KR20210006354A - 풍압저항이 적은 선박 - Google Patents

Abstract

수면상 구조물(2), (20)의 선미측 제 1 범위(Rx1) 또한 상하 제 1 범위(Rz1)에 있는 각 수평단면(Sh)(z)에 전후방향(X)의 선수방향(Lc)에 대해 50도의 제 1 각도(α1)로 연장되는 제 1 경사선(L1)과, 80도의 제 2 각도(α2)로 연장되는 제 2 경사선(L2)과의 사이를 선형영역(Rα)으로서, 이 선형영역(Rα)의 필요한 가상점(P2)(z)을 선체중심선(Lc)에 따라 전후 이동시켰을 때, 수평단면(Sh)(z)의 외형선(Ls)(Z)의 길이의 50% 이상 100% 이하의 길이의 외형선(Ls)(Z)가 선형영역(Rα)에 들어가도록 가상점(P2)(z)의 위치가 있도록 구성한다. 이것에 의해, 비스듬한 역풍의 영향을 저감함과 동시에 선체 또는 상부 구조물과 적재화물로 형성하는 수면상 구성물에 양력을 발생하고, 이 양력의 선체의 전후방향의 성분으로부터 추력을 얻을 수 있고, 선박의 추진 성능을 향상시킬 수 있는 풍압저항이 적은 선박을 제공한다.

Description

풍압저항이 적은 선박

본 발명은 특히 비스듬한 역풍에 대한 풍압저항이 적은 선박에 관하여, 더욱 상세하게는 선교와 거주구 등의 상부 구조물의 선미측의 형상을 연구함으로써 비스듬한 역풍 대한 풍압저항을 줄인 선박에 관한 것이다.

수상을 주행하는 상선의 대부분의 선박에서는 선박의 수면 아래 선체형상의 연구에 의한 저항감소와 선체와 프로펠러와 방향키 등의 관계에 의한 추진성능이 향상되고, 또한 수면 부근에서의 파도에 의한 조파저항과 쇄파저항(碎波抵抗)과 반사파(反射波)의 저항감소에 있어서도 선수형상과 선미형상의 연구에 의해 저항감소가 도모되고 있다.

한편, 수면상의 공기에 의한 저항에 관해서도 공기저항, 즉 풍압저항의 개선 요구에 있어서 다양한 노력이 이루어지고 있다. 특히 건현(乾舷)이 높아 풍압면적이 큰 자동차 운반선(자동차 전용선)과 화물의 적재에 의해 풍압면적이 증가하는 컨테이너선과 상부 구조부가 큰 객선 등은 수면상의 풍압면적이 크기 때문에, 풍압력의 영향을 받기가 쉽고 풍압저항의 감소는 에너지 절약으로 이어지기 때문에 큰 기대가 모아 지고 있다.

이와 관련하여, 예를 들면 일본출원의 특개 2011-57052호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, 상갑판 상에 설치된 상부 구조물의 선미측의 형상 또는 수면상 선체의 선미측 형상의 적어도 하나의 수면상 구조물의 형상을, 이 수면상 구조물의 상하방향의 범위 중 적어도 0% ~ 50%의 범위에 있는, 수면에 평행한 각 단면의 형상에 있어서 최대폭(B)의 선미측 최후부(最後部)를 하변으로 하고, 해당 하변의 길이(B1)를 0.9 × (B)로 하고, 저각(底角)(θ1)을 40도 ~ 80도로 하고, 상변의 길이(B2)를 0.5 × (B)로 하는 등각사다리꼴보다도 외측의 범위에서, 또한 상기 최대폭(B)의 선미측 최후부를 저변으로 하고, 해당 저변의 길이(B3)를 1.2 × (B)로 하고, 저각(θ2)을 40도 ~ 80도로 하는 이등변삼각형보다도 내측의 영역에 들어가도록 형성한 풍압저항이 적은 선박이 제안되고 있다.

이 풍압저항이 적은 선박에는 수면상의 풍압면적이 비교적 크고, 풍압력의 영향을 받기 쉬운 자동차 운반선, 컨테이너선, 객선 등의 풍압력의 영향을 줄일 수 있고, 선박의 운항성능을 향상하는 것을 목적으로 하고 있지만, 주로 정면에서의 역풍에 대한 수면상 구조물의 후방에 있어서, 사수영역(死水領域)에 생기는 정체 와(停滯渦)와 카르만소용돌이와 같은 유출와(流出渦)의 발생을 방지하는 형상을 제안하고 있다.

또한, 한편으로 예를 들면, 일본출원의 특표 2014-501194호 공보에 기재되어있는 바와 같이, 배의 진행방향의 공기력학적(空氣力學的) 양력을 상대 바람에 의해 발생, 선각(船殼)이 돛으로서 기능하는 바와 같이, 수면상의 선곡(船穀)의 형상을 대칭모양의 NASA 익형(翼型)의 공중날개(空中翼)로 하고, 선미측이 되는 후연(後緣)을 컷오프하여 선각의 전후방향에 수직인 단면으로 하고 있는 선각이 제안되어 있다. 이 선각에는 약 13에서 39도인 바람의 섹터에서 배의 이동방향에 작용하는 풍력성분을 얻을 수 있었다는 풍동(風洞)시험의 결과를 공개하고 있다.

이와 같이 선박의 진행방향 정면에서의 역풍뿐만 아니라 선박이 항행(航行)하는 항로와 항해시의 기상조건에 의해 비스듬한 역풍에 대해서도 풍압저항의 감소를 도모하는 것이 중요시하게 되어왔다.

특허문헌1 일본출원의 특개 2011-57052호 공보 특허문헌2 일본출원의 특표 2014-501194호 공보

본 발명의 발명자들은 선박의 항행 중에 있어서는, 선박 자체의 선속(船速)과 자연풍의 풍속이 동일한 정도의 크기가 되는 상대 풍향에서 생각해보면 비스듬한 역풍이 될 확률이 높아진다는 지견을 얻었다. 그리고 비스듬한 역풍에서의 풍동실험의 결과 등에 의해 특히 선미에 있는 형상이 풍압저항에 큰 영향을 주는 것과 배의 수면상 구조물 외형의 형상을 연구하는 것에서 특히 돛을 마련하지 않고 비스듬한 역풍일 때에 추력을 얻을 수 있다는 지견도 얻었다.

