KR970000169B1 - 핀들이 들어있는 스크루우 플로펠러 보스캡 - Google Patents

Abstract

내용 없슴.

Description

핀(fin)들이 들어있는 스크루우 프로펠러 보스캡

제1도는 본 발명의 핀(fin)들이 달린 프로펠러 보스캡이 장착되어 있는 프로펠러의 정면도.

제2도는 제1도의 측면도.

제3도는 허브 소용돌이가 보스캡 후방으로 발생되는 것과 함께 핀들이 없는 종래 보스캡과 프로펠러를 도시한 도면.

제4도는 실험에 사용되는 프로펠러 특성 측정장치의 부분측단면도.

제5도는 실험에 사용되는 핀들의 평면형태를 나타내는 평면도.

제6도는 핀들을 프로펠러 보스캡에 부착하는 위치들을 도시한 측면도.

제7도는 실험 1에서 얻어진 프로펠러 특성곡선을 도시한 도면.

제8도는 내지 제10도는 각각 실험 2 내지 4에서 프로펠러 날개뿌리들과 핀들의 상대적 위치들을 도시한 도면.

제11도는 실험 5에서 핀들의 경사각을 도시한 측면도.

제12도는 제11도의 선 A-A을 따른 단면도.

제13도는 제8도 내지 제10도와 유사한 도면으로서 실험 6에서 프로펠러 날개뿌리들과 핀들의 상대적 위치를 도시한 도면.

제14도는 실험 7의 결과를 도시한 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 프로펠러 2 : 보스

3 : 프로펠러 나래 4 : 샤프트

5 : 보스캡 6 : 핀(fin)

41 : 보우트 542 : 프로펠러

본 발명은 스크루우 프로펠러의 보스캡(boss cap)에 관한 것으로서, 특히 핀들이 있는 스크루우 프로펠러 보스캡에 관한 것이다.

스크루우 프로펠러, 특히 프로펠러 효율을 제고하기 위하여 이미 여러 사람의 기술자들이 날개의 갯수, 형상, 전개 면적, 피치 등의 기술적인 설계에 대하여 의도적이고 광범위한 조사연구를 한 바 있고, 이제 그 결실이 거의 최대치까지 실질적으로 맺히게 되었다. 따라서, 이러한 항목들에 대한 연구를 통해 프로펠러 특성의 단호한 개선을 장차 기대하기란 극히 어려운 실정이다.

다른 한편으로, 스크루우 프로펠러의 프로펠러 효율이 프로펠러 보스부근에서 낮다는 것은 이미 공지되어 있다. 이런 이유로 인하여, 일본 실용공개 38,195/81호 및 139,500/82호에 기재된 바와 같이 프로펠러 보스부근의 프로펠러 효율이 상승되도록 주 프로펠러의 후방흐름쪽에서 소직경 프로펠러를 제공하는 것이 수차에 걸쳐 제안된 바 있다. 그러나, 이러한 시도는 토오크가 증가되는 것만큼 추력이 증가되지 않고 따라서 프로펠러 효율이 예상대로 개선되지 않는다는 이유에서 사실상 성공적이지 못하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 핀(fin)들이 있는 보스캡을 프로펠러에 부가하므로써, 특히 프로펠러 효율과 같은 프로펠러 특성을 제고할 수 있는 새로운 기술을 제공하는 것이다.

제3도(종래기술)에 도시된 바와 같이, 통상의 스크루우 프로펠러(31)는 보스(32)의 둘레를 따라 등간격으로 제공된 다수의 날개(33)로 구성되고, 보스(32)를 통하여 회전구동축(34)에 연결된다. 구동축(34)의 반대쪽에 있는 보스(32)의 끝에는 원추형 보스캡(35)이 보스(32)의 방향으로 발생되는 소용돌이를 가능한한 많이 감소시키기 위하여 장착된다.

