(1)에 에어가 공급되고, 헤더 (4a) 에는 인접하는 동일한 높이 위치에 있는 복수의 미세 기포 발생 부재(1)가 접속되어 있다.

[0022] 헤더 (5) 로부터는 선체 저면의 미세 기포 발생부(1)에 에어가 공급되고, 헤더 (6a, 6b) 로부터는 선체 좌측면의 미세 기포 발생부(1)에 에어가 공급된다. 또한, 헤더를 생략하여 직접 미세 기포 발생 부재(1)에 공기를 공급해도 된다.

[0023] 각 헤더에 이르는 배관(3)에는 유량 조정 밸브(7) 및 온·오프 밸브(8)가 설치되고, 온·오프 밸브(8)의 제어는 컨트롤러(9)에 의해 행해진다. 또한, 도면에서는 헤더 직전에 온·오프 밸브(8)를 설치하고 있지만, 헤더와 각 미세 기포 발생부(1) 사이에 배치해도 된다.

[0024] 선박이 항행할 때에는 항상 파의 영향을 받아 롤링 및 피칭을 반복하며, 선박은 이들이 합성한 운동을 한다. 따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, 일부 미세 기포 발생 부재(1)는 수면보다 높아진다.

[0025] 컨트롤러(9)는 해수면 위에 있다고 판단한 미세 기포 발생부(1)가 접속되는 헤더에는 온·오프 밸브(8)를 닫는 신호를 보내고, 수면 위에 있다고 판단한 미세 기포 발생부(1)가 접속되어 헤더에는 온·오프 밸브(8)를 간헐적으로 개폐하는 신호가 전송된다. 간헐적으로 개폐하는 신호로서는 수 헤르츠 이하가 바람직하다.

[0026] 또한, 온·오프 밸브(8)를 간헐적으로 온·오프하는 대신에, 헤더에 진동판(10) 등을 배치함으로써, 미세 기포 발생부(1)로부터 분출되는 공기에 맥동을 일으키도록 해도 된다.

[0027] 도 4는 컨트롤러(9)에 있어서의 미세 기포 발생부가 해수면보다 위에 있는지의 여부의 판단 수법을 설명한 도면이다. 이 판정은 개별 미세 기포 발생 부재(1)에 대하여 행해진다. 우선, 롤링 각도 및 피칭 각도로부터 개별 미세 기포 발생부의 시간 경과에 따른 상하 위치를 측정한다. 측정된 시간에 따른 상하 위치의 변동을 곡선으로 표시한다.

[0028] 또한, 도 4에서, 높이 '0'의 수평선은 적재량에 기초한 흘수선 높이를 나타낸다. 적재량이 적은 경우에는 흘수선 높이는 하방으로 이동하여, 보다 많은 미세 기포 발생부가 해수면보다 상방 위치가 되고, 적재량이 많은 경우에는 흘수선 높이는 상방으로 이동하여, 보다 많은 미세 기포 발생부가 해수면 이하가 된다.

[0029] 도 4에 있어서, 상하 위치의 변동 곡선의 실선 부분과 점선 부분의 경계부가 현시점이며, 이 경계부보다 좌측의 실선 부분이 실제의 경과한 상하 위치를 나타내고, 우측의 점선 부분이 앞으로 예상된다 상하 위치를 나타낸다.

[0030] 즉, 롤링과 피칭은 기후의 변동 등에 의해 크게 변화하지만, 매우 짧은 시간에 한한 경우에는 거의 동일하거나 유사한 패턴이 반복된다. 따라서 직전의 롤링과 피칭의 패턴을 알면, 그 다음의 다음 패턴도 예측할 수 있다. 롤링과 피칭의 각도로부터 산출되는 미세 기포 발생부의 상하 위치 변동 패턴도 마찬가지이다.

[0031] 또한, 각 미세 기포 발생부의 설치 위치에 따라 상하 위치 변동도 다르기 때문에, 본 발명에서는, 개개의 세기 기포 발생부마다 상하 위치 변동을 측정하고 현시점 이후의 상하 위치 변동을 예측한다. 그리고, 예측한 상하 위치 변동과 흘수선 높이를 비교해, 해면보다 아래에 있던 미세 기포 발생부가 해면보다 위가 되는 시각, 혹은 해면보다 위에 있던 미세 기포 발생부가 해면보다 아래가 되는 시각을 예측하고, 그 시간에 온·오프 밸브 (8)를 전환한다.

[0032] 또한, 밸브(8)를 통과한 에어가 미세 기포 발생부까지 도달하는 시간을 고려한 시간만큼, 밸브(8)의 전환 시간을 빨리하는 것이 바람직하다.

[0033] 미세 기포 발생부의 구조로서는, 선체에 에어를 분출하는 개구부를 설치하고, 이 개구부의 외측에 항행에 수반하여 부압을 발생하는 날개 부재를 배치하고, 개구부로부터 부압에 의해 에어를 인출하는 것과 함께 캐비테이션 효과에 의해 수중에 미세 기포를 발생시키는 구조가 강구된다. 단, 미세 기포 발생부로서는 특별히 이것에 한정되지 않는다.

[0034] 1…미세 기포 발생 부재, 2…공기 공급원, 3…배관, 4a, 4b, 5, 6a, 6b…헤더, 7…유량 조절 밸브, 8…온·오프 밸브, 9…컨트롤러.

Claims (2)

1. 선체에 마련한 복수의 미세 기포 발생부로부터의 기포에 의해 선체 표면과 해수 사이에 기액(氣液)이 혼합된 경계층을 형성하면서 항행하는 마찰 저항 저감 선박의 운전 방법으로서,
   항행시의 직전의 롤링 및 피칭 패턴으로부터 다음의 롤링 및 피칭 패턴을 예측하고, 이 예측한 롤링 및 피칭 패턴으로부터 개별 미세 기포 발생부의 예측 상하 위치 패턴을 작성하고, 이 예측 상하 위치 패턴과 적재 양에 기초한 흘수선 높이로부터 상기 복수의 미세 기포 발생부 중 다음의 롤링 및 피칭시에 해면보다 높아지는 미세 기포 발생부를 예측하고, 이 해면보다 높아질 것으로 예측한 시간에 맞추어 당해 미세 기포 발생부에 공기를 공급하는 경로에 설치한 밸브를 닫을 때, 상기 해면보다 높아질 것으로 예측한 미세 기포 발생부에 공기를 공급하는 경로에 설치한 밸브를, 해당 밸브로부터 미세 기포 발생부까지 공기가 이동하는 시간만큼 빨리 닫는 것을 특징으로 하는 마찰 저항 저감 선박의 운전 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 미세 기포 발생부로부터 간헐적으로 공기를 토출하는 것을 특징으로 하는 마찰 저항 저감 선박의 운전 방법.

Images