본 발명은 상기의 상황을 감안하여 이루어진 것으로 그 목적은 수면상의 풍압면적이 비교적 크고 풍압력의 영향을 받기 쉬운 자동차 운반선, 객선, 컨테이너 선, 목재운반선 등에 있어서, 비스듬한 역풍의 영향을 줄이는 것과 동시에 선체 또는 상부 구조물과 컨테이너 등의 적재화물로 형성하는 수면상 구성물에 양력을 발생시키고, 이 양력의 선체 전후방향의 성분으로 추력을 얻을 수 있기에 선박의 추진성능을 향상시킬 수 있는 풍압저항이 적은 선박을 제공하는데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 풍압저항이 적은 선박은, 항해의 속력이 프라우드수로 0.13 ~ 0.30인 선박에서 수면상의 선체, 또는 상갑판 위에 설치된 상부 구조물의 적어도 하나의 수면상 구조물에 있어서, 상기 수면상 구조물의 최대폭의 선미측 최후부(最後部)에 있는 선체중심선 상의 점을 제 1 위치로 하고, 이 제 1 위치와 선체의 최후미(最後尾)와의 사이를 선미측 제 1 범위로 하고, 상기 수면상 구조물의 상하방향의 임의의 연속부분에서의 50% 이상 100% 이하의 범위를 상하 제 1 범위로 하고, 상기 수면상 구조물의 상기 선미측 제 1 범위 또한 상기 상하 제 1 범위에 있는 수면에 평행한 각 수평단면에서 선체중심선 상의 가상점(假想点)으로부터 선체 전후방향의 선수(船首)방향에 대해 제 1 각도로 연장되는 선을 제 1 경사선으로 하고, 상기 가상점으로부터 선체의 전후방향의 선수방향에 대해 제 2 각도로 연장되는 선을 제 2 경사선으로 하고, 상기 제 1 각도를 50도(θ = 40도에 해당)로 하고, 상기 제 2 각도를 80도(θ = 10 번에 해당)로 하고, 상기 제 1 경사선과 상기 제 2 경사선과의 사이를 선형(扇形)영역으로 하고, 상기 가상점을 선체중심선상으로 이동시켜, 선형영역을 선체의 전후방향으로 이동시킬 때에 상기 수평단면의 외형선(外形線) 길이의 50% 이상 100% 이하 길이의 외형선이 상기 선형영역에 들어가도록 상기 가상점의 위치가 있는 것을 특징으로 한다.

또한 프라우드수(Fn)는 항해속력을 V(m / s), 수선간 길이를 Lpp(m), 중력가속도를 g(m / s2)로 했을 때, Fn = V /(Lpp × g)^1/2가 된다. 여기서, 본 발명의 대상으로 하는 프라우드수(Fn)를 0.13 ~ 0.30으로 하는 이유는 프라우드수(Fn)가 0.30보다 큰 경우가 대부분의 고속함정에는 레이더 반사를 적게 하기 위한 스텔스기술에 대해서 선체 전체를 덮개로 커버 하기 때문에 이러한 스텔스용의 커버와 구별하기 위해서이다.

이 구성에 의하면, 수면상의 선체, 또는 상갑판 위에 설치된 상부 구조물의 적어도 하나의 수면상 구조물의 선미형상을 편현측(片舷側)의 각도(α)가 40도 (degree) ~ 80도의 비교적 크게 열리는 V 자 형상으로 하고, 선미의 흐름을 날개후단(後端)의 흐름에 유사하게 하면, 비스듬한 역풍일 때 양력을 발생할 수 있는 형상으로 하는 것이 가능하다.

이 형상에 따르면, 비스듬한 역풍 때 선미에 있는 바람이 잘 빠지고, 수면상 구조물의 후방으로의 흐름이 원활하게 되는 것과 동시에 이 수면상 구조물의 부분이 날개의 기능을 발휘하여 양력을 발생시킬 수 있으며, 이 양력의 선체 전후방향의 성분에 의해 선박의 추력을 얻을 수 있다. 또한, 이 양력 및 추력의 발생은 풍동실험의 결과에서 확인되고 있다.

또한, 수면상 구조물의 둔각(鈍角)적인 선미측 형상에 의해 길이가 같은 선박이라면 용적이 증가하고 그만큼 적재량이 많아지는 메리트도 있다.

상기의 풍압저항이 적은 선박에 있어서, 상기 상하 제 1 범위(Rz1)의 상기 각 수평단면의 형상에 있어서, 상기 선미측 제 1 범위의 측벽부(側壁部)를 요철의 폭이 상기 수면상 구조물의 최대폭의 5% 이하가 되고, 매끄러운 곡선모양의 부분, 또는, 요철의 폭이 상기 수면상 구조물의 최대폭의 5% 이하가 되는 직선부분 또는 양자(兩者)의 조합으로 형성되고 있는 것으로 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

이 구성에 따르면, 이 요철이 적은 매끄러운 곡선모양 또는 직선모양으로 형성되는 것에 의해 이 곡선모양의 부분 또는 직선모양의 부분에서 흐름에 박리가 생겨 큰 소용돌이가 발생하는 것을 억제할 수 있다.

상기의 풍압저항이 적은 선박에 있어서, 상기 수면상 구조물의 선미측을 형성하는 측벽부를 상기 선미측 제 1 범위 또는 상기 상하 제 1 범위에 있어서, 수평면에 대해 30도 이상 90도 이하의 경사각을 갖도록 형성하고 있는 것으로 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

이 구성에 따르면, 이 선미측의 측벽부를 수평면에 대해 30도 이상 90도 이하로 경사지게 하는 것에 의해 수면상 구조물의 선미측을 형성하는 선미측 상면(上面)과 선측 측벽부와의 각부(角部)에서 발생하는 와류(渦流)를 억제할 수 있다. 또한, 재차 이 선미측 상면과 선측 측벽부와의 각부에 모서리 제거 또는 둥글게 하는 것에 의해 보다 효과적으로 와류을 억제할 수 있게 된다.

