KR101464187B1 - 선박에 구비되는 제어핀 및 그 제어핀을 구비하는 선박 - Google Patents

Abstract

선박에 구비되는 제어핀이 개시된다. 본 발명의 선박에 구비되는 제어핀은, 선박에 마련되는 제어핀에 있어서, 상기 제어핀은 프로펠러 회전축의 중심선과 교차되도록 선체의 선미부 스케그에 마련되는 것을 특징으로 한다.

Description

선박에 구비되는 제어핀 및 그 제어핀을 구비하는 선박{FIN FOR MOUNTING ON A SHIP AND SHIP HAVING THE FIN}

본 발명은 제어핀에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 선체의 선미부에서 유동 방향과 빌지 와유동을 동시에 제어하여 선체의 저항을 줄이고 프로펠러의 효율을 향상시켜 선박의 에너지를 절감할 수 있는 선박에 구비되는 제어핀 및 그 제어핀을 구비하는 선박에 관한 것이다.

일반적으로 선박은 선미에 설치된 추진 장치인 프로펠러(propeller)의 회전에 의하여 해상에서 추진력을 얻어 진행하게 되는 데, 이때 프로펠러는 선박 주위의 해수를 선미의 후방으로 가속시켜 선박에 추진력을 부가함으로써 선박을 전진시키게 된다.

프로펠러는 선박이 받는 저항을 이길 수 있는 추진력을 발생시켜야 하기 때문에, 선박의 저항 감소 및 추진 효율 제고를 통해 연료비를 절감시키기 위하여 선형이나 프로펠러 형상의 개량 등 다양한 방안이 제시되고 있다.

또한, 프로펠러로 유입되는 불균일한 선미 유동으로 인해 프로펠러가 발생시키는 추진력은 시간 및 위치에 따라 변동하므로 추진력 감소는 물론 선체 진동의 원인이 되고 있다.

나아가, 프로펠러의 회전시 날개 주변에서의 속도 증가로 인한 압력 저하로 인해 날개 주변에 기포가 발생 되는 프로펠러 공동현상(Cavitation)이 나타나는데, 이러한 프로펠러 공동현상은 프로펠러 주변의 유동을 불안정하게 하여 프로펠러의 성능 저하는 물론 프로펠러 날개 침식의 원인이 되고 있다.

이러한 문제점을 개선하기 위해 선미에 핀(fin)을 부착하는 데, 선미에 부착되는 핀은 크게 두 가지로 나누어 볼 수 있다.

하나는 프로펠러의 회전축 아래 영역의 스케그에 1개 또는 2개의 각도를 가지는 핀을 부착하여 선저로부터 올라오는 유동의 방향을 제어하는 것이고, 나머지 하나는 프로펠러의 회전축 위쪽 영역의 스케그에 1개 또는 2개의 핀을 수평하게 부착하여 빌지로부터의 와유동을 제어하는 것으로 나눌 수 있다.

전술한 두 가지 타입의 핀은 유동 방향 또는 빌지 와유동을 제어하는 하나의 기능만을 수행하게 되는데, 이는 핀의 위치와 부착 각도에 기인한다. 따라서, 에너지 절감을 위한 종래의 핀 부착은 유동 방향이나 빌지 와유동 중 한 가지만을 제어하기 위해 부착하게 되며, 두 가지를 동시에 제어하기 위해서는 여러 핀을 조합하여 사용해야 한다.

전술한 두 가지 타입의 핀 중 하나만 부착하면 일반 상선에서의 선미 유동 특성을 효과적으로 제어하기 어려워 저항 감소, 추진 효율 제고 등의 에너지 절감 효과와 더불어 추진기 진동감소 등 복합적인 효과를 얻기 어렵다.

다른 방안으로 전술한 두 가지 타입의 핀의 조합 설치로 문제점을 해결하고자 할 때는 핀 면적 증가에 따른 저항 증가를 고려하면서 효과가 발생하는 핀 조합을 찾기 위해 많은 연구가 필요하다. 또한 시행착오를 통한 누적된 경험 및 노하우가 필요하므로 시간과 비용이 상당히 많이 소요될 수 있다.

전술한 기술구성은 본 발명의 이해를 돕기 위한 배경기술로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 종래 기술을 의미하는 것은 아니다.

