KR20040106477A - 프로펠러 샤프트 - Google Patents

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KR20040106477A
KR20040106477A KR10-2004-7017835A KR20047017835A KR20040106477A KR 20040106477 A KR20040106477 A KR 20040106477A KR 20047017835 A KR20047017835 A KR 20047017835A KR 20040106477 A KR20040106477 A KR 20040106477A
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KR10-2004-7017835A
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한스 마르틴 잔트
페르 헤르베르트 크리스텐센
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모스 마리타임 에이.에스
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Abstract

본 발명은 선체(2) 및 추진 시스템을 구비하는 항해 선박(1)용 프로펠러 샤프트 장치에 관한 것으로, 하나 이상의 엔진(3), 두 개 이상의 프로펠러 샤프트(4) 및 두 개 이상의 프로펠러(5)를 포함하며, 선박은 선박의 선체(2)의 바닥과 접하는 거의 수평한 기준면(6)을 가지며 선체의 종방향으로 선체(2)의 중간부에 거의 수직한 중앙면(7)을 가진다. 프로펠러 샤프트(4)는 기준면(6)에 대해 각도(α)를 형성하여, 기준면(6)으로부터의 프로펠러 샤프트(4)의 거리가 프로펠러(5)로부터 엔진(3)까지 전방 방향으로 증가되며, 하나 이상의 프로펠러 샤프트(4)는 중앙면(7)에 대해 각도(β)를 형성하여, 중앙면(7)으로부터 프로펠러 샤프트(4)의 거리가 프로펠러로부터 엔진(3)까지 전방 방향으로 증가된다.

Description

프로펠러 샤프트{PROPELLER SHAFTS}
선박용 추진의 가장 통상적인 형태는 프로펠러 추진이다. 이론적으로 프로펠러 시스템과 관계없이, 프로펠러는 a) 진동을 피하도록 선체로부터 멀리, b) 진동, 캐비테이션 및 프로펠러 소음을 피하도록 균일한 평행 유동으로, c) 압력 감소가 거의 발생하지 않도록 하는 관점으로, d) 높은 점성 평행 유동을 구비한 영역으로, 및 e) 가능한 가장 큰 정도의 회전 효율이 달성하는 방식으로 위치되어야 한다. 프로펠러는 또한 엔진 룸 배열, 도킹(docking) 또는 좌초(running aground)에 대해 필수적으로 고려되어야 한다. 또한 선박의 크기, 원하는 추진 및 속도, 선체 설계 등과 같이, 프로펠러 시스템에 영향을 미치는 다수의 다른 요소가 있다.
선박용 프로펠러는 엔진 룸에 위치하는 엔진에 의해 샤프트를 경유하여 정상적으로 구동된다. 샤프트 전동 부품은 선박의 이상적인 선체 구조물 외부에 위치하게 된다. 엔진으로부터 프로펠러로의 직접적인 샤프트 전동이 있으며, 샤프트는 산업 분야에서 스케그(skeg)로서 알려진, 선체에 있는 만곡부(bulge)에 의해 덮혀질 수 있다. 선박 주위의 유동 패턴에서 적어도 가능한 저항 및 난류가 이루어지도록하고 또한 경제적인 이유 때문에, 스케그는 가능한 작게 형성된다. 동시에 스케그는 프로펠러를 향하여 유동하는 물의 덩어리에 대해 최상의 가능한 유동 패턴을 얻도록 설계되어야 한다.
가능한 작은 스케그를 제조하는 공지된 방법은 프로펠러 샤프트를 수평면에 대해 일정한 각도로 배치하는 것이다.
선박의 추진은 또한 프로펠러의 크기에 많이 종속되며 프로펠러의 크기는 종종 프로펠러 크기를 제한하는 프로펠러의 수직 높이이며, 이는 대부분의 선박에 대해 선박 좌초의 경우 선박의 하부 지점 보다 더 낮게 연장하는 프로펠러에 대해 바람직하지 않기 때문이다. U형 선체 구조물 및 두 개의 프로펠러를 구비하는 선박에 대해, 선박의 선체의 중앙면에 대해 일정한 각도로 프로펠러 샤프트를 배치하는 것이 공지되어 있으며, 그 결과 프로펠러가 프로펠러를 구동하는 엔진 보다 선박의 중앙면으로부터 더 멀리 위치한다.