본 발명자는 이러한 프로펠러 보스캡의 후미흐름에서도 상당한 허브 소용돌이(36)가 발생된다는 사실에 주의를 집중하고 종래 소직경 추가 프로펠러도 그러한 허브 소용돌이를 증가시켰을 것이라고 생각하고서 이러한 허브 소용돌이를 감소시키는 다른 수단을 찾기위한 연구를 진행하여 왔다. 마침내, 본 발명자들은 핀(fin)들이 있는 보스캡을 프로펠러에 부가하면, 허브 소용돌이가 감소되어 결국 프로펠러 효율이 증가될 수 있다는 사실을 발견하였다.

따라서, 본 발명은 스크루우 프로펠러의 보스의 장착될 캡을 도시하고 이러한 캡은 다음과 같은 상태들을 만족시키는 핀들을 갖는다.

(i) 상기 핀들은 각각의 프로펠러 날개에 대해 동일한 갯수로 되어 있다.

(ii) 상기 핀들은 프로펠러 날개뿌리의 기하학적 피차각 ε에 대해 -20°에서 +30°사이의 경사각 α(-20°≤α-ε≤+30°)을 갖는다.

그리고 전연부(leading edge)는 인접한 프로펠러 날개뿌리들 사이에 위치된다.

(iii) 상기 핀들의 최대직경은 보스의 캡 장착 단부의 직경보다 크고, 프로펠러 직경의 33% 이하이다.

본 발명에 따라 제공된 핀들은 그 자체로 추력을 발생시키기 위한 것은 아니나, 허브 소용돌이의 발생을 감소시키는 방향으로 보스캡의 후방으로 물 흐름을 안내하기 위한 것이다.

이러한 안내효과로 인하여 보스캡 후방에서의 허브 소용돌이가 흩어져 버리고, 이 소용돌이에 의해 유인된 프로펠러 날개 평면상의 항력이 감소되며, 그 결과 특히 프로펠러 효율과 같은 프로펠러 특성은 토오크의 현저한 증가없이 크게 향상된다.

따라서, 일반적인 경향으로서, 본 발명은 강한 허브 소용돌이를 발생시키는 높은 피치비(H/D)를 갖는 프로펠러에 매우 높은 효과를 제공한다.

하기에 기재되는 본 발명의 실시예에 도시된 바와 같이, 상기 핀들은 보스캡에 대해 경사각(rake angle)이나 양 또는 음의 캠버(camber)를 갖도록 제공될 수 있을 것이다.

이하, 본 발명의 실시예가 첨부한 도면을 참조하여 하기에 상세히 서술될 것이다.

다음의 표 1에 도시된 바와 같은 데이터를 가진 프로펠러 모델들을 사용하여 물탱크에서 시험이 실행되었다. 상기 물탱크는 원형 흐름 형식이고, 5.0m(길이)×2.0(너비)×1.0m(깊이) 크기의 관찰부를 가진다. 최대 유동률은 2.0m/sec이고, 이 유동율의 균일성은 1.5%내에 있다.

제4도에는, 프로펠러 특성 측정 장치의 측면도가 부분적으로 단면으로 도시되어 있다. 이러한 장치는, 그 프로펠러 개방 보우트(41)를 물탱크위에 있는 단단한 운반대(도시안됨)에 고정시킴으로써 상기 물탱크의 관찰부에 위치된다. 상기 보우트(41)는 그 말단부에 착탈가능하게 부착되는 프로펠러(42)를 회전시키는 구동기구(43)와, 추력 검출기(44), 및 토오크 검출기(45)를 갖는다.

제4도는 도시되지는 않았으나, 프로펠러 회전속도는 디지탈 계수기 TM-225(일본, 오노 데저먼트 인스트루먼츠 캄파니사 제품)에 의해 측정되고, 유동율은 JIS형 피토우관과 차압 변환기 DLPU-0.02(일본 도요볼드원 캄파니 제품)의 조합체에 의해 측정된다. 차압(differencial pressure)등으로 표현되는 유동율과 추력 토오크의 아날로그 신호들은 별도의 제어장치에 위치한 마이크로프로세서에 마련된 A/D 변환기를 통해 디지탈 신호들로 변환되고 물리적 데이터로 처리된 후, 이러한 데이터는 프린터로 인쇄되거나 플롯터에 의해 작도된다.

