KR101238669B1 - 선박용 프로펠러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구동 샤프트(20)에 결합되는 선박용 프로펠러에 관한 것으로, 루트(root)로부터 팁(1.0 r/R)까지 상기 구동 샤프트의 반경방향에 대해 S자 또는 역 S자 형태의 레이크 분포를 가지는 블레이드(12)를 포함함으로써, 공동현상에 의해 야기되는 프로펠러의 효율을 높이고 공동 발생량 및 진동, 소음의 저감을 통한 안정화로 선체에 전달되는 변동 압력 성분을 개선할 수 있는 선박용 프로펠러에 관한 것이다.

Description

선박용 프로펠러{PROPELLER FOR SHIP}

본 발명은 선박용 프로펠러에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 곡선의 레이크(rake)를 적용하여 공동 현상을 줄일 수 있으며, 이로 인한 변동 압력값도 저감시킬 수 있는 선박용 프로펠러에 관한 것이다.

일반적으로, 선박의 프로펠러는 원통형의 실린더 축(프로펠러 허브)에 여러 개의 블레이드가 달려 있으며 회전 운동에 의해 유체를 후방으로 밀어내면서 전방으로 전진하려는 추력을 발생시키게 된다.

이때, 프로펠러는 선박의 선미에 위치하여 불균일한 유동장(wake)에서 회전 운동에 기인한 블레이드 면에서의 압력 강하로 인해 수중의 공기가 기화하는 캐비테이션(cavitation), 즉 공동현상이 발생될 수 있다.

이러한 공동이 생성하여 소멸하는 과정을 거치면서 발생되는 변동 압력은 소음이나 진동의 원인이 되며 프로펠러의 효율을 저하시키게 된다.

따라서, 선박의 프로펠러를 설계함에 있어서 그 형상을 유체역학적으로 정교하게 설계하여 선박의 추진 성능을 좋게 하면서 불균일한 유동장에서 발생하는 공동 면적을 저감시키거나 공동 현상에 기인한 변동 압력을 줄이기 위해 프로펠러의 형상을 정의하는 설계 변수들을 적절히 분포시키고자 연구가 이루어지고 있다.

프로펠러의 형상에 대한 설계 변수들은 각 반경 별(root ~ 1.0r/R)로 블레이드 단면의 형상, 단면의 두께, 길이, 캠버 및 1회전시 선박의 전진 거리(피치), 회전 방향에 대한 각도(스큐), 프로펠러 기준선으로부터의 거리(레이크)로 정의할 수 있다.

이와 같은 설계 변수들 중 블레이드의 피치 분포, 캠버 및 면적(반경 별 단면의 길이 분포)은 프로펠러의 추진 효율 및 공동현상과 밀접한 연관성이 있기 때문에 블레이드에 걸리는 하중의 적절한 분산 및 점성 저항 등을 고려하여 설계하여야 하며, 스큐는 불균일한 유동장에서 발생되는 거스트(gust)와 블레이드에 위상 차를 주어 블레이드 안에서 변동 양력을 상쇄시키도록 설계되어야 한다.

특히, 선박에 적용되는 레이크(rake)는 도 8에 도시한 바와 같이 프로펠러 기준선과 설계 기준선이 일치하도록 설계하는 것이 일반적이나, 프로펠러 기준선으로부터 직선 또는 곡선 형태로 선수 방향이나 선미 방향으로 기울어지도록 설계함으로써 공동의 발생을 줄이고 하중이나 저항의 적절한 분산을 유도하는 경우도 있다.

그러나, 이와 같은 설계 변수들의 적절한 분포를 통한 설계에도 불구하고, 공동 발생량 및 진동이 여전히 줄어들지 않는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 발명의 목적은 블레이드가 구동 샤프트의 반경방향으로 S자 또는 역S자 형태의 레이크 분포를 갖도록 함으로써, 프로펠러의 효율을 높이고 공동 발생량 및 진동, 소음의 저감을 통한 안정화로 선체에 전달되는 변동 압력 성분을 개선할 수 있는 선박용 프로펠러를 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 선박용 프로펠러는, 구동 샤프트에 결합되는 것으로, 루트(root)로부터 팁(1.0 r/R)까지 상기 구동 샤프트의 반경방향에 대해 S자 또는 역 S자 형태의 레이크 분포를 가지는 블레이드를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 블레이드는 끝단부의 일정 폭이 상기 구동 샤프트의 반경방향과 반대쪽으로 절곡된 것을 특징으로 한다.