엔진 및 프로펠러 사이에 직접적인 샤프트가 없으면, 프로펠러는 수 개의 방향으로 회전되는 능력이 주어질 수 있다. 이의 일 예가 미국 특허 제 4 493 660호에 설명되어 있다.
스케그 둘레의 유동 패턴은 또한 중요하다. 미국 특허 제 4 538 537호는 프로펠러를 향하여 물의 유동을 적용함으로써 더 높은 효율이 달성되도록 비틀린 형상을 가지는 프로펠러 샤트프 주위의 비대칭 스케그가 설명되어 있으며, 스케그의 형상은 유동의 접선 성분이 전체 프로펠러의 원주 둘레에 유용한 방식으로 분배되도록 한다.
본 발명은 하나 이상의 엔진, 및 각각 프로펠러를 구비하는 두 개 이상의 프로펠러 샤프트를 포함하는 추진 시스템을 구비하는 항해 선박용 프로펠러 샤프트 장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 프로펠러 샤프트 장치를 구비한 선박 선체의 후방부의 측면도이며,
도 2는 도 1에 도시된 부분을 아래로부터 본 도면이며,
도 3은 프로펠러를 향하는 선미부로부터 도시된 도 1에 도시된 바와 같은 선박 선체의 후방부의 도면이며,
도 4는 도 1 및 도 2의 라인 ⅠⅤ을 따라 도시한 단면도이며,
도 5는 도 1 및 도 2의 라인 Ⅴ을 따라 도시한 단면도이며,
도 6은 도 1 및 도 2의 라인 Ⅵ을 따라 도시한 단면도이며,
도 7은 도 1 및 도 2의 라인 Ⅶ을 따라 도시한 단면도이며,
도 8은 도 1 및 도 2의 라인 Ⅷ을 따라 도시한 단면도이며,
도 9는 도 1 및 도 2의 라인 Ⅸ을 따라 도시한 단면도이다.
본 발명의 목적은 프로펠러를 구비한 두 개 이상의 프로펠러 샤프트를 갖는 선박 상의 스케그의 설계를 개선하여, 선박의 설계 및 작동 상의 비용을 절감시키기 위한 것이다. 본 발명의 제 2 목적은 종래의 선박에서 보다 더 큰 정도로 점성 평행 유동을 이용하도록 하여 이중 스케그, 선미부 및 엔진 룸 배열의 설계에 의한 항력(drag)을 감소시키는 것이다. 또한 본 발명의 목적은 진동 및 캐비테이션의 위험을 감소시키는 것이다.
이러한 목적들은 후술되는 청구항 1에 기재된 본 발명의 특징에 의해 달성되며, 본 발명의 다른 상세한 구성은 다른 청구항들에 기재되어 있다.
본 발명은 프로펠러를 구비한 두 개 이상의 프로펠러 샤프트 및 하나 이상의 엔진을 포함하는 추진 시스템을 구비한 선박에 의해 상기 목적들이 해결되도록 시도된다. 본 발명에 따른 선박은 선박의 선체 바닥과 접하는 거의 수평한 기준면에 위치하는 기준선(baseline) 및 선박의 선체의 종방향 연장부의 중앙을 따른 거의 수직한 중앙면에 있는 중앙선(center line)을 갖는다. 본 발명에 따라 두 개 이상의 프로펠러 샤프트는 기준면에 대해 각도(α)를 형성하며 그 결과 기준면으로부터의 프로펠러 샤프트의 거리는 프로펠러로부터 엔진으로 전방 방향으로 증가한다. 더욱이, 프로펠러 샤프트 중 하나 이상은 중앙면에 대해 각도(β)를 형성하며 그 결과 중앙면으로부터의 프로펠러 샤프트의 거리는 프로펠러로부터 엔진으로 전방 방향으로 증가한다.
