KR20130125628A - 선박 선미 유동 개선용 부채꼴 형상 덕트 부가물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 종래의 덕트 중 하부 반원은 없애고 상부 반원만으로 이루어지되 이러한 상부 반원이 전류고정날개의 기능과 결합하여 선체에 부착되는 한편, 전체적으로 좌우 비대칭형상을 가지고 있어 프로펠러의 회전에 따라 발생하는 흐름의 비대칭 회전특성을 제대로 반영할 수 있는, 선박 선미 유동 개선용 부채꼴 형상 덕트 부가물을 제공하는 것을 목적으로 한다. 상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 선박의 프로펠러 전방에 설치되는 부채꼴 형상 덕트 부가물로서, 날개 단면을 갖는 부채꼴 형상 덕트 및; 날개 단면을 가지며, 상기 부채꼴 형상 덕트의 좌우 양끝에 각각 연결되어 상기 부채꼴 형상 덕트를 지지하면서 상기 부채꼴 형상 덕트를 선체에 부착하는 스테이터;를 포함하는 선박 선미 유동 개선용 부채꼴 형상 덕트 부가물을 제공한다.

Description

선박 선미 유동 개선용 부채꼴 형상 덕트 부가물{appendage of fan shape duct for improving stern flow of ship}

본 발명은 선박 선미 유동 개선용 부채꼴 형상 덕트 부가물에 관한 것이다.

일반적으로 선박에 있어서는 추진 성능의 향상을 통하여 연료의 절감 및 이를 통한 경제적 운항이 가능하므로, 종래의 기술에 따르면 선박의 추진 효율을 향상시키기 위한 기술의 개발에 많은 노력들이 이루어지고 있다.

선박의 추진 효율을 향상시키기 위한 기술 중 하나의 예로서 전류고정날개(pre-swirl stator)를 들 수 있다. 도 4는 특허출원 제10-2009-0022087호의 “선박의 전류고정날개”를 보여준다(이하, ‘종래기술 1’이라고 함). 도 4에서, 전류고정날개는 프로펠러의 전방에서 프로펠러로 향하는 유체의 유입각을 변경시켜 회전방향의 운동에너지 손실을 회수함으로써 선박의 추진 효율을 향상시킨다.

종래기술 1의 경우, 전류고정날개는 그 길이를 프로펠러 회전반경보다는 크게, 직경의 1.3배는 초과하지 않는 범위로 정한다. 이는 유입유동의 균형을 맞추기 위해 좌우 비대칭으로 맞추거나 전류고정날개의 끝단부에서 발생하는 유동 박리현상에 의한 캐비티(cavity)가 후류에 배치된 프로펠러의 표면을 침식하지 않도록 하기 위한 것이다.

한편, 선박의 추진 효율을 향상시키기 위한 기술 중 또 하나의 예로는 덕트(duct)를 들 수 있다. 종래의 기술에 따르면 다양한 형태 및 기능을 가진 덕트가 개발되고 있는데, 그 중 도 5는 특허출원 제10-1996-0020334호의 “선미 덕트 부착 선박”을 보여준다(이하, ‘종래기술 2’라고 함). 도 5에서, 프로펠러 전방의 선체에 부착되는 링 형상의 덕트 구조물은 선박의 추진 성능 향상에 기여한다. 링 형상의 덕트에 의해 물의 흐름이 정류되는 동시에 가속되어 덕트에 의한 추가 추력이 발생하며, 저항은 감소한다. 또한 전진 성능을 향상시킴과 동시에 프로펠러 기진력을 줄여주어 진동을 경감시킨다.

종래기술 2의 경우, 선박의 덕트는 그 중심(P)이 프로펠러의 축 중심보다 프로펠러 직경(Dp)에 대해 0~25%만큼 상부에 위치하며, 단면형상은 내측으로 볼록하게 하고, 덕트 직경은 프로펠러 직경에 대해 40~70%로 한다. 또한 상기 덕트는 좌, 우가 대칭인 형상이며, 상단 반원과 하단 반원으로 이루어진 링 형상을 채택한다.

그런데, 상기 종래기술 1, 2에 따르면 다음과 같은 문제가 있다.

첫째, 덕트는 일반적으로 유동의 정류를 통한 유동의 가속을 목적으로 하고 이 경우 덕트의 상부 반원이 유동을 정류시키는 역할을 하지만, 종래기술 2에서는 덕트가 링 형상(원 형상)을 채택하고 있어 상부 반원뿐만 아니라 하부 반원도 포함하고 있는바, 이러한 하부 반원은 유동의 정류에는 전혀 불필요한 요소임에도 불구하고 자체 저항만을 증가시킬 뿐만 아니라 충돌 등의 손상 위험을 야기하는 문제가 있다.

