KR100773924B1 - 캐비테이션 감소를 위한 블레이드를 갖는 선박용 핀 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기본적으로 핀의 표면과 끝단부의 캐비테이션을 감소시키도록 부드러운 형상을 가지면서, 핀을 통과하는 유체의 흐름을 유도하여 보오텍스가 한곳에 모이지 않고 분산시킴에 따라, 표면과 끝단부의 캐비테이션을 감소시키는 동시에 보오텍스 캐비테이션을 감소시키기 위한 블레이드를 갖는 선박용 핀에 관한 것이다.

상기 본 발명은 선박의 외측에 설치되어 양력을 발생시키는 선박용 핀에 있어서, 상기 핀의 끝단부에 길이방향을 따라 결합되며, 전/후방 및 측방의 외측으로는 곡률이 연속되게 형성되며 상면으로 갈수록 평면을 이루는 블레이드를 포함하는 것을 특징으로 한다.

선박, 핀, 함안정기, 타, 러더, 캐비테이션, 보오텍스, 표면

Description

캐비테이션 감소를 위한 블레이드를 갖는 선박용 핀 {Vessel Fin Blade for reduction of cavitation}

도 1은 종래의 선박용 핀에 의해 형성되는 유체의 흐름을 나타내는 개념도,

도 2는 본 발명에 따른 블레이드를 갖는 선박용 핀이 선박에 설치된 예를 나타내는 개략사시도,

도 3은 도 2에 표시된 Ⅲ방향에서 바라본 개략도,

도 4는 본 발명에 따른 블레이드를 갖는 선박용 핀을 나타내는 개략사시도,

도 5는 도 4에 표시된 Ⅴ방향에서 바라본 평면도,

도 6은 도 4에 표시된 Ⅵ방향에서 바라본 일부 측면도,

도 7은 도 4에 표시된 Ⅶ방향에서 바라본 정면도,

도 8은 본 발명의 선박용 핀에 의해 형성되는 유체의 흐름을 나타내는 개념도,

도 9a 및 도 9b는 본 발명 및 종래의 핀의 대각도에서의 캐비테이션 결과 비교도,

도 10a 및 도 10b는 본 발명 및 종래의 핀의 중각도에서의 캐비테이션 결과 비교도,

도 11a 및 도 11b는 본 발명 및 종래의 핀의 소각도 초고속에서의 캐비테이 션 결과 비교도이다.

*도면 내 주요부분에 대한 부호설명*

20: 핀 23: 끝단부

30: 블레이드 31: 선단부

33: 측단부

본 발명은 선박용 핀에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 선박의 파랑 중 횡동요를 감소시키는 함안정기(Fin Stabilizer) 및 선박을 선회시키기 위한 타(Rudder)등과 같이 선박의 운동을 제어하기 위하여, 선박의 외부에 부착되어 양력을 발생시키는 선박용 핀에 관한 것이다.

일반적으로 물속에서 양력을 발생시키는 장비는 유체의 속도가 빠르거나 양력을 많이 발생시키려고 각도를 크게 하면 장비의 표면 및 후류에서 압력이 급격히 떨어지고 압력이 증기압(Vapor Pressure)보다 낮게 떨어지면 캐비테이션(Cavitation)이 발생하게 된다. 이와 같은 캐비테이션은 핀(Fin)의 표면을 침식시키는 것은 물론 소음발생의 원인이 되고 있다. 또한, 캐비테이션이 심한 경우 양력이 줄어들고 항력이 커지는 문제가 있다. 이러한 캐비테이션은 유체의 속도가 빠르거나 물속에 잠긴 깊이가 작을수록 더욱 많이 발생된다. 예를 들면, 고속선, 군용함정에서는 상기 캐비테이션이 매우 큰 문제가 되고 있다.

이와 같은 캐비테이션을 대별하면 표면에서 발생하는 캐비테이션(Sheet, Bubble, Cloud), 핀의 끝단부에 발생하는 캐비테이션, 보오텍스에서 발생하는 캐비테이션의 3가지가 있다. 이 가운데서 표면이나 끝단부에서 발생하는 캐비테이션은 발생부근의 국소적인 형상과 큰 연관이 있으며, 보오텍스에서 발생하는 캐비테이션은 핀의 표면에서 발생하는 것이 아니라 핀과 어느 정도 거리를 두고 유체 내부에서 발생하는 것으로 전체형상과 상당한 관련이 있다.