상기의 풍압저항이 적은 선박에 있어서, 상기 상부 구조물을 수면상 구조물로 한 경우에 있어서, 상기 선미측 제 1 범위 또는 상기 상하 제 1 범위에서의 각 수평단면에서 상기 상부 구조물의 측벽부의 50% 이상을 직선으로 형성하고, 이 직선의 선체중심선에 대한 제 1 각도의 상하방향에 대해서의 상하 제 1 범위에 있는 평균값을 제 1 평균각도(αm)라 하고, 상기 상부 구조물 아래의 상기 선체의 측벽부에 있는 상기 상부 구조물의 전면(前面)보다도 선미측의 20% 이상을 직선으로 형성하고, 이 선체중심선에 대한 제 3 각도의 상하방향에 관해서의 선체의 건현(乾舷)범위에 있는 평균값을 제 3 평균각도(θm)로 하고, 각도(γ1)를 5도로 했을 때는 상기 제 1 평균각도(αm)와 상기 제 3 평균각도(θm)의 관계를 (αm-γ1)≤θm≤(αm + γ1)의 관계로 하면 다음과 같은 효과를 발휘할 수 있다.

이 구성에 따르면, 이 선미 측의 상부 구조물과 선체의 건현과의 사이에 상하방향으로 흐름이 적어지고, 평면적인 흐름의 유지에 의해 상부 구조물과 선체의 각각에 의한 날개형상의 후단효과 발휘를 유지할 수 있고 비스듬한 향풍(向風)에 있는 선박 전체의 풍압저항 증가를 억제하면서 양력 발생에 기인하는 추진성능의 향상을 도모할 수 있다.

상기의 풍압저항이 적은 선박에 있어서, 상기 선체를 수면상 구조물로 하는 경우에 있어서 상기 선미측 제 1 범위 또는 상기 상하 제 1 범위에서 상기 수면상 구조물 선미측의 30% 이상을 직선으로 형성하고, 이 선체중심선에 대한 제 3 각도의 상하방향에 관해서의 선체 건현범위에 있는 평균값을 제 3 평균각도(θm)라 하고, 각도(γ2)를 20도로 하고, (θ1)을 50도로 했을 때, 상기 제 3 평균각도(θm)를 (θ1-γ2)≤(θm)≤(θ1 + γ2)의 관계로 한다.

이 구성에 의하면, 컨테이너선 등의 상부 구조물을 선체 전후방향에 있어서 전방 또는 중간에 배치하고 있는 것과 같은 선박에 있어서도 선체의 선미형상에 날개형상의 후단효과를 발휘하여 비스듬한 향풍에 있는 선박 전체의 풍압저항 증가를 억제하면서 양력 발생에 기인하는 추진성능의 향상을 도모할 수 있다.

또한, 컨테이너 등의 적재화물의 상갑판 상으로의 배치방법에 따라 적재시의 화물 전체로서의 형상을 선체의 선미형상에 맞추거나, 유사한 형태로 해보면 선체 선미측의 날개형상의 후단효과에 더해 상갑판 상의 적재시 화물 전체로서의 형상에 있어서도 날개형상의 후단효과를 발휘할 수 있게 된다.

본 발명의 풍압저항이 적은 선박에 의하면, 수면상의 풍압면적이 비교적 크고 풍압력에 영향을 받기 쉬운 자동차 운반선, 객선, 컨테이너선, 목재운반선 등에 있어서 비스듬한 역풍의 영향을 줄이는 것과 동시에 선체 또는 상부 구조물과 컨테이너 등의 적재화물로 형성하는 수면상 구성물에 양력을 발생시키고, 이 양력의 선체 전후방향의 성분으로 추력을 얻을 수 있고, 선박의 추진성능을 향상시킬 수 있는 추력을 얻을 수 있어 선박의 추진성능을 향상시킬 수 있다. 그 결과 연비가 향상되고, 에너지 절약을 도모할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 있는 선박을 비스듬한 좌현 상방의 후방에서 본 도이다.
도 2는 도 1의 선박에 있는 수면상 구조물로서의 선체의 후방측의 측면도이다.
도 3은 도 1의 선박에 있는 수면상 구조물로서의 선체의 수평단면의 선미측 형상을 나타낸 평면도이다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시형태에 있는 선박의 우측면도이다.
도 5는 도 4의 선박에 있는 수면상 구조물로서의 상부 구조물을 비스듬한 상방의 전방(前方)에서 본 도이다.
도 6은 도 4의 선박의 선미부분의 우측면도이다.
도 7은 도 4의 선박의 선미부분의 수평단면도이다.
도 8은 도 4의 선박 상부 구조물의 후측의 측벽부와 선체의 측벽부와의 평면에 있는 각도의 관계를 나타내는 모식적인 평면도이다.
도 9는 본 발명의 제 3 실시형태에 있는 선박의 우측면도이다.
도 10은 도 9의 선박에 있는 선체의 측벽부의 평면시(平面視)의 각도의 관계를 나타내는 모식적인 평면도이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 풍압저항이 적은 선박의 실시형태에 대해 설명한다. 여기에서 제 1 실시형태에서는 자동차 운반선(자동차 전용선)을 예로 들어 설명하고 제 2의 실시형태에서는 상갑판보다 위에 마련된 거주구 겸 선교(船橋)의 상부 구조물을 가지는 화물배를 예로 들어 설명하고 있다. 그러나 본 발명은 자동차 운반선과 화물선뿐만 아니라 객선 등의 다른 선박에도 적용할 수 있다. 또한 스텔스 기술을 위해 선체를 덮개로 커버하고 있는 함정(艦艇)을 제거하기 위해 선박의 항해속력(V)에 관계하는 프라우드수(Fn)가 0.13 ~ 0.30인 선박으로 하고 있다. 또한 선수수선(F. P.)과 선미수선(A. P.) 사이의 거리를 수선간 길이(Lpp)라고 한다.