추력 계수(KT) 및 토오크 계수(KQ)는, 프로펠러 회전 속도를 7.5 내지 9.0r.p.s. 범위내에 거의 일정하게 유지시키면서 유동율을 변화시킴으로써 조절되는 다른 전진 계수들(J) 하에서 측정된다. 프로펠러 중심에서의 물깊이는 300mm이고, 물의 유동방향은 제4도에 화살표로 도시되어 있다.

프로펠러 모델상에 장착될 보스캡으로서는, 35mm의 기부 직경과 25.6mm의 높이를 가진 둥근 원추형의 캡이 제공된다. 상기 캡은 공지의 수단에 의해 프로펠러상에 장착될 수 있고, 본 실험에서는 볼트-너트에 의한 고정이 이용된다.

보스캡 위에 제공될 핀들로서는, 제5도에 평면도로 도시된 6개의 다른 3각형들(A)-(F)을 갖는 핀들이 하기의 표 2에 기재된 바와 같은 치수를 갖는 1mm 두께의 편평한 판들로 마련된다.

제6도에는 핀들과 보스캡의 상대적 위치가 도시되어 있다. 제6도는 도시된 바와 같이 프로펠러 날개(61)의 뿌리(root)(62)의 후미 단부(0)는 기준점으로서 프로펠러 축선(63)상에 설정된다. 본 발명에 있어서, 핀(64)의 전방단부에서 기준점(0) 및 프로펠러 축선(63)을 포함한 평면까지의 원주거리는 a로 한다(화살표로 표시된 프로펠러 회전방향에서 양이다). 핀(64)의 전방 단부에서 기준점(0)을 포함한 원주까지의 표면거리는 b로 한다. 프로펠러 축선에 직교한 평면에 대한 핀(64)의 각도는 α로 한다. 프로펠러 날개 뿌리(62)의 기하학적 피치각은 ε으로 한다.

본 발명에 있어서, 프로펠러 날개뿌리의 기하학적 피치각 ε은 프로펠러 날개뿌리의 코-끝 선(nose-tail line)에 기초한 각도이다. 더 자세히 설명한다면, 프로펠러 축선상에 축선이 있으며 반경이 보스 반경과 같은 원동형 표면과, 가상 표면으로서 프로펠러 날개 표면 또는 그 연장부라는 두 표면들이 고려된다. 이러한 두 표면들 사이의 횡단선과 교차하는 원통형 표면, 즉 원통형 단면이 평면위에 전개된다. 전개시, 전개될 원통형 단면으로 형성된 날개 단면의 코-끝 선(nose-tail line)과 상기 원통형 표면의 모면(generatrix)에 직교하는 선 사이의 각도는 ε에 대응한다.

아무런 경사각도 주어지지 않으면, 핀(64)은 제6도 지면에 수직한 방향으로 보스캡에 장착된다. 하기의 실험에서는 보스캡 상에 홈을 파고 핀의 하부를 상기 홈에 넣고 접착제로 고정시킴으로써 장착이 이루어지나, 실재로는 보스캡과 핀들을 한덩이로 함께 형성하는 것이 바람직하다. 제5도에 있어서, 핀의 하부에 표시된 점선들은 핀을 보스캡에 장착한 후 핀 표면과 보스캡 표면 사이의 교차선을 나타낸다.