국내 등록번호 제10-0640744호

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 선체의 선미부에서 유동 방향과 빌지 와유동을 하나의 핀으로 동시에 제어하여 선체의 저항을 줄이고 프로펠러의 효율을 향상시켜 선박의 에너지를 절감할 수 있는 선박에 구비되는 제어핀 및 그 제어핀을 구비하는 선박을 제공하는 것이다.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 선박에 마련되는 제어핀에 있어서, 상기 제어핀은 프로펠러 회전축의 중심선과 교차되도록 선체의 선미부 스케그에 마련되는 것을 특징으로 하는 제어핀을 제공하는 것이다.

상기 제어핀은 상기 중심선으로부터 8 ~ 16도 경사질 수 있다.

상기 제어핀의 길이는 선체 길이의 1 ~ 3%일 수 있다.

상기 제어핀의 폭은 선체 길이의 1% 이내일 수 있다.

상기 제어핀의 측면에서 수평 방향 부착위치는 상기 제어핀의 선단이 프로펠러 면으로부터 선수부 방향으로 선체 길이의 4 ~ 10% 이내의 위치에 있을 수 있다.

상기 제어핀의 수직 방향 부착위치는 상기 제어핀의 선단이 선저면으로부터 연직 상방으로 선체 길이의 0.5 ~ 2% 이내의 위치에 있을 수 있다.

상기 제어핀은 상기 선미부 횡단면 수평축과 갑판 방향으로 30도 및 선저 방향으로 50도 범위 내에서 스케그 표면에 결합 될 수 있다.

상기 제어핀은 직사각형 형상 또는 직사각형 형상의 앞날과 뒷날이 필렛 가공된 형상을 가질 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 선박에 있어서, 전술한 제어핀이 마련되며, 상기 선박은 중앙평행부를 가지며, 단축으로 하나의 프로펠러가 있어서 중앙평행부에서 프로펠러까지의 선체 횡단면 형상이 급격하게 변화되는 것을 특징으로 하는 선박이 제공될 수 있다.

본 발명의 실시예들은, 프로펠러로 유입되는 빌지 와유동이 충분히 발달 되기 전 위치에 이상적인 선미 표면 유선을 따르는 단일 제어핀을 선미부 스케그 표면에 마련하여 선미부 유동방향 및 빌지 와유동을 동시에 제어함으로써 선미의 압력 분포 변화에 따라 압력 저항을 줄이고, 프로펠러로의 유입 유동을 개선함으로써 프로펠러의 추진 효율을 높일 수 있으며, 프로펠러의 불균일 하중에 의한 진동을 감소시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어핀이 선박의 우현에 마련된 상태를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 제어핀이 마련된 선박의 측면을 도시한 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 제어핀이 선미부 횡단면 수평축을 기준으로 마련되는 각도 범위를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 선미부에서 본 실시 예와 종래의 실시예의 유동 방향과 와유동을 개략적으로 도시한 도면이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

본 실시 예에서 대상 선박은 중앙평행부를 가지며 단축으로 하나의 프로펠러가 있어서 중앙평행부로부터 프로펠러까지의 선체 횡단면 형상이 급격하게 변화하는 또는 선체 횡단면적이 급격하게 감소하는 일반 상선을 포함한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어핀이 선박의 우현에 마련된 상태를 개략적으로 도시한 평면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 제어핀이 마련된 선박의 측면을 도시한 사시도이고, 도 3은 도 1에 도시된 제어핀이 선미부 횡단면 수평축을 기준으로 마련되는 각도 범위를 개략적으로 도시한 도면이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 선박에 구비되는 제어핀(100) 은, 선체의 선미부 스케그(S) 표면에 프로펠러 회전축의 중심선과 교차되도록 마련된다.

중앙평행부가 있는 일반 상선에서 선체의 중앙을 지난 유동은, 선미로 가면서 선저에서 올라오는 유동과, 선측으로부터 모이는 유동, 그리고 선체 중앙부 빌지로부터 발생되는 와유동(bilge vortex)이 만나서 스케그(S)를 지나는 특징이 있다.

또한 선체 표면의 마찰 및 선미 형상에 기인하여 스케그(S) 부근에서 하강하는 유동과 빌지에 의한 와유동이 선미에서 만나면서 매우 불균일한 유동이 프로펠러(P)로 유입된다.