먼저, 제 1 실시형태의 풍압저항이 적은 선박(이하 선박이라 한다)에 대해 설명한다. 도 1 ~ 도 3에 나타낸 바와 같이, 이 제 1 실시형태의 선박(1)은 자동차 운반선을 예로 한 것이며, 선체(2)의 선수에서 선미에 걸쳐 자동차를 고정하여 이송하기 위해 계층구조인 복수의 갑판을 가지고 최상부의 갑판에 있는 상갑판(3)에는 마스트(4)와 굴뚝(5)을 설치하지만 선교와 거주구 등의 선루(船樓)를 설치하지는 않는다. 이 선박(1)에는 선교도 거주구도 상갑판(3)보다 아래에 설치하여 상갑판(3)보다 위에는 되도록 돌출하는 것을 설치하지 않고 풍압저항을 감소시킨다. 예를 들어, 선교는 상갑판(3)보다 아래에 전망이 좋은 선수부에 설치하고 거주구는 엔진에 있는 기관실에 가까운 선미측에 설치한다.

또한, 수면보다 아래에는 선수측에 선수밸브(2a)가, 선미측에 프로펠러(6)와 키(7)가 설치되어 있다. 이 도 1의 선박(1)에서는 1축(軸) 1키로 되어있지만 이에 한정하지 않고 2축 2키의 다축선(多軸船) 등 이어도 좋다.

이 구성에서 선수부에는 선수측 연상단(緣上端)으로부터 상갑판(3)을 향해 위로 향하는 경사면(3a)을 형성한다. 이 경사면(3a)은 수평면에 대한 위로 향하는 각도가 20도(degree) ~ 60도로, 바람직하게는 38도가 되도록 형성된다. 이렇게 하면 바람의 흐름이 선수 전연상단(前緣上端)에서 상갑판(3)으로 향해 흐를 때, 상갑판(3) 부분에 있는 박리와 소용돌이(渦)의 발생을 억제하여 풍압저항을 감소시킨다.

선체(2)의 상갑판(3)과 현측부(8)가 이루는 각부에 선수로부터 선미의 거의 전체길이에 걸쳐 절결단부(切欠段部)(9)를 설치한다. 이 절결단부(9)는 도 1에 나타나 있는 것과 같이, 선체 중앙에 있는 상갑판으로부터 선저(킬 라인)까지의 깊이(D)로부터 밸러스트 흘수(db)를 뺀 밸러스트 상태에 있는 건현(fb)의 5 ~ 20% 깊이(ds)와 폭(bs)을 가지고 형성된다. 예를 들어, 적화가 되는 자동차 1대 ~ 2대분의 폭에서 방형(方形)모양으로 잘라 형성된다.

이 절결단부(9)에 의해 비스듬한 방향의 바람에 대해 상갑판(3)과 현측부(8)를 묶는 각부에서의 박리 및 소용돌이의 발생이 억제되고 풍압에 의한 저항, 횡력, 요모멘트가 감소된다. 또한, 이 절결단부(9)는 선수에서 선미의 거의 전체길이에 걸쳐 설치하면 효과가 크지만 선수에서 거의 선체중앙부까지의 범위에 걸쳐 설치해도 좋다.

또한 도 1의 구성에서는 선체(2)의 현측부(8) 수면상의 부분(수면상 구조물)의 선미에 자동차의 하역을 행하기 위한 램프웨이의용의 개구부(開口部)와 문(扉)(10)을 마련하고 있다. 또한 선체(2)의 중앙부 부근의 현측부(8)에도 자동차의 하역을 행하기 위한 램프웨이용의 개구부와 문을 설치해도 좋다.

도 1 ~ 도 3에 나타낸 바와 같이, 이 수면상의 선체에 있는 수면상 구조물(2)에 있어서 선체(2) 최대폭(Bmax)의 선미측 최후부에 있는 선체중심선(Lc) 상의 점(点)을 제 1 위치(P1)로 하고, 이 제 1 위치(P1)와 선체(2)의 최후미(Pa)와의 사이를 선미측 제 1 범위(Rx1)로 한다. 또한 수면상 구조물(2)의 상하방향의 임의의 연속부분에서의 50% 이상 100% 이하, 바람직하게는 40% 이상 100% 이하의 범위를 상하 제 1 범위(Rz1)로 한다. 이 수면상 구조물(2)의 선미측 제 1 범위(Rx1)에서, 또는 상하 제 1 범위(Rz1)를 선미 특정범위(Sa1)(도 1 및 도 2의 크로스 해칭 부분)로 한다. 또한 이 상하방향의 전체범위로는 수면위치를 하단으로 하고 마스트(4)와 굴뚝(5) 등을 제외한 선체(2)의 최상부까지로 하고 상부 구조물(도시하지 않음)을 가지는 경우는 그 최상부까지로 한다.

그리고 이 선미 특정범위(Sa1)에 있는 수면에 평행한 각 수평단면(Sh)(z)에서의 선체중심선(Lc) 상의 가상점(P2)(z)에서 선체(2) 전후방향(X)의 선수방향(플러스 X방향)에 대하여 제 1 각도(α1)에서 연장되는 선을 제 1 경사선(L1)으로 하고, 가상점(P2)(z)에서 선체(2) 전후방향(X)의 선수방향(플러스 X방향)에 대하여 제 2 각도(α2)로 연장되는 선을 제 2 경사선(L2)한다. 또한, 여기에서 제 1 각도(α1)를 50도(degree), 바람직하게는 55도로 하고 제 2 각도(α2)를 80도, 바람직하게는 65도로 한다. 또한 제 1 경사선(L1)과 제 2 경사선(L2)과의 사이를 선형(扇形)영역(Rα)(z)으로 한다.

상기의 조건에서 가상점(P2)(z)을 선체중심선(Lc) 상으로 이동시켜 선형영역(Rα)(z)을 선체의 전후방향(X)에 이동시켰을 때, 수평단면(Sh)(z)의 외형선(外形線)(Ls)(z) 길이의 50% 이상 100% 이하의 길이로 하고, 바람직하게는 60% 이상 100% 이하 길이의 외형선(Ls)(z)이 선형영역(Rα)(z)에 들어갈 것 같은 가상점(P2)(z)의 위치가 있도록 구성한다. 즉 선체중심선(Lc) 상의 적당한 위치에 가상점(P2)(z)을 설치한 경우에 가상점(P2)(z)을 정점으로 하는 선형영역(Rα)(z)의 내부에 수평단면(Sh)(z)의 외형선(Ls)(z) 길이의 50% 이상 100% 이하의 길이로 하고, 바람직하게는 60% 이상 100% 이하 길이의 외형선(Ls)(z)이 들어가는 구성으로 한다.