따라서, 상술한 캐비테이션을 감소시키기 위하여 상당히 많은 연구와 노력이 있어왔는데 종래에는, 도 1을 참조하면, 상술한 핀의 캐비테이션은 여러 곳에서 발생할 수 있다. 핀(1)의 표면에서 발생하는 캐비테이션은 핀 표면의 곡률을 크게 하는 형상으로 즉, 부드럽게 하면 줄일 수 있다는 것이 알려져 있다. 그러나 핀(1)의 끝단부(3)에서는 곡률이 제한 되게 되어 캐비테이션의 발생 가능성이 높다. 특히 가장 문제가 되는 부분은 핀(1)의 끝단부(3) 전방부분(5)인데, 이 부분을 '소울(Sole)'이라고 부르며 이 부분에서의 형상에 따라 표면 캐비테이션(7)의 발생가능성이 크게 달라진다. 상기 전방부분(5)을 부드러운 곡률을 유지하도록 형성하면 표면 캐비테이션(7)을 줄일 수 있다. 하지만 끝단부(3)가 전체적으로 부드럽게 되어 유체의 흐름이 양의 압력부에서 음의 압력부로 쉽게 흐르고, 이 흐름이 끝단부(3)를 넘어오면서 음의 압력부에서 강력한 보오텍스가 발생하게 된다. 따라서 표면 캐비테이션(7)을 줄일 수 있지만 보오텍스가 강력하여져 보오텍스 캐비테이션(9)이 발생하게 된다. 이러한 형상을 가지는 핀(1)은 표면 캐비테이션(7)보다 보오텍스 캐비테이션(9)이 더 심해지는 문제가 있다.

상기 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 기본적으로 핀의 표면과 끝단부의 캐비테이션을 감소시키도록 부드러운 형상을 가지면서, 핀을 통과하는 유체의 흐름을 유도하여 보오텍스가 한곳에 모이지 않고 분산시킴에 따라, 표면과 끝단부의 캐비테이션을 감소시키는 동시에 보오텍스 캐비테이션을 감소시키기 위한 블레이드를 갖는 선박용 핀을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 선박의 외측에 설치되어 양력을 발생시키는 선박용 핀으로서, 상기 핀의 끝단부에 길이방향을 따라 결합되며, 전/후방 및 측방의 외측으로는 곡률이 연속되게 형성되며 상면으로 갈수록 평면을 이루는 블레이드를 포함하되, 상기 블레이드는 전체 길이(L)가 상기 핀의 끝단부의 길이에 대하여 0.5∼0.8배인 것을 특징으로 하는 선박용 핀을 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 또한 선박의 외측에 설치되어 양력을 발생시키는 선박용 핀으로서, 상기 핀의 끝단부에 길이방향을 따라 결합되며, 전체적인 형상이 유선형이며, 유체흐름을 제어하기 위한 형상으로 전방에서는 끝단부의 전단보다 앞으로 나와 있으며 폭이 끝단부의 폭보다 크며, 후방부에서는 유체의 흐름이 끝단부를 제한적으로 넘어갈 수 있도록 폭이 줄어드는 형상의 블레이드를 가지고 있으며, 상기 블레이드는 또한, 고속에서의 표면 압력강하를 감소시키기 위한 형상으로 블레이드의 두께방향(도6의 상하방향)으로 보았을 때, 최외단(31)에서는 일정한 반경의 곡율을 가지는 형상이며, 상면(35)은 평면이며, 최외단(31)과 상면(35) 사이에서는 곡률이 연속되게 이어지되, 상기 블레이드의 최대 폭(W)은 상기 핀의 끝단부(23)의 최대 두께에 비하여 40∼70% 더 크게 설정되는 것을 특징으로 하는 선박용 핀을 제공한다.

상기 블레이드는 전체 길이(L)가 상기 핀의 끝단부의 길이에 대하여 0.5∼0.8배로 설정한다. 또한 상기 블레이드의 폭(W)은 상기 핀의 끝단부(23)의 두께에 비하여 40∼70% 더 크게 설정하고, 이 경우, 상기 블레이드는 상기 핀의 끝단부로부터 전방으로 돌출된 상기 블레이드의 선단부의 길이(D1)는 상기 블레이드의 측단부가 상기 핀의 끝단부로부터 돌출된 길이(D2)의 0.5∼1.0배인 것이 바람직하다.