상기 블레이드의 변곡점은 블레이드 반경의 0.2 ~ 0.8R 사이에 위치하도록 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 블레이드의 변곡점은 프로펠러 기준선에 있는 것을 특징으로 한다.

이상에서와 같이, 본 발명에 따른 선박용 프로펠러에 의하면, 공동현상에 의해 야기되는 프로펠러의 효율을 높이고 공동 발생량 및 진동, 소음의 저감을 통한 안정화로 선체에 전달되는 변동 압력 성분을 개선할 수 있는 효과가 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 선박용 프로펠러를 나타내는 정면도 및 측면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 블레이드의 변곡점을 나타내는 측면도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 선박용 프로펠러의 다른 실시예들을 나타내는 측면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 선박용 프로펠러와 제로(0) 레이크를 갖는 프로펠러의 공동 현상에 대한 결과값을 비교하는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 선박용 프로펠러와 제로(0) 레이크를 갖는 프로펠러의 변동 압력에 대한 결과값을 비교하는 그래프이다.
도 8은 종래의 선박용 프로펠러를 나타내는 측면도이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 선박용 프로펠러를 나타내는 정면도 및 측면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 블레이드의 변곡점을 나타내는 측면도이다.

도시한 바와 같이, 선박용 프로펠러(10)는 선박의 선미에 설치되어 선박에 추진 동력을 제공하는 것으로, 구동 샤프트(20)에 연결되는 보스(11)에 복수의 블레이드(12)가 소정의 피치각을 가지고 대략 방사형으로 설치된다.

구체적으로, 상기 블레이드(12)는 도 1에 도시한 바와 같이, 4개의 블레이드(12)가 90도의 각도로 대략 방사상으로 설치되나, 본 발명은 이에 한정하지 않으며, 적어도 2개의 블레이드(12)로 이루어져 선박에 최적의 추진 동력을 제공 가능한 개수라면 상관없다.

또한, 상기 블레이드(12)는 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 블레이드(12)의 루트(root)로부터 팁(1.0 r/R)까지 상기 구동 샤프트의 반경방향에 대하여 S자 형태의 레이크 분포를 갖는 구성으로 이루어져 있다.

상기 블레이드(12)의 블레이드 연장반경(BEL;Blade Expanded Length)은 종래 제로(0) 레이크를 갖는 블레이드의 반경과 비교하여 크게 증가하게 된다.

이와 같이 상기 블레이드(12)의 블레이드 연장반경이 증가하게 될 경우, 그 전체 프로펠러(10)의 길이 또한 증가하게 되므로 프로펠러(10)에 걸리는 부하가 낮아져 추력이 증가하게 된다.

또한, 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 블레이드(12)는 끝단부의 일정 폭이 상기 구동 샤프트(20)의 반경방향과 반대쪽으로 절곡되어 있다.

이와 같이 상기 블레이드(12) 끝단부의 절곡된 형상은 그 끝단부에서 발생하는 소용돌이 현상인 팁 보오텍스(TIP VORTEX)를 감소시키는 동시에, 블레이드(12) 끝단부와 선체 사이의 간격을 넓혀 공동 현상에 의해 발생되는 변동 압력을 저감시킬 수 있게 된다.

또한, 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 블레이드(12)는 수직선 형태의 프로펠러 기준선을 지나는 변곡점(C)이 블레이드(12) 반경의 0.2 ~ 0.8R 사이에 위치하게 된다.

특히 상기 변곡점(C)은 프로펠러의 기준선 상에 있도록 하여 추력 발생시 하중의 불균형으로 인한 블레이드에서의 굽힘 변형을 최대한 방지하도록 하는 것이 좋다.