이 구성에 의하면 수면상 선체(2)의 수면상 구조물의 선미형상을 편현측의 각도(α)가 40도(degree) ~ 80도, 바람직하게는 55도 ~ 65도의 비교적 크게 열린 V자 형상으로 할 수 있다. 이 선미형상으로 하게 되면, 선미의 흐름이 날개후단 흐름에 유사하게 흐르게 되어 비스듬한 역풍일 때 날개와 동시에 양력을 발생시킬 수 있다.

즉, 이 선미형상을 가진 선박(2)에 따라 비스듬한 역풍일 때 선미에 있는 바람이 잘 빠지고, 수면상 구조물(2) 후방으로의 흐름이 원활해지는 것과 동시에 이 수면상 구조물(2)의 부분이 날개의 기능을 발휘하여 양력을 발생시킬 수 있다. 이 양력의 선체(2) 전후방향(X)의 성분에 의해 선박(1)의 추력을 얻을 수 있다. 또한 이 양력 및 추력의 발생은 풍동실험의 결과에서 확인되고 있다.

이 자동차 운반선, 객선 등과 같이 폭로갑판(暴露甲板) 상에 기립하는 상부 구조물이 거의 없거나 매우 작고, 수면상의 부분이 수면에서 선체(2)가 그대로 위로 연장되는 듯한 형상을 한 선박에서는 이 선수에서 선미까지의 선체(2)가 날개형상에 유사한 형상으로 되기 때문에 선미형상을 날개후단과 거의 같은 기능을 가지게 하는 것과 같은 형상으로 하여 비스듬한 향풍에 있어서 발생하는 양력을 크게 할 수 있으며 이 양력에서 추력을 얻을 수 있다.

또한, 이 구성에 의하면 비스듬한 향풍에 대하여 선체(2)의 선미측에 있는 바람이 잘 빠지기 때문에 선체(2)의 선미부분에 있는 와류의 발생을 적게 하여 이 부분에서의 바람에 의한 선체 횡방향(Y)의 풍력을 줄일 수 있고, 선체(2)에 작용하는 바람에 의한 선회 모멘트를 감소시킬 수 있다. 따라서 선회 모멘트를 상쇄하기 위한 해당 키의 각도를 작게 할 수 있으며 이런 점에서도 추진효율을 향상시킬 수 있으며 또한 기동성도 향상시킬 수 있다.

또한 선체(2)의 둔각인 선미측 형상에 의해 길이가 동일한 선박인 경우에 용적이 증가하고 그만큼 적재량이 많아지는 메리트도 있다.

또한 수면상 구조물(2)의 선미측을 형성하는 선미 특정범위(Sa1)의 측벽부 (현측부)(8)를 상하 제 1 범위(Rz1)의 각 수평단면(Sh)(z)의 형상에 있어서 요철의 폭이 선체(2) 최대폭(Bmax)의 5% 이하가 되고 매끄러운 곡선모양의 부분, 또는 요철의 폭이 선체(2) 최대폭(Bmax)의 5% 이하가 되는 직선부분, 또는 양자의 조합으로 형성되는 것이 바람직하다. 이 구성으로 하는 것에 의해 이 곡선모양의 부분 또는 직선모양의 부분에서 흐름에 박리가 생겨 큰 소용돌이가 발생하는 것을 억제할 수 있다.

또한 수면상 구조물(2)의 선미측을 형성하는 측벽부(8)를 선미측 제 1 범위 (Rx1) 또는 상하 제 1 범위(Rz1)에 있어서 수평면에 대해 30도 이상 90도 이하의 경사각(β)을 갖도록 형성하고 있는 것으로 수면상 구조물(2)의 선미측을 형성하는 선미측 상면의 상갑판(3)과 측벽부(8)와의 각부에 생기는 와류를 억제할 수 있다. 또한 이 측벽부(8)는 수면상의 전체 또는 상측의 일부분이 외측으로 볼록하게 되는 곡면모양으로 형성되면 수면상 구조물(2)의 상측(갑판과 선교의 윗면 등)을 흘러온 공기흐름이 이 측벽부(8)의 곡면을 따라 하강할 수 있고 와류 등의 발생에 의한 저항증가를 억제할 수 있도록 되도 좋다. 이 경우에는 곡면 상의 각 지점에 있는 접촉면이 수평면과 이루는 각도를 경사각(β)이라고 한다.

이 경사각(β)을 30도보다 작게 하면 선미측 부분의 하부가 크게 선미방향으로 연장되고, 90도보다 크면 실용적이지 않게 된다. 또한, 재차 이 상갑판(3)과 측벽부(8)와의 각부에 모서리 제거 또는 둥글게 하는 것에 의해 보다 효과적으로 와류를 억제할 수 있게 된다.

다음으로, 제 2 실시형태의 풍압저항이 적은 선박(이하 선박이라 한다)에 대해 설명한다. 도 4 ~ 도 8에 나타낸 바와 같이 이 제 2 실시형태의 선박(1A)은 화물선(여기에서는 바루카)을 예로 한 것이며 선미부의 상갑판(3) 위에 함교(21)와 거주구(22)를 갖춘 상부 구조물(20)이 배치되어 있는 선미선교선(船尾船橋船)이다. 이 화물선으로는 바루카, 탱크, 일반화물선 등의 거주구가 선미에 있는 선박이 예로서 있다. 이 상부 구조물(20)의 상면에는 마스트(4)와 굴뚝(5)이 설치되고 또 선교(21)의 양 현측에 항해선교갑판의 일부에 선측으로 튀어나와 있는 부분에 있는 네비게이션 윙(다저)(21a)도 설치되어 있다.

도 4 ~ 도 8에 나타낸 바와 같이 상갑판(3) 위에 설치한 상부 구조물(20)에 있는 수면상 구조물(20)에 있어서 상부 구조물(20) 최대폭(Bmax)의 선미측 최후부에 있는 선체중심선(Lc) 상의 점을 제 1 위치(P1)로 하고, 이 제 1 위치(P1)와 선체(2)의 최후미(Pa)와의 사이를 선미측 제 1 범위(Rx1)로 한다. 또한 수면상 구조물(20) 상하방향의 50% 이상 100% 이하, 바람직하게는 40% 이상 100% 이하의 범위를 상하 제 1 범위(Rz1)로 한다. 이 상하방향의 전체범위로는 상부 구조물(20)의 하단, 즉 상갑판(3)의 윗면에서 마스트(4)와 굴뚝(5) 등을 제외한 상부 구조물(20)의 최상부까지로 한다.