또한, 상기 블레이드는 상기 핀의 끝단부에 용접 결합되며, 상기 블레이드와 상기 끝단부 사이에 형성되는 용접부는 유체흐름을 원활하게 하기 위하여 곡률을 반경 10㎜로 설정한다. 이 경우, 상기 블레이드는 전/후방 및 측방의 곡률 반경을 10㎜로 설정하며, 외측 형상이 최외단에서의 곡률과 상부에서의 곡률 0이 되도록 연속되게 이어 부드럽게 형성하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명에 따른 캐비테이션 감소를 위한 블레이드를 갖는 선박용 핀을 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부된 도 2 및 도 3은 본 발명의 선박용 핀이 선박에 설치된 예를 나타내는 개략사시도 및 개략도이고, 도 4 내지 도 7은 본 발명의 선박용 핀을 다양한 방향에서 바라보는 도면 들이고, 도 8은 본 발명의 선박용 핀에 의해 형성되는 유체의 흐름을 나타내는 개념도이다.

본 발명에 따른 선박용 핀은, 선박의 파랑 중 횡동요를 감소시키는 함안정기(Fin Stabilizer) 및 선박을 선회시키기 위한 타(Rudder)등의 핀을 나타내는 것으로, 본 실시예에서는 도 2 및 도 3과 같이, 선박(10)의 양측에 각각 소정 각도로 경사지게 결합된 함안정기(Fin Stabilizer)를 핀(20)으로 예를 들어 설명한다.

도 4 내지 도 7을 참고하면, 본 실시예의 선박용 핀(20)은 핀(20)에서 발생하는 양력에 비례하여 보오텍스 전체의 크기가 결정되기 때문에 전체 보오텍스의 크기는 줄일 수 없지만, 보오텍스를 분산시켜서 보오텍스 캐비테이션(41, 도 8 참조)을 줄이기 위해, 핀(20)의 뿌리(21)로부터 가장 먼곳에 위치한 끝단부(23)에 끝단부(23)의 길이방향을 따라 블레이드(30)가 용접 결합된다.

상기 블레이드(30)는 전체적으로 유선형으로 이루어지며, 아래면(39)은 바람직하게는 평면이며, 이후 곡면부를 형성하여 중앙에서는 일정 곡율을 갖다가 다시 상면(35)으로 갈수록 평면이 형성된다. 끝단부(23)로부터 선단부(31) 및 측단부(33)가 돌출되고, 후단부는 끝단부(23)의 후방이 노출되는 길이를 갖는다.

이와 같은 블레이드(30)는 양의 압력부에서 음의 압력부로 넘어가는 흐름을 제어하여 보오텍스의 크기를 줄여서 보오텍스 캐비테이션(30)을 감소시키는 역할을 한다.

이처럼 흐름을 제한하는 블레이드(30)의 전체길이(L, 도 4 참조)는 끝단부(23)의 길이에 대하여 대략 0.5∼0.8배로 택하는 것이 효과적이다.

이 경우, 블레이드(30)가 핀(20)의 끝단부(23)로부터 전방 및 측방으로 돌출된 길이는 다르게 설정할 수 있다. 효과적인 결과를 얻기 위해서, 블레이드(30)는 폭(W, 도 5 참조)이 끝단부(23)의 두께보다 대략 40∼70% 더 크게 설정한다. 또한, 블레이드(30)의 선단부(31)가 끝단부(23)로부터 돌출된 길이(D1, 도 6 참조)는 측단부(33)가 끝단부(23)로부터 돌출된 길이(D2, 도 7 참조)의 대략 0.5∼1.0배로 설정한다. 이처럼 D1을 D2보다 작게 설정하는 이유는, 대각도(도 9a 및 도 9b 참조)에서 블레이드(30)의 영향 때문에 표면에서의 압력이 작아져서 표면 캐비테이션이 발생 가능성이 높아지기 때문이다.

상기와 같이 블레이드(30)의 형상을 설정하면 핀(20)의 작동각도 내에서 3개의 보오텍스가 발생하게 된다. 즉, 하나는 음의 압력부에서 발생하게 되고, 또 하나는 블레이드(30)가 끝나는 양의 압력부 끝에서 발생하고, 마지막 하나는 끝단부 (23)뒤쪽에서 발생하게 된다. 본 발명에서 제안한 형상은 3개의 보오텍스의 크기가 적당히 비슷하게 분산되어 캐비테이션을 감소시키는 효과를 가진다. 이에 따라 도 1과 같이 종래의 핀(1)에서의 흐름 및 보오텍스 캐비테이션(9)에 비하여, 도 8과 같이 본 실시예에서의 핀(20)에서의 흐름 및 보오텍스의 크기가 줄어들어 보오텍스 캐비테이션(41)이 감소하게 된다.