실험 1

형식 CP26(ε=67.4°)의 프로펠러와 제5(c)도의 핀들을 이용하여 물탱크 시험을 실시하였다. 각 프로펠러 날개당 1개씩 총 4개의 핀들이 a=10mm, b=5mm 및 α=66°의 위치에서 보스캡 위에 장착된다. 이때, 핀들을 보스캡상에 장착한 후 프로펠러 축선에서 핀의 반경방향으로 가장 멀리 이격된 단부까지 거리의 두배(2r), 즉 핀들의 최대 직경과 프로펠러 직경(2R)은 r/R=0.23의 비율로 유지된다. 제1도는 이와 같이 구성된 프로펠러(1), 보스(2), 프로펠러 날개(3), 샤프트(4), 보스캡(5) 및 핀(6)의 정면도를 나타내고, 제2도는 그 측면도를 나타낸다. 비교를 위해서, 핀이 없는 경우에 대해서도 시험을 하였다. 추력 계수(KT)와 토오크 계수(KQ)는 0.0 내지 1.1의 여러 가지 토오크 계수(KQ)하에서 측정되었고, 프로펠러 효율[Eta(η)=J·KT/2PiKQ]이 계산되었다. 그 다음에, 핀이 없는 경우에서 핀이 있는 경우까지 증가된 프로펠러 효율이 증가비율(dη)이 백분율로 계산되었다. 그 결과치가 하기의 표 3,4에 나타나 있다.

제7도는 전진계수(J)를 가로축에, 추력계수(KT), 10배의 토오크계수(KQ×10) 및 프로펠러 효율(η)을 세로축에 나타내는 표 3,4의 결과를 예시한다. 제7도에서, 곡선 T2, Q2 및 P2는 표 3의 KT, KQ×10 및 η를 나타내고, 곡선 T3, Q3 및 P3는 표 4의 KT, KQ×10 및 η를 나타낸다. 제7도와 표 4로부터 프로펠러 효율이 J=0.05-1.10의 총 범위에서 약 4-8% 증가하고, 특히 보통 사용되는 J=0.9에서 7.66% 증가한다.

더욱이, 이러한 시험들에서, 기포를 공급하기 위하여 니이들 파이프는 물탱크위에서 보스캡의 후미단부 바로 근처까지 물안에 넣어진다. 핀들이 없는 경우에, 수많은 기포들이 프로펠러 축선을 따라 정렬되지만, 핀들이 있는 경우에는 기포들이 흩어져 사라지는 것으로 밝혀졌다. 핀들의 이러한 장점 때문에 허브 소용돌이는 상당히 감소되는 것으로 여겨진다.

실험 2

실험 1에 도시된 시험과 유사하지만 핀의 다른 위치들, 즉 다른 a,b 및 α를 이용하는 시험들을 하였다. 보통 채용되는 전진계수(J)=0.9에서 얻어진 프로펠러 효율 증가비가 다음의 표 5에 나타난다.

* : 실험1의 데이터로 부터

프로펠러 날개뿌리들과 핀들의 상대적 위치들이 제8도에 도시되어 있는데, 여기서 제6도에 도시된 프로펠러 날개뿌리의 후미단부(0)는 기선(base line)(×)위에 있는 것으로 도시되어 있고, 날개 위치는 기선(×)과 각도 ε을 이루고 프로펠러 날개뿌리의 코-꼬리선 길이에 상응하는 길이를 가진 선으로 도시되어 있다. 상기 날개뿌리에 인접한 다른 프로펠러 날개뿌리도 유사한 방식으로 나타나 있으나, 기선(×)방향에서 취한 날개뿌리들의 후미단부들 사이의 원주거리 만큼 연장되어 있다. 기선(×)방향으로 제6도의 a만큼 취하고, 기선(×)에 직교하게 기준점(0)을 통과하는 기선(Y)방향으로 제6도의 b만큼 취하여 핀들의 위치들이 나타난다. 핀 세그먼트의 길이는 제5도에 점선으로 도시된 바와 같이 핀과 보스캡 사이의 교차선의 길이에 상응한다. 표 5와 제8도로부터, 핀들의 전방단부들이 인접한 프로펠러 날개들 사이에 놓일 때, 즉 인접한 프로펠러 날개뿌리들의 코-꼬리 선들사이의 공간내에 있을 때, 프로펠러 효율이 상당히 증가될 수 있다는 것을 알 수 있다.