그리고 수면상 구조물(20)의 선미측 제 1 범위(Rx1)에, 또한 상하 제 1 범위(Rz1)를 선미 특정범위(Sa1)(도 4 ~ 도 6의 크로스해칭 부분)로 한다. 이 선미 특정범위(Sa1)에 있는 수면에 평행한 각 수평단면(Sh)(z)에, 선체중심선(Lc) 상의 가상점(P2)(z)으로부터 선체(2) 전후방향(X)의 선수방향(플러스 X방향)에 대하여 제 1 각도(α1)로 연장되는 선을 제 1 경사선(L1)이라 하고, 가상점(P2)(z)로부터 선체(2) 전후방향(X)의 선수방향(플러스 X방향)에 대하여 제 2 각도(α2)로 연장되는 선을 제 2 경사선(L2)이라 한다. 또한, 여기에서 제 1 각도(α1)를 50도(degree)로, 바람직하게는 55도로 하고, 제 2 각도(α2)를 80도로, 바람직하게는 65도로 한다. 또한 제 1 경사선(L1)과 제 2 경사선(L2)과의 사이를 선형영역(Rα)(z)으로 한다.

상기의 조건에서 가상점(P2)(z)을 선체중심선(Lc) 상에 이동시켜 선형영역(Rα)(z)을 선체(2)의 전후방향(X)으로 이동시켰을 때 수평단면(Sh)(z)의 외형선(Ls)(z) 길이의 50% 이상 100% 이하의 길이로, 바람직하게는 60% 이상 100% 이하 길이의 외형선(Ls)(z)이 선형영역(Rα)(z)에 들어가도록 가상점(P2)(z)의 위치가 있도록 구성한다. 즉 선체중심선(Lc) 상의 적당한 위치에 가상점(P2)(z)을 설치한 경우 가상점(P2)(z)을 정점으로 하는 선형영역(Rα)(z)의 내부에 수평단면(Sh)(z)의 외형선(Ls)(z) 길이의 50% 이상 100% 이하의 길이로, 바람직하게는 60% 이상 100% 이하 길이의 외형선(Ls)(z)이 들어가는 구성으로 한다.

이 구성에 의하면 상부 구조물(20)인 수면상 구조물(20)의 선미형상을 편현측의 각도(α)가 40도(degree) ~ 80도로, 바람직하게는 55도 ~ 65도의 비교적 크게 열린 V자 형상으로 할 수 있다. 이 선미 형상으로 하면 선미의 흐름이 날개후단 흐름에 유사한 흐름으로 되고, 비스듬한 역풍일 때 날개와 동시에 양력을 발생시킬 수 있다.

즉 이 선미형상을 가지는 상부 구조물(20)에 의해, 비스듬한 역풍일 때 선미에 있는 바람이 잘 빠지게 되고 수면상 구조물(20) 후방으로의 흐름이 원활해지는 것과 동시에 이 수면상 구조물(20)의 부분이 날개의 기능을 발휘하여 양력을 발생시킬 수 있다. 이 양력의 선체(2) 전후방향(X)의 성분에 의해 선박(1)의 추력을 얻을 수 있다. 또한 이 양력 및 추력의 발생은 풍동실험의 결과에서 확인되고 있다.

이 제 2 실시형태의 선박(1A)처럼 선미부분에 상부 구조물(20)을 갖는 선박에서는, 상갑판(3) 상에 컨테이너 선박에는 컨테이너(적재화물)(30)을, 목재운반선에는 목재 등의 적재를 위해 상갑판(3) 상의 형상이 전체적으로는 가늘고 긴 형상이 된다. 이러한 선박에는 이 선수에서 선미까지의 상부 구조물(20)과 적재화물(30)과에 의해 날개모양에 유사한 형상이 되므로 상부 구조물(20)의 선미측 형상을 날개의 후단과 거의 동일한 기능을 가지는 것과 같은 형상으로 하여 비스듬한 향풍에 있어서 발생하는 양력을 크게 할 수 있으며, 이 양력으로부터 추력을 얻을 수 있다.

또한 이 구성에 의하면, 비스듬한 향풍에 대하여 상부 구조물(20)의 선미측에 있는 바람이 잘 빠지기 때문에 이 선미측 부분에 있는 와류의 발생을 적게 하여 이 부분에서의 바람에 의한 선체 횡방향(Y)의 풍력을 줄일 수 있으며, 상부 구조물(20)에 작용하는 바람에 의한 회전 모멘트를 감소시킬 수 있다. 따라서 선회 모멘트를 상쇄하기 위한 해당 키의 각도를 작게 할 수 있으며, 이 점에서도 추진효율을 향상시킬 수 있으며 또한 기동성도 향상시킬 수 있다. 이 선회 모멘트에 관한 효과는 상부 구조물(20) 전방의 상갑판(3) 상에 적재화물(30)을 적재하지 않은 상태에서도 발휘하여 추진효율과 기동성을 향상시킬 수 있다.

또한 상부 구조물(20)의 둔각인 선미측 형상에 의해 전체길이가 동일한 선박 인 경우, 용적이 증가하여 그만큼 적재량이 많아진다는 메리트도 있다.

또한 수면상 구조물(20)의 선미측을 형성하는 선미측 제 1 범위(Rx1)의 측벽부(상부 구조물(10)의 벽면)(28)를 상하 제 1 범위(Rz1)의 각 수평단면(Sh)(z)의 형상에 있어서, 요철의 폭이 상부 구조물(20) 최대폭(Bmax)의 5% 이하가 되는 매끄러운 곡선모양의 일부, 또는 요철의 폭이 상부 구조물(20) 최대폭(Bmax)의 5% 이하가 되는 직선부분, 또는 양자의 조합으로 형성되는 것이 바람직하다. 이렇게 구성하는 것에 의해, 이 곡선모양의 부분 또는 직선모양의 부분에서 흐름에 박리가 생겨 큰 소용돌이가 발생하는 것을 억제할 수 있다.