이로 인해 프로펠러(P) 면에서의 속도 감소와 발달 된 와유동에 기인하여 프로펠러(P) 추진 효율 저감 및 진동 등을 유발하게 된다.

본 실시 예는 프로펠러(P)로 유입되는 와유동이 충분히 발달 되기 전 위치에 이상적인 선미 표면 유선(stream line)을 따르는 제어핀(100)을 마련하여 선미에서의 유동 방향과 와유동을 동시에 제어할 수 있다.

본 실시 예에서 제어핀(100)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 프로펠러 회전축 중심선과 평행한 수평선에 대해 후단부(도 1을 기준)가 갑판 방향으로 8 ~ 16도(α_F)로 경사지도록 마련될 수 있다. 이는 선저로부터 올라오는 유동 방향을 제어하여 프로펠러(P)의 면으로의 유입 유동을 개선하는 역할(도 4의 (a) 참조)뿐만 아니라 선미 압력장을 변화시켜 저항을 감소시키는 역할도 한다.

본 실시 예에서 제어핀(100)의 길이(L_F)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 선체의 길이의 1 ~ 3%의 길이를 가질 수 있다. 이는 선저로부터 올라오는 유동을 원하는 방향으로 충분히 유도하여 스케그(S) 부근에서 하강하는 유동을 막기에 적합한 길이이다.

즉 제어핀(100)의 길이를 본 실시 예와 같이 하면 프로펠러(P)로 유입되는 유동이 제어핀(100)을 타고 러더(R)의 상측부 방향으로 상승되므로 프로펠러(P)에서의 하강 유동이 감소 됨(도 4의 (a) 참조)을 알 수 있다.

한편 본 실시 예에서 선체의 길이라 함은 선체의 선수부 선단부터 선미부 후단까지의 전체 길이를 의미하며, 이는 후술하는 설명에서도 그대로 적용될 수 있다.

본 실시 예에서 제어핀(100)의 폭(W_F)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 선체 길이의 1% 이내일 수 있고, 제어핀(100)의 폭을 본 실시예와 같이 하면 빌지 와유동(선체의 우현에서 반 시계 방향으로 회전되는 유동)을 막으면서도 제어핀(100)의 면적에 따른 마찰 저항의 증가가 작도록 할 수 있는 이점이 있다.

또한 본 실시 예에서 제어핀(100)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 선체 횡단면의 수평축을 기준으로 갑판 방향으로 30도, 선저 방향으로 50도 범위 내에서 스케그(S)에 각도(β_F)를 갖고 결합될 수 있다.

본 실시 예에서 제어핀(100)의 선체 측면에 대한 수평 방향 부착위치(x_F)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 제어핀(100)의 선단이 프로펠러(P)의 면을 기준으로 선수 방향으로 선체 길이의 4 ~ 10%의 길이 범위 내에 있도록 위치될 수 있다.

이러한 위치는 프로펠러(P)의 면으로 유입되는 빌지 와유동이 충분히 발달 되기 이전의 위치이며, 전술한 위치에 제어핀(100)의 선단부를 배치하면 와유동을 효과적으로 억제할 수 있다.

본 실시 예에서 제어핀(100)의 수직 방향 부착위치(H_F)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 제어핀(100)의 선단이 선저면으로부터 연직 상방으로 선체 길이의 0.5 ~ 2%의 범위 내에 있도록 위치될 수 있다.

이러한 위치는 선저로부터 올라오는 유동이 빌지 와유동에 의한 교란을 적게 받는 위치이다. 따라서, 전술한 위치에 제어핀(100)의 선단부를 배치하면 선저로부터 올라오는 유동을 원하는 방향 및 위치로 흐르도록 제어할 수 있다.

한편 본 실시 예에서 제어핀(100)은 선미의 스케그(S) 표면에 용접 결합 또는 볼트 결합의 방식으로 결합 될 수도 있고, 선체의 제작 과정에서 선체와 일체로 제작될 수도 있다.

또한 본 실시 예에서 제어핀(100)은 직사각형 형상이나 직사각형 형상의 앞날과 뒷날이 필렛 가공된 형상 등 다양한 형상으로 제작될 수 있다.