도 6을 참조하면, 본 실시예에서의 블레이드(30)는, 핀의 내측으로는 (즉, 핀의 아래면(39)은) 바람직하게는 평면으로 형성되며, 전/후방 및 측방의 외측으로는 곡률이 연속되게 형성된다. 이 경우, 핀(20)과 블레이드(30)가 서로 접하는 곳에서는 용접부(50)가 형성되며, 이러한 용접부(50)는 유체흐름을 원활하게 하기 위하여 반경 10㎜로 설정한다.

또한 블레이드(30)의 최외단에서는 형상을 부드럽게 하기 위하여 반경을 10㎜로 설정한다. 블레이드(30)의 외측의 형상은 최외단에서의 곡률과 상부에서의 곡률 이 0으로 연속되게 이어 부드럽게 형성한다. 이때, 블레이드(30)의 외측 형상에 따라 캐비테이션이 발생하지 않는 최고속도가 결정된다.

도 9a 및 도 9b는 대각도에서의 캐비테이션 결과 비교도, 도 10a 및 도 10b는 중각도에서의 캐비테이션 결과 비교도, 도 11a 및 도 11b는 소각도 초고속에서의 캐비테이션 결과 비교도이다.

동일 조건하에서 캐비테이션 터널에서 실험을 행한 도 9a 내지 도 11b와 같이, 본 실시예에 따른 핀(20)은 종래의 핀(1)에 대하여 대각도, 중각도 및 소각도 초고속에서 각각 보오텍스 캐비테이션이 감소한 것을 확인할 수 있다. 이와 같이, 본 실시예의 핀(20)은 상기 실험에 의하여 증명된 바와 같이 캐비테이션을 효과적으로 감소시키기도 하지만, 핀 고정시 고속에서 캐비테이션이 발생되지 않는 특성을 가지고 있으므로, 고속선과 군용함정에 사용할 수 있다는 장점을 가진다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 핀은 그 끝단부에 블레이드를 결합시킴에 따라, 표면 및 끝단부의 캐비테이션을 감소시키는 한편 유체의 흐름을 효과적으로 제어하여 보오텍스가 한곳에 모이지 않고 효과적으로 분산되어 보오텍스 캐비테이션을 감소시키는 효과가 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (5)

1. 삭제
2. 선박의 외측에 설치되어 양력을 발생시키는 선박용 핀에 있어서,

   상기 핀의 끝단부에 길이방향을 따라 결합되며, 전/후방 및 측방의 외측으로는 곡률이 연속되게 형성되며 상면으로 갈수록 평면을 이루는 블레이드를 포함하되,

   상기 블레이드는 전체 길이(L)가 상기 핀의 끝단부의 길이에 대하여 0.5∼0.8배인 것을 특징으로 하는 선박용 핀.
3. 선박의 외측에 설치되어 양력을 발생시키는 선박용 핀에 있어서,

   상기 핀의 끝단부에 길이방향을 따라 결합되며, 전체적인 형상이 유선형이며, 유체흐름을 제어하기 위한 형상으로 전방에서는 끝단부의 전단보다 앞으로 나와 있으며 폭이 끝단부의 폭보다 크며, 후방부에서는 유체의 흐름이 끝단부를 제한적으로 넘어갈 수 있도록 폭이 줄어드는 형상의 블레이드를 가지고 있으며,

   상기 블레이드는 또한, 고속에서의 표면 압력강하를 감소시키기 위한 형상으로 블레이드의 두께방향으로 보았을 때, 최외단(31)에서는 일정한 반경의 곡율을 가지는 형상이며, 상면(35)은 평면이며, 최외단(31)과 상면(35) 사이에서는 곡률이 연속되게 이어지되,

   상기 블레이드의 최대 폭(W)은 상기 핀의 끝단부(23)의 최대 두께에 비하여 40∼70% 더 크게 설정되는 것을 특징으로 하는 선박용 핀.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,

   상기 블레이드는 상기 핀의 끝단부로부터 전방으로 돌출된 상기 블레이드의 선단부의 길이(D1)는 상기 블레이드의 측단부가 상기 핀의 끝단부로부터 돌출된 길이(D2)의 0.5∼1.0배인 것을 특징으로 하는 선박용 핀.
5. 제2항 또는 제3항에 있어서,

   상기 블레이드는 상기 핀의 끝단부에 용접 결합되며, 상기 블레이드와 상기 끝단부 사이에 형성되는 용접부는 유체흐름을 원활하게 하기 위하여 곡률 반경을 10㎜로 설정하고, 상기 블레이드의 전/후방 및 측방의 곡률 반경을 10㎜로 설정하며, 상기 블레이드는 외측 형상이 최외단에서의 곡률과 상부에서의 곡률이 0이 되도록 연속되게 이어 부드럽게 형성하는 것을 특징으로 하는 선박용 핀.

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