또한 수면상 구조물(20)의 선미측을 형성하는 측벽부(28)를, 선미측 제 1 범위(Rx1) 또한 상하 제 1 범위(Rz1)에 있어서 수평면에 대해 30도 이상 90도 이하의 경사각(β)을 갖도록 형성하고 있는 것으로 수면상 구조물(20)의 선미측을 형성하는 선미측 상면(27)과 측벽부(28)의 각부에 발생하는 와류를 억제할 수 있다. 또한 이 측벽부(28)는 수면상의 전체, 또는 상측의 일부분이 외측으로 볼록하게 되는 곡면모양으로 형성되는 것이 바람직하며, 이 경우에는 곡면 상의 각 점에 있는 연결면이 수평면으로 되는 각도를 경사각(β)이라고 한다.

이 경사각(β)을 30도보다 작게 하면 선미측 부분의 하부가 크게 선미방향으로 연장이 되고, 90도보다 크게 설정하면 실용적이지 않게 된다. 또한, 재차 이 선미측 상면(27)과 측벽부(28)와의 각부에 모서리 제거 또는 둥글게 하는 것에 의해 보다 효과적으로 와류를 억제할 수 있게 된다.

또한 이 상부 구조물(20)을 수면상 구조물(20)로 하는 화물선(1A)에서는 선미측 제 1 범위(Rx1) 또는 상하 제 1 범위(Rz1)에 추가로 다음과 같이 구성하는 것이 바람직하다.

즉, 도 8에 나타낸 바와 같이 각 수평단면에서 상부 구조물(20) 측벽부(28)의 50% 이상을 직선(L3)(z)으로 형성하여 이 직선(L3)(z)의 선체중심선(Lc)에 대한 제 1 각도(α)(z)의 상하방향(Z)에 관해서의 상하 제 1 범위(Rz1)에 있는 평균값을 제 1 평균각도(αm)라고 한다. 또한 상부 구조물(20)의 아래 선체(2)의 측벽부(건현)(8)에 있는 상부 구조물(20)의 전면보다도 선미측의 20% 이상, 바람직하게는 30% 이상, 보다 더 바람직하게는 40% 이상을 직선(L4)(z)에 형성한다.

그러면서 이 직선(L4)(z)의 선체중심선(Lc)에 대한 제 3 각도(θ)(z)의 상하방향(Z)에 관해서의 선체(2)의 건현(8) 범위에 있는 평균값을 제 3 평균각(θm)으로 하고 각도(γ2)를 5도로 한다. 이 때, 제 1 평균 각도(αm)와 제 3 평균각도(θm)의 관계를 (αm - γ2)≤θm≤(αm + γ2)의 관계로 한다.

그러면 이 선미측의 상부구조물(20)과 선체(2)의 건현(8)과의 사이에서 평면시에 있는 제 1 평균각도(αm)와 제 3 평균각도(θm)와의 사이에 큰 차이가 없어지기 때문에 상부 구조물(20)과 선체(2)와의 상하방향의 흐름에 의해 흐트러질 가능성이 적어지고, 평면적인 흐름이 유지되기 쉽기 때문에 상부구조물(20)과 선체(2)의 각각에 의한 날개모양의 후단효과를 발휘할 수 있고 비스듬한 향풍에 있는 선박(1A) 전체의 풍압저항의 증가를 억제하면서 양력 발생에 기인하는 추진성능의 향상을 도모할 수 있다.

와류를 억제할 수 있게 된다.

다음으로, 제 3 실시형태의 풍압저항이 적은 선박(이하 선박이라 한다)에 대해 설명한다. 도 9 및 도 10에 나타낸 바와 같이 이 제 3 실시형태의 선박(1B)은 제 1 실시형태의 선박(1)에 있어서 다시 한번 선미형상을 한정한 것이다. 또한 도 9는 컨테이너선의 예이다.

이 선박(1B)은 컨테이너선 등에서 상갑판(3)의 위에 함교(艦橋)(21)와 거주구(22)를 구비한 상부 구조물(20)을 가지지만 이 상부 구조물(20)이 선체 전후방향(X)에 대해 선미측이 아닌 선수측 및 중간위치에 배치되어 있는 선박이 주로 대상이 된다.

이 선체(2)를 수면상 구조물(2)로 하는 선박(1B)에 있어서 제 1 실시형태의 선박(1)과 마찬가지로 선미측 제 1 범위(Rx1)와 상하 제 1 범위(Rz1)를 마련하고 이 선미측 제 1 범위(Rx1)에, 또한 상하 제 1 범위(Rz1)를 선미 특정범위(Sa1)로 하고 이 부분에서의 선미형상을 다음과 같이 형성한다.

즉, 선체(수면상 구조물)(2) 선미측의 30% 이상을 직선(L4)(z)으로 형성하고, 이 직선(L4)(z)의 선체중심선(Lc)에 대한 제 3 각도(θ)(z)의 상하방향(Z)에 관해서의 평균치를 제 3 평균각도(θm)라고 하고 각도(γ2)를 20도, 바람직하게는 10도, 더욱 바람직하게는 5도로 하고, (θ1)을 50도로 했을 때, 제 3 평균각도(θm)를 (θ1 -γ2)≤θm≤(θ1 + γ2)의 관계로 한다.

이 구성에 의하면 컨테이너선 등의 상부 구조물(20)을 선체 전후방향(Z)에 있어서 전방 또는 중간에 배치하는 것처럼 선박(1B)에 있어서도, 선체(2)의 선미 형상으로 날개모양의 후단효과를 발휘하기가 쉽기 때문에 비스듬한 향풍에 있는 선박 전체 풍압저항의 증가를 억제하면서 양력 발생에 기인하는 추진성능의 향상을 도모할 수 있다.

또한, 컨테이너 등의 적재화물(30)의 상갑판(3) 상으로의 배치방법에 따라 적재시 화물의 전체로서의 형상을 선체(2)의 선미형상에 맞추거나 유사한 형태로 하는 것으로, 선체(2) 선미측의 날개모양의 후단효과에 더해 상갑판(3) 상의 적재시 적재화물(30)의 전체로서의 형상에 있어서도 날개모양의 후단효과를 발휘시킬 수 있게 된다.