도 4는 선미부에서 본 실시 예와 종래의 실시예의 유동 방향과 와유동을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 4의 (a)는 본 실시 예에 따른 선미에서의 유동 방향과 와유동을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 4의 (b)는 종래의 실시예에 따른 선미에서의 유동 방향과 와유동을 개략적으로 도시한 도면이다.

본 실시 예는 선미의 스케그(S) 표면의 전술한 특정 위치에 제어핀(100)을 마련함으로써, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같은 유선을 갖는다. 즉, 제어핀(100)에 의해 선미에서의 유동 방향이 이상 유동(ideal flow)에 가까운 유선 방향으로 만들어져 선미의 압력 분포를 변화시켜 선미부 압력 저항을 감소시킨다.

또한 제어핀(100)에 의해 선저로부터의 유동 방향 및 선체 빌지 와유동을 제어하여 프로펠러(P)의 면으로의 유입 유동 개선이 가능하며, 이로부터 추진 효율의 증가 및 진동 저감 효과를 얻을 수 있다.

구체적으로 본 실시 예는, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 제어핀(100)에 의해 스케그(S) 후방으로부터 러더(R)의 후방 영역까지 하강 유동이 종래의 실시 예인 도 4의 (b)에 비해 훨씬 적음을 알 수 있다.

또한 프로펠러면을 지나는 와유동이 매우 감소되어 나타남을 알 수 있다.

이상에서 살펴 본 바와 같이 본 실시 예는 프로펠러로 유입되는 빌지 와유동이 충분히 발달 되기 전 위치에 이상적인 선미 표면 유선을 따르는 제어핀을 선미부 스케그 표면에 마련하여 선미부 유동방향 및 빌지 와유동을 동시에 제어함으로써 선미의 압력 저항을 줄이고, 빌지 와유동을 제어하여 프로펠러 유입 유동을 개선함으로써 프로펠러의 추진 효율을 높일 수 있고, 프로펠러 유기 진동을 감소시킬 수 있다.

이와 같이 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

100 : 제어핀 P : 프로펠러
R : 러더(rudder) S : 스케그

Claims (9)

1. 선박에 마련되는 제어핀에 있어서,
   상기 제어핀은 프로펠러 회전축의 중심선과 교차되도록 선체의 선미부 스케그에 마련되고 프로펠러로 유입되는 와유동이 발달되기 전 위치에 이상적인 선미 표면 유선을 따르도록 하여 선미에서의 유동방향과 와유동을 동시에 제어할 수 있도록 하되,
   상기 제어핀은 상기 중심선으로부터 8 ~ 16도 경사져서 선저로부터 올라오는 유동방향을 제어하여 프로펠러 면으로부터의 유입 유동을 개선하고 선미 압력장을 변환시켜서 저항을 감소시키며,
   상기 제어핀의 길이는 선체 길이의 1 ~ 3%로 형성되어 선저로부터 올라오는 유동을 원하는 방향으로 유도하여 상기 스케그 부근에서 하강하는 유동을 막을 수 있도록 하며,
   상기 제어핀의 폭은 선체 길이의 1% 이내로 하여 빌지 와유동을 막고 마찰 저항을 감소시키며,
   상기 제어핀의 측면에서 수평 방향 부착위치는 상기 제어핀의 선단이 프로펠러 면으로부터 선수부 방향으로 선체 길이의 4 ~ 10% 이내의 위치에 있으므로 와유동을 억제하며,
   상기 제어핀의 수직 방향 부착위치는 상기 제어핀의 선단이 선저면으로부터 연직 상방으로 선체 길이의 0.5 ~ 2% 이내의 위치에 있으므로 선저로부터 올라오는 유동을 원하는 방향 및 위치로 흐르도록 제어하며,
   상기 제어핀은 상기 선미부 횡단면 수평축과 갑판 방향으로 30도 및 선저 방향으로 50도 범위 내에서 상기 스케그 표면에 결합하며, 상기 제어핀은 직사각형 형상의 앞날과 뒷날이 필렛 가공된 것을 특징으로 하는 제어핀.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 청구항 1에 기재된 제어핀을 구비하며, 중앙 평행부를 가지며, 단축으로 하나의 프로펠러가 있어서 상기 중앙 평행부에서 상기 프로펠러까지의 선체 횡단면 형상이 급격하게 변화되는 것을 특징으로 하는 선박.

Images