여기서, 도시한 A점은 블레이드(12)의 끝단부를 나타내고, B점은 반경방향 으로 변곡점(C)이 위치할 수 있는 최대 지점으로 대략 반경의 80%에 해당하는 위치를 나타내며, D점은 반경방향으로 변곡점(C)이 위치할 수 있는 최소 지점으로 대략 반경의 20%에 해당하는 위치를 나타낸다.

상기 프로펠러 기준선을 지나는 변곡점(C)이 블레이드(12) 반경의 0.2R 미만의 위치에 있거나 상기 변곡점(C)이 0.8R을 초과하여 위치할 경우에는 공동 발생량 및 진동이 줄어들지 않는 문제점이 있어 바람직하지 않다.

그리고, 상기 블레이드(12)에 대한 선미(+) 및 선수(-) 방향으로의 레이크 값의 합에 의해 이루는 각, 즉 상기 프로펠러 기준선에 대해 선미 방향으로의 레이크 각도와 선수 방향으로의 레이크 각도를 합한 전 레이크 각도(Total Rake Angle)는 대략 45°이내에서 이루어진 것이 좋다.

한편, 첨부한 도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 선박용 프로펠러의 다른 실시예들을 나타내는 측면도로서, 도 4는 프로펠러 기준선을 지나는 변곡점(C)이 블레이드(12) 반경의 0.2 ~ 0.8R 사이에 위치한 다양한 예들을 나타낸다.

그리고, 도 5는 레이크의 분포 형태가 S자 형태와 대칭되는 역 S자 형태로 상기 S자 형태의 레이크 분포를 갖는 프로펠러(10)와 동일한 작용 및 효과를 얻는다.

따라서, 본 발명에 따른 선박용 프로펠러에 의하면, 프로펠러(10)에 유입되는 유동을 전환하여 불균일한 유동 내에서도 최적의 블레이드(12) 회전 조건을 구현할 수 있게 되고, 이로 인해 프로펠러(10)의 효율이 향상되고, 공동 발생량이 저감되며, 소음 및 진동이 저감되어 선체에 전달되는 변동 압력 성분을 개선시킬 수 있게 된다.

첨부한 도 6은 본 발명에 따른 선박용 프로펠러와 제로(0) 레이크를 갖는 프로펠러의 공동 현상에 대한 결과값을 비교하는 도면이며, 도 7은 본 발명에 따른 선박용 프로펠러와 제로(0) 레이크를 갖는 프로펠러의 변동 압력에 대한 결과값을 비교하는 그래프이다.

도 6에 도시한 바와 같이, 종래의 제로(0) 레이크를 갖는 프로펠러(100)의 경우 회전 각도 30°에서의 공동 발생량은 블레이드(12) 면적의 약 40% 정도이나, 본 발명에 따른 프로펠러(10)의 경우 회전각도 30°에서의 공동 발생량은 블레이드(12) 면적의 약 25% 정도로, 종래기술에 비해 약 15% 정도의 감소 효과 가져오게 된다.

이에 따라 도출되는 변동압력에 대한 해석 결과, 도 7에 도시한 바와 같이, 종래기술에 비해 약 20% 정도의 변동압력의 감소 효과를 가져오게 된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않으며, 특허청구범위에 기재된 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 한 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 다양한 변형 실시 또한 본 발명의 특허청구범위 내에 있게 된다.

10 : 프로펠러 11 : 보스
12 : 블레이드 20 : 구동 샤프트

Claims (4)

1. 구동 샤프트(20)에 결합되는 선박용 프로펠러에 있어서,
   루트(root)로부터 팁(1.0 r/R)까지 상기 구동 샤프트의 반경방향에 대해 S자 또는 역 S자 형태의 레이크 분포를 가지는 블레이드(12)를 포함하되,
   상기 블레이드(12)의 변곡점(C)은 블레이드(12) 반경(R)의 0.2 ~ 0.8R 사이에 위치하도록 구성된 것을 특징으로 하는 선박용 프로펠러.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 블레이드(12)는 끝단부의 일정 폭이 상기 구동 샤프트(20)의 반경방향과 반대쪽으로 절곡된 것을 특징으로 하는 선박용 프로펠러.
   
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 블레이드(12)의 변곡점(C)은 프로펠러 기준선에 있는 것을 특징으로 하는 선박용 프로펠러.

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