본 발명에 따라 각도(α)의 크기는 0을 포함하여 0으로부터 10도이며, 각도(β)는 1 내지 5도 범위, 바람직하게는 2 내지 3도이다. 프로펠러 샤프트에 각도(α)가 주어짐으로써, 엔진이 프로펠러 샤프트의 직접적인 연장부일 때, 엔진은 선박 선체로 상방으로 이동한다. 엔진 설비의 공간 요구조건은 종종 스케그의 크기를 제한하는 요소인데, 즉 스케그의 크기는 엔진 설비를 위한 공간을 허용하여야 한다. 엔진 설비 및 엔진을 상승시킴으로써, 스케그는 단면적 및 종방향 연장부 둘다에서 더 작게 형성될 수 있으며, 저항에서의 하부 증가는 스케그에 의해 얻어진다. 프로펠러 샤프트에 각도(β)가 주어짐으로써, 유사한 흘수선(waterline)이 스케그의 내부면에서 얻어지고 종래의 평행한 프로펠러 샤프트를 구비한 것 보다 스케그들 사이의 단면적에서 적은 진동이 발생한다. 이는 물 유동을 위한 압력 및 속도 진동에서의 감소를 초래하여, 저항, 진동, 캐비테이션 및 프로펠러 소음에서의 관련된 증가로의 파괴 위험이 줄어들기 때문에 유용하다.
본 발명에 따라 선박은 두 개 이상의 프로펠러 샤프트를 가질 수 있다. 예를 들면, 두 개의 프로펠러들 사이에 위치되는 더 작은 프로펠러를 구비한 프로펠러 샤프트일 수 있으며, 예를 들면 중앙 프로펠러용 프로펠러 샤프트는 기준면에 대해 각도(α)를 형성할 수 있지만 중앙면에 거의 평행하다. 두 개의 중간 프로펠러가 있으며, 두 개의 중앙 프로펠러는 예를 들면 기준면 및 중앙면 둘다에 평행할 수 있으며, 두 개의 외측 프로펠러는 각각 기준면 및 중앙면에 대해 각도(α) 및 각도(β)이다.
또한 프로펠러 샤프트 중 하나가 중앙면에 대해 각도(β)이며 다른 샤프트는이러한 샤프트에 평행하다는 것을 구상할 수도 있다.
본 발명은 참조되는 도면 및 일 실시예에 의해 더 상세하게 설명될 것이다.
도 1 및 도 2는 각각 선박(1)의 선체(2) 후방부의 측면도 및 아래로부터 본 도면으로서, 두 개의 엔진(3), 두 개의 프로펠러 샤프트(4) 및 두 개의 프로펠러(5)로 이루어지는 추진 시스템이 도시되어 있다. 프로펠러(5)는 프로펠러 샤프트(4)와 일치하는 회전 축선에 위치하며 엔진(3)은 프로펠러(5)의 대향 단부에, 프로펠러 샤프트(4)의 직접적인 연장부로서 위치한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 선박(1)은 선체(2)의 하부 지점과 접하는 기준면(6)에 위치하는 기준선, 및 도 2에 도시된 바와 같이 선박의 중앙면(7)에 위치하는 중앙선을 가진다. 선체 외부에 위치하는 프로펠러 샤프트의 부분 주위에, 동시에 프로펠러 샤프트를 포함하면서 프로펠러 샤프트를 덮도록, 스케그(8)가 각각의 프로펠러 샤프트 둘레에 제공된다.
본 발명에 따라, 도 1에 도시된 바와 같이 프로펠러 샤프트(4)는 기준면(6)에 대해 각도(α)를 형성한다. 이러한 각도는 0 내지 10도로 변화될 수 있다. 더 크고 더 무거운 선박에 대해, 이러한 각도는 1 내지 3도의 범위가 바람직하지만 다른 타입의 선박에 대해서는 더 큰 각도가 바람직 할 수 있다. 각도(α)의 선택은 또한 추진을 위해 이용되는 엔진의 타입에 종속된다. 각도(α)는 또한 0도인 것으로, 즉 프로펠러 샤프트(4)가 기준면에 평행한 것으로 구성할 수 있다.