둘째, 종래기술 2의 경우, 덕트가 선체의 선미부에 대해 별도의 지지 구조물을 매개로 설치되어 있어 중량이 필요 이상으로 무겁고, 제작 및 설치 시에 소요되는 시간과 비용이 과다하며, 불필요한 부가 저항 증가 등의 문제가 발생한다.

셋째, 종래기술 1, 2의 경우, 전류고정날개나 덕트는 좌우 대칭형상을 가지고 있어 프로펠러의 회전에 따라 발생하는 흐름의 비대칭 회전특성을 제대로 반영하지 못하여 프로펠러 유입 유동의 비대칭성에 따른 효율 감소의 문제가 발생한다.

넷째, 선박은 통상적으로 아무런 제어장치 없이는 직진하지 않는데, 이는 프로펠러가 한 방향으로만 회전하여 선박이 그 반력으로 인하여 약간 선회하기 때문이다. 따라서 선박을 직진시키려면 선박에 작용하는 반력을 제어해 주는 것이 필요하나, 종래기술 1, 2에서는 선박의 직진 안정성에 대해 전혀 고려하고 있지 않다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 종래의 덕트 중 하부 반원은 없애고 상부 반원만으로 이루어지되 이러한 상부 반원이 전류고정날개의 기능과 결합하여 선체에 부착되는 한편, 전체적으로 좌우 비대칭형상을 가지고 있어 프로펠러의 회전에 따라 발생하는 흐름의 비대칭 회전특성을 제대로 반영할 수 있는, 선박 선미 유동 개선용 부채꼴 형상 덕트 부가물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

선박의 프로펠러 전방에 설치되는 부채꼴 형상 덕트 부가물로서,

날개 단면을 갖는 부채꼴 형상 덕트 및;

날개 단면을 가지며, 상기 부채꼴 형상 덕트의 좌우 양끝에 각각 연결되어 상기 부채꼴 형상 덕트를 지지하면서 상기 부채꼴 형상 덕트를 선체에 부착하는 스테이터;

를 포함하는 선박 선미 유동 개선용 부채꼴 형상 덕트 부가물

을 제공한다.

본 발명에 따르면 다음과 같은 유리한 효과가 발생한다.

첫째, 본 발명은 종래의 덕트 중 하부 반원은 없어지고 상부 반원만으로 이루어지므로 유동의 정류에는 전혀 불필요한 요소인 하부 반원으로 인한 자체 저항의 증가나 충돌 등의 손상 위험이의 문제가 발생하지 않는다.

둘째, 본 발명은 덕트가 별도의 지지 구조물을 매개로 설치되지 않고 전류고정날개의 기능을 하는 스테이터를 매개로 설치되므로 중량이 가볍고, 불필요한 부가 저항이 발생하지 않으며 오히려 선박의 추진 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

셋째, 본 발명은 전체적으로 좌우 비대칭형상을 가지고 있어 프로펠러의 회전에 따라 발생하는 흐름의 비대칭 회전특성을 제대로 반영하므로 프로펠러 유입 유동의 비대칭성에 따른 효율 감소의 문제가 발생하지 않는다. 또한 본 발명의 비대칭 각도를 조절함으로써 선박의 직진 안정성을 용이하게 보장할 수 있다.

도 1은 본 발명을 선미에서 바라 본 모습(정면도).
도 2는 본 발명을 선측에서 바라 본 모습(측면도).
도 3은 본 발명에 따른 부채꼴 형상 덕트와 스테이터의 설치각도를 설명하기 위한 개념도.
도 4는 특허출원 제10-2009-0022087호의 선박의 전류고정날개(종래기술 1).
도 5는 특허출원 제10-1996-0020334호의 선미 덕트 부착 선박(종래기술 2).
도 6 및 도 7은 본 발명의 효과를 증명하는 수치해석 결과 및 그래프.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명을 선미에서 바라 본 모습(정면도)이며, 도 2는 본 발명을 선측에서 바라 본 모습(측면도)이다. 그리고 도 3은 본 발명에 따른 부채꼴 형상 덕트와 스테이터의 설치각도를 설명하기 위한 개념도이다.

본 발명은, 종래의 덕트 중 하부 반원은 없애고 상부 반원만으로 이루어지되 이러한 상부 반원이 전류고정날개의 기능과 결합하여 선체에 부착되는 한편, 전체적으로 좌우 비대칭형상을 가지고 있어 프로펠러의 회전에 따라 발생하는 흐름의 비대칭 회전특성을 제대로 반영할 수 있는, 선박 선미 유동 개선용 부채꼴 형상 덕트 부가물을 제공하는 것을 목적으로 하는바, 이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 부채꼴 형상 덕트(1) 및 스테이터(2)를 포함하여 이루어진다.