실험 3

본 실험에서는 단지 각도 α만을 변화시켜 실험 1의 시험과 유사한 시험을 실시하였다. 전진계수(J)=0.9에서 얻어진 프로펠러 효율증가비가 다음의 표 6에 나타나 있다.

* : 실험 1의 데이터로 부터

표 6의 결과가 실험 2와 유사하게 제9도에 나타나 있다. 표 6과 제9도로부터, -20°

α-ε

30°의 범위내에서 프로펠러 효율이 상당히 증가됨을 알 수 있다.

실험 4

형식 CP24(ε=57.4°)의 프로펠러와 제5(a)도 및 제5(c)도의 핀을 사용하여 실험 2의 시험과 유사한 시험을 실시하였다. 그러한 프로펠러에 보통 이용되는 전진계수(J)=0.6에서 얻어진 프로펠러 효율 증가비가 다음의 표 7에 기재되어 있다.

표 7의 결과는 실험 2와 마찬가지로 제10도에 도시되어 있다. 핀의 형상(A,C)사이에는 아무런 실질적인 차이도 없으며, 핀의 위치는 핀의 전방단부가 인접한 프로펠러 날개뿌리들 사이에 위치되고 핀의 경도가 제9도의 경우와 같이 -20°

α-ε

30°의 범위내에 있는 조건을 만족시켜야 한다는 것을 인식하여야 한다.

실험 5

±30°의 경사각을 핀에 부가시키면서 실험 4의 제6번 시험이 반복되었다. 이러한 경사각은 제6도의 지면에 수직한 방향으로부터 프로펠러 회전 방향까지의 각도이다.

이 결과가 다음의 표 8에 나타나 있다.

* : 실험 4의 데이터로 부터

표 8로부터, 프로펠러의 회전방향과 반대쪽으로 경사각이 핀에 부가될 때 dη가 개선되는 경향이 있음을 알 수 있다. 핀의 장착 위치는, 제6도와 유사한 측면도로 제11도에서, 그리고 제11도의 A-A선을 따른 제12도에 도시되어 있다.

실험 6

핀의 개수 및 위치를 바꾸어서 실험 4의 제7번 시험을 반복하였다. 그 결과가 다음의 표 9에 나타나 있다.

* : 실험4의 데이터로 부터

** : 한 특정 핀의 값 ; 다른 핀의 값은 360°를 핀갯수로 나눈 몫으로 정해진 위치들에 대응한다.

프로펠러 날개뿌리들과 핀들의 상대적 위치들이 제8도 내지 제10도에서와 같이 X-Y 평면으로 제13도에 나타나 있다. 제13도에 도시된 바와 같이 4개의 프로펠러 날개뿌리들 B1-B4에 대해서, 핀이 2개인 경우에 1/F 및 2/2위치에 있고, 핀이 3개인 경우에 1/F, 2/3 및 3/3 위치에 있고, 핀이 4개인 경우에 1/F, 2/4, 3/4 및 4/4 위치에 있고, 핀이 5개인 경우에 1/F, 2/5, 3/5, 5, 4/5 및 4/5위치에 있다. 이로부터, 핀이 2개의 경우에는 프로펠러 날개뿌리들 B2와 B3 사이 그리고 B4와 B1 사이에는 핀이 위치되지 않고, 핀이 3개인 경우에는 B3와 B4 사이에 핀이 위치되지 않는다는 것을 알 수 있다. 또한, 핀이 5개인 경우에 B3와 B4사이에 2개의 핀이 있다. 따라서, 핀 2개, 3개 및 5개의 경우에는 핀들이 균일하게 위치되지 않는다.

표 8로부터 핀들의 개수는 인접한 프로펠러 날개뿌리들 사이의 각 공간에 대해 동일해야 한다는 것을 알 수 있다.