상기 구성의 선박(1), (1A), (1B)에 따르면 수면상의 풍압면적이 비교적 크고 풍압력에 영향을 받기 쉬운 자동차 운반선, 객선, 컨테이너선, 목재운반선 등에 있어서, 비스듬한 역풍의 영향을 저감시키는 것과 동시에 선체(2) 또는 상부 구조물(20)과 컨테이너 등의 적재화물(30)로 형성되는 수면상 구성물(2), (20)에 양력이 발생 되고, 이 양력의 선체(2) 전후방향(X)의 성분으로 추력을 얻을 수 있으며 선박(1), (1A), (1B)의 추진성능을 향상시킬 수 있다. 그 결과 연비가 향상하고 에너지 절약을 도모할 수 있다.

1, 1A, 1B 선박
2 선체(수상 구조물)
3 상갑판
8 현측부
20 상부 구조물
21 함교(艦橋)
22 거주구
30 적재화물(컨테이너)
A. P. 선미 수선(船尾垂線)
Bmax 최대폭
F. P. 선수수선(船首垂線)
L1 제 1 경사선
L2 제 2 경사선
Lc 선체중심선
Lpp 수선간 길이
Ls (z) 수평단면의 외형선
P1 제 1 위치
P2 가상점
Pa 선체의 최후미
Rx1 선미측 제 1 범위
Rz1 상하 제 1 범위
Rα (z) 선형영역
Sa1 선미 특정범위
Sh (z) 선미 특정범위의 수평단면
X 선체의 전후방향
Y 선체의 좌우방향
Z 선체의 상하방향
α 편현측의 각도
α1 제 1 각도
α2 제 2 각도
β 경사각(傾斜角)
θ 제 3 각도

Claims (5)

1. 항해속력이 프라우드수로 0.13 ~ 0.30인 선박에서 수면상의 선체, 또는 상갑판 상에 설치된 상부 구조물의 적어도 하나의 수면상 구조물에 있어서,
   상기 수면상 구조물 최대폭의 선미측 최후부에 있는 선체중심선 상의 점을 제 1 위치로 하고, 이 제 1 위치와 선체의 최후미와의 사이를 선미측 제 1 범위로 하고, 상기 수면상 구조물의 상하방향 임의의 연속부분에서 50% 이상 또는 100% 이하의 범위를 상하 제 1 범위로 하고,
   상기 수면상 구조물의 상기 선미측 제 1 범위 또는 상기 상하 제 1 범위에 있는 수면에 평행한 각 수평단면에,
   선체중심선 상의 가상점으로부터 선체 전후방향의 선미방향에 대해 제 1 각도로 연장되는 선을 제 1 경사 선으로 하고, 상기 가상점으로부터 선체 전후방향의 선수방향에 대해 제 2 각도로 연장되는 선을 제 2 경사 선으로 하고, 상기 제 1 각도를 50도로 하고 상기 제 2 각도를 80도로 하고, 상기 제 1 경사선과 상기 제 2 경사선과의 사이를 선형영역으로서 상기 가상점을 선체중심선 상에 이동시켜 선형영역을 선체의 전후방향으로 이동시켰을 때,
   상기 수평단면의 외형선 길이의 50% 이상 100% 이하 길이의 외형선이 상기 선형영역에 들어가도록 상기 가상점의 위치가 있는 것을 특징으로 하는 풍압저항이 적은 선박.
2. 제 1항에 있어서, 상기 상하 제 1 범위의 상기 각 수평단면의 형상에 있어서 상기 선미측 제 1 범위의 측벽부를 요철의 폭이 상기 수면상 구조물 최대폭의 5% 이하가 되는 매끄러운 곡선모양의 부분, 또는 요철의 폭이 상기 수면상 구조물 최대폭의 5% 이하가 되는 직선부분, 또는 양자의 조합으로 형성되는 것을 특징으로 하는 풍압저항이 적은 선박.
3. 제 1 또는 2항에 있어서, 상기 수면상 구조물의 선미측을 형성하는 측벽부를 상기 선미측 제 1 범위 또는 상기 상하 제 1 범위에 있어서 수평면에 대해 30도 이상이고, 또한 90도 이하의 경사각을 갖도록 형성하는 것을 특징으로 하는 풍압저항이 적은 선박.
4. 제 1항에 있어서, 상기 상부 구조물을 수면상 구조물로 한 경우에 있어서
   상기 선미측 제 1 범위 또는 상기 상하 제 1 범위에서,
   각 수평단면에서 상기 상부 구조물 측벽부의 50% 이상을 직선으로 형성하고, 이 직선의 선체중심선에 대한 제 1 각도의 상하방향에 대해서의 상하 제 1 범위에 있는 평균값을 제 1 평균각도(αm)로 하고,
   상기 상부 구조물의 아래의 상기 선체의 측벽부에 있는 상기 상부 구조물의 전면(前面)보다도 선미측의 20% 이상을 직선으로 형성하고, 이 직선의 선체중심선에 대한 제 3 각도의 상하방향에 관해서의 선체 건현의 범위에 있는 평균값을 제 3 평균 각도(θm)라 하고, 각도(γ1)를 5도로 했을 때,
   상기 제 1 평균각도(αm)와 상기 제 3 평균각도(θm)의 관계를 (αm-γ≤ θm ≤ (αm + γ1)의 관계로 하는 것을 특징으로 하는 풍압저항이 적은 선박.
5. 제 1항에 있어서, 상기 선체를 수면상 구조물로 하는 경우에 있어서
   상기 선미측 제 1 범위 또는 상기 상하 제 1 범위에서,
   상기 수면상 구조물 선미측의 30% 이상을 직선으로 형성하고, 이 직선의 선체중심선에 대한 제 3 각도의 상하방향에 관해서의 평균치를 제 3 평균각도(θm)라 하고, 각도(γ2)를 20도로 하고, (θ1)을 50도로 했을 때,
   상기 제 3 평균각도(θm)를 (θγ ≤ θm ≤ (θ1 + γ2)의 관계로 하는 것을 특징으로 하는 풍압저항이 적은 선박.

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