본 발명은 선박의 프로펠러 전방에 설치되는 부채꼴 형상 덕트 부가물로서, 본 발명에서 부채꼴 형상 덕트(1)와 스테이터(2)는 모두 날개 단면을 갖는다. 그리고 스테이터(2)는 도 1에서 보는 바와 같이 부채꼴 형상 덕트(1)의 좌우 양끝에 각각 연결되어 부채꼴 형상 덕트(1)를 지지하면서 이와 동시에 부채꼴 형상 덕트(1)를 선체에 부착하는 역할을 한다. 보다 구체적으로, 도 2에서, 선체(3)의 선미부에 위치한 선미보스(4)에 프로펠러(5)가 기관에서 제공되는 힘에 의해 회전 가능하게 설치되고, 프로펠러(5) 전방에 프로펠러 축 중심을 따라 두 개의 스테이터(2)가 설치되며, 스테이터(2)의 상단에는 부채꼴 형상 덕트(1)가 설치된다.

일반적으로 프로펠러 유입 유동을 정류하기 위해서는 프로펠러 상단 반원이 필요하다. 이와 관련하여 종래의 덕트는 링 모양(원 모양) 형상을 채택하고 있어 상단 반원과 하단 반원이 모두 존재하나, 하단 반원은 유동의 정류에는 전혀 불필요한 요소임에도 불구하고 충돌 및 손상 위험성, 추가적인 비용 증가 등의 단점만 야기하므로 선미 부착의 실효성이 없다. 따라서 본 발명에서는 하단 반원은 없애고 상단 반원만을 적용한 부채꼴 형상 덕트(1)를 채택하기에 이른 것이다. 도 1에서, 부채꼴 형상 덕트(1)의 내부 각도(③)는 110~140°의 범위를 가지며, 부채꼴 형상 덕트(1)의 외륜 직경(⑧)은 프로펠러 직경(D)의 0.8~1.1D의 범위를 갖는다.

한편, 종래에는 덕트와 선체의 연결을 위해 별도의 지지 구조물을 부착하였는데, 이 경우 중량 증가, 시간과 비용 증가 등의 문제가 발생하였다. 이러한 문제를 개선하기 위해, 본 발명은 선미에서 프로펠러로의 유입 유동 흐름을 균일하게 해주는 역할을 하는 스테이터(2)를 상기 부채꼴 형상 덕트(1)의 선체에 대한 지지 구조물로 도입하기에 이르렀다.

본 발명에서, 스테이터(2)의 날개 단면 길이(⑦)는 부채꼴 형상 덕트(1)의 좌우 양끝 단면 길이(⑤)와 동일하며(도 1, 도 3), 스테이터(2)에 날개 단면을 적용하고 영각을 부여하여 프로펠러에 유입되는 유동의 받음각 감소효과를 최대한 저하시키도록 하였다. 이처럼 선박 선미의 좌, 우현 각각에 스테이터(2)를 사용함으로써 별도 구조물에 의한 추가 비용을 줄일 수 있으며, 불필요한 부가 저항의 증가 문제도 개선할 수 있다. 스테이터(2)는 유체의 유입각을 변경시켜 회전방향의 운동에너지 손실을 감소시켜 추진 효율을 향상시키는 역할(일종의 전류고정날개의 기능)도 한다.

한편, 일반적으로 좌우 대칭형의 덕트는 프로펠러 회전에 따라 발생하는 흐름의 회전특성을 반영하기 어렵다. 이를 개선하기 위해 본 발명은 상기 부채꼴 형상 덕트(1)를 좌우 비대칭형으로 하고, 부채꼴 형상 덕트(1)와 스테이터(2)의 각도 및 길이를 프로펠러의 회전방향에 따라 발생하는 유체의 흐름변화에 따라 적절히 정의된 각도와 길이의 범위에서 적용하도록 하였다. 부채꼴 형상 덕트(1)는 유동의 정류역할 뿐만 아니라, 적절히 정의된 중심 기울기 각도로 선박의 직선운동 불안정성을 보정해 주는 역할을 하여 추가적인 연료 절감효과를 얻을 수 있다. 이하, 이에 대하여 보다 상세하게 설명한다.

도 3에서 볼 때, 부채꼴 형상 덕트(1)의 중심 단면은 상하 방향으로 8~15°의 영각(①)을 가지며, 부채꼴 형상 덕트(1)의 좌우 양끝 단면은 상하 방향으로 0~10°의 영각(②)을 갖는다. 그리고 부채꼴 형상 덕트(1)의 중심 단면 길이(④)는 프로펠러 직경(D)의 0.25~0.40D의 범위를 가지며, 부채꼴 형상 덕트(1)의 좌우 양끝 단면 길이(⑤)는 프로펠러 직경(D)의 0.12~0.30D의 범위를 갖는다. 그리고 도 1에서 볼 때, 부채꼴 형상 덕트(1)는 선체의 중심선을 기준으로 좌현 및 우현 0~90°의 기울임각(⑨)을 가지며, 도 3에서 볼 때, 스테이터(2)는 선체의 중심선을 기준으로 좌현 2~19° 및 우현 1~16°의 영각(⑥)을 갖는데, 이로써 선박의 프로펠러 회전력에 의해 발생하는 직선운동 불안정성을 보정하여 추가적인 연료 절감 효과를 얻을 수 있다.