실험 7

폭은 동일하지만 다른 높이를 갖는 제5b-5f도의 여러 가지 핀을 이용해서 실험 1의 시험과 유사한 시험을 실시하였다. 각 프로펠러 날개당 1개씩 총 4개의 동일형상의 핀들이 a=10mm, b=5mm 및 α=66°로 정해진 위치에 장착된다. 전진계수(J)=0.9에서 얻어진 프로펠러 효율 증가비가 다음의 표 10에 나타나 있다.

* : 실험1의 데이터로 부터

표 10의 결과치는 가로축에 r/R을, 세로축에 dη를 취한 제14도에 예시되어 있다.

형식 CP26 프로펠러의 보스비가 0.18이라는 사실에 비추어 볼 때, 프로펠러 효율을 개선하기 위해서는 핀의 최대직경이 보스의 캡장착단부 직경보다 커야 하고, 프로펠러 직경의 33% 이하이어야 한다는 것을 알 수 있다.

실험 8

반경 50mm의 아치형으로 구부러진 제5(c)도의 핀들을 사용하여 실험 1과 유사한 시험을 실시하였다. 본 실험에서는 두 종류의 핀들이 사용되는데, 한 종류의 핀은 프로펠러의 회전 방향으로 볼록한 아치형으로 구부러지고, 다른 종류의 핀은 프로펠러의 회전 방향으로 오목한 아치형으로 구부러진다. 각 프로펠러 날개당 1개씩 총 4개의 동일 형상 핀들이 a=10mm, b=5mm 및 α=66°(상기 호의 코드방향 각도)로 정해진 위치에 장착된다. 전진 계수(J)=0.9에서 얻어진 프로펠러 효율 증가비는 다음의 표 11에 나타나 있다.

* : 실험1의 데이터로 부터

상기 데이터로부터 핀들의 형상은 평면으로 제한되지 않으며 양 또는 음의 캠버를 가질 수 있음을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따라 스크루우 프로펠러 상에 장착될 보스캡 위에 핀들을 이용하여 허브 소용돌이의 발생을 감소시키는 방향으로 보스캡 후방의 물 흐름을 안내함으로써 토오크를 증가시키지 않고서도 특히 프로펠러 효율과 같은 프로펠러 특성을 제공시킬수 있다.

본 발명에 따른 또 다른 장점은, 예를 들어 어려운 작업과 높은 코스트를 필요로 하는, 보스캡이 달려있는 스크루우 프로펠러 자체의 현저한 변화에 의해서만 아니라 다소 작은 보스캡의 약간의 변경에 의해서도 프로펠러 특성이 크게 개선될 수 있다는 것이다. 사실상, 본 발명은 높은 코스트를 감수할 필요없이 보스캡을 교환하거나 가공함으로써 기존 선박에 이미 장착되어 있는 스크루우 프로펠러에 이용할 수 있다.

Claims (1)

1. 스크루우 프로펠러의 보스상에 장착되는, 핀들이 있는 보스캡에 있어서, 상기 프로펠러의 후방에서 상기 보스상에 장착된 캡 몸체와, 상기 캡 몸체의 원주 주위에서 이격된 간격으로 상기 캡 몸체상에 장착된 복수개의 핀을 포함하며, 상기 핀의 갯수는 동일하며, 상기 핀은 프로펠러 날개뿌리의 기하학적 피치각ε에 대해 -20°에서 +30°까지의 경사각 α를 가지며, 상기 경사각은 -20°

   

   α-ε

   

   30°으로 표시되며, 상기 핀은 인접한 프로펠러 날개뿌리들 사이에서 프로펠러의 전후방향으로 상기 프로펠러 날개뿌리와 동일하거나 또는 그 아래에 위치된 전연부를 포함하여, 상기 캡 몸체의 축선으로부터 상기 핀의 최대 직경은 보스의 캡 장착단부의 직경보다 크고 스크루우 프로펠러 직경의 33% 이하인 것을 특징으로 하는 스크루우 프로펠러 보스캡.

Images