본 발명에 따르면, 부채꼴 형상 덕트(1)는 프로펠러 회전 시 발생하는 흡입 작용에 의해 프로펠러의 전방 유체를 가속함으로써 덕트 자체에서 발생하는 선박 진행 방향으로의 부가 추력을 발생시키고 선체의 선미형상에 기인하여 발생하는 프로펠러 전방의 불규칙한 유체를 가속 정류하여 추진 효율을 향상시키고 프로펠러 기진력을 감소시킨다. 스테이터(2)는 프로펠러의 전방에서 프로펠러로 향하는 유체의 유입각을 변경하여 회전방향의 운동에너지 손실을 회수하고 추진 효율을 향상시키는 역할을 하며, 부채꼴 형상 덕트(1)와 선미 선체를 연결하는 지지대 역할도 한다.

도 6 및 도 7은 본 발명의 효과를 증명하는 수치해석 결과 및 그래프인데, 보다 구체적으로, 도 6은 프로펠러 작동면에 유입되는 물의 상대적인 유속 분포의 등고선도를 본 발명의 적용 전후에 걸쳐 비교한 것이며, 도 7은 본 발명의 적용 전후의 요구마력을 비교한 것이다. 도 6에 따르면 본 발명의 적용 후 프로펠러의 회전에 따라 발생하는 흐름의 비대칭 회전특성이 제대로 반영되고 있음을 확인할 수 있으며, 도 7에 따르면 본 발명의 적용 후 요구마력이 상대적으로 감소하였음을 확인할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1 : 부채꼴 형상 덕트
2 : 스테이터
3 : 선체
4 : 선미보스
5 : 프로펠러

Claims (10)

1. 선박의 프로펠러 전방에 설치되는 부채꼴 형상 덕트 부가물로서,
   날개 단면을 갖는 부채꼴 형상 덕트 및;
   날개 단면을 가지며, 상기 부채꼴 형상 덕트의 좌우 양끝에 각각 연결되어 상기 부채꼴 형상 덕트를 지지하면서 상기 부채꼴 형상 덕트를 선체에 부착하는 스테이터;
   를 포함하는 선박 선미 유동 개선용 부채꼴 형상 덕트 부가물.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 부채꼴 형상 덕트의 중심 단면은 상하 방향으로 8~15°의 영각을 갖는 것을 특징으로 하는 선박 선미 유동 개선용 부채꼴 형상 덕트 부가물.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 부채꼴 형상 덕트의 좌우 양끝 단면은 상하 방향으로 0~10°의 영각을 갖는 것을 특징으로 하는 선박 선미 유동 개선용 부채꼴 형상 덕트 부가물.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 부채꼴 형상 덕트의 중심 단면 길이는 프로펠러 직경(D)의 0.25~0.40D의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 선박 선미 유동 개선용 부채꼴 형상 덕트 부가물.
5. 제1 항에 있어서,
   상기 부채꼴 형상 덕트의 좌우 양끝 단면 길이는 프로펠러 직경(D)의 0.12~0.30D의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 선박 선미 유동 개선용 부채꼴 형상 덕트 부가물.
6. 제1 항에 있어서,
   상기 스테이터의 단면 길이는 상기 부채꼴 형상 덕트의 좌우 양끝 단면 길이와 동일한 것을 특징으로 하는 선박 선미 유동 개선용 부채꼴 형상 덕트 부가물.
7. 제1 항에 있어서,
   상기 부채꼴 형상 덕트는 선체의 중심선을 기준으로 좌현 및 우현 0~90°의 기울임각을 갖는 것을 특징으로 하는 선박 선미 유동 개선용 부채꼴 형상 덕트 부가물.
8. 제1 항에 있어서,
   상기 스테이터는 선체의 중심선을 기준으로 좌현 2~19° 및 우현 1~16°의 영각을 갖는 것을 특징으로 하는 선박 선미 유동 개선용 부채꼴 형상 덕트 부가물.
9. 제1 항에 있어서,
   상기 부채꼴 형상 덕트의 내부 각도는 110~140°의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 선박 선미 유동 개선용 부채꼴 형상 덕트 부가물.
10. 제1 항에 있어서,
    상기 부채꼴 형상 덕트의 외륜 직경은 프로펠러 직경(D)의 0.8~1.1D의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 선박 선미 유동 개선용 부채꼴 형상 덕트 부가물.

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