더 큰 각도(α)가 선택될 때, 프로펠러 샤프트(4)의 연장부로서 위치될 때 엔진(3)은 선체(3)에서 상방으로 이동하고 소정의 경우 거의 스케그(8) 외부에 위치할 것이다. 이는 스케그(8)가 엔진(3) 둘레의 영역에 있는 더 작은 단면적으로 설계되는 것이 허용되며, 이는 스케그(8)의 용적이 감소하여 선박(1)의 추진에 대한 저항이 감소하기 때문에 유용하다. 기준면(6)에 대한 일정한 각도에서 프로펠러 샤프트(4)를 갖는 다른 예는 프로펠러 샤프트(4)를 연장하는 것이고, 이는 선박(1)에 있는 공간의 고려 및 프로펠러 샤프트(4)에 있는 토크 전동에 대한 강도의 고려 둘다에 대해 바람직하지 않다. 동시에 프로펠러가 프로펠러 샤프트(4)의 연장부로서 위치하는 경우 너무 큰 각도(α)가 선박(1)의 추진 방향이 아닌 다른 방향으로 물의 너무 큰 성분의 속도 생성을 초래하기 때문에 프로펠러 샤프트(4)가기준면(6)에 대한 너무 큰 각도(α)를 갖는 것은 유리하지 않다.
프로펠러 샤프트(4)의 각도(β)는 1 내지 5도로, 바람직하게는 1 내지 3도 범위로 변화될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 이러한 실시예에서 프로펠러 샤프트(4) 둘다 각도(β)를 형성한다. 두 개의 스케그(8)의 내부의 대향되는 표면(9)들에 대해, 스케그(6)를 따른 물 입자의 유동 통로를 나타내는 흘수선은 종래의 설비에 대한 것 보다 본 발명에 따른 프로펠러 샤프트 장치에 대해 유사할 것이다. 이는 스케그(8)의 내부의 대향되는 표면(9)들은 프로펠러 샤프트(4)가 평행한 스케그(8) 보다 전방 및 후방 방향으로 종방향 연장부 상으로 더 작은 곡률을 갖는 것을 의미한다. 본 발명에 따른 프로펠러 샤프트(4) 둘레의 스케그(8)에 대한 내부 흘수선에 대한 각도 변화는 종래의 스케그에서 보다 종방향 연장부의 더 큰 부분에 걸쳐 거의 평행하다. 이는 스케그(8) 둘레의 유동 패턴에 대해 유용하다.
본 발명에 따른 프로펠러 샤트프 장치용 스케그(8) 형상이 평행한 프로펠러 샤프트(4)에 대한 스케그(8)의 형상에 대응하지만, 각도(β)에 있는 경우, 두 개의 스케그(8)의 내부의 대향되는 표면(9)들에 따른 흘수선이 유사하겠지만, 스케그(8)의 외부면(10)에 대한 흘수선은 종래의 설비에서 보다 종방향 연장부 상의 더 큰 곡률을 갖는다. 특히 중요한 것은 내부 흘수선이어서, 외부 표면(10)에 대한 더 큰 곡률은 유사한 내부 흘수선으로 얻어진 장점 보다 선박(1)의 추진을 위한 음의 방향(negative direction)으로 작은 영향을 가진다.
스케그들 사이의 물의 유동에 대한 압력 및 속도 차이에 대한 또 다른 성분은 스케그의 종방향 연장부 상의 스케그의 내부의 대향되는 표면(9)들 사이의 영역을 위한 단면적에서의 변화이다. 평행한 프로펠러 샤프트(4)를 구비한 종래의 설계 및 본 발명에 따른 프로펠러 샤프트 장치 둘다 스케그(8)의 종방향 연장부 상의 단면적이 증가되지만, 본 발명에 따른 프로펠러 샤프트 장치에 대해 상기 변화는 작을 수 있다. 단면적의 증가는 스케그(8)들 사이의 물의 유동의 속도에서의 감소를 초래한다. 유사한 흘수선과 조합된 속도의 작은 감소는 3차원적 파괴 또는 분리의 위험을 감소시킨다. 파괴는 어는 정도의 저항에서의 상당한 증가를 초래하는 반면, 동시에 진동, 캐비테이션 및 프로펠러 소음을 일으킬 수 있는 평행한 유동 변동을 발생시킨다.
도 3 및 도 4 내지 도 9에서 볼 수 있는 바와 같이, 스케그(8)는 종방향 연장부에 중앙면을 갖으며, 중앙면은 프로펠러 샤프트에 거의 수직하고 거의 평행하다. 이는 스케그(8)를 프로펠러(5)로부터 볼 때 프로펠러 샤프트(4)를 구비한 프로펠러(5)가 추진 방향에 대해 전방에서 볼 때 위치하는 스케그(8)의 부분 보다 서로 더 근접하게 위치하는 도 3에서 명백하다.
도 4 내지 도 8에서 볼 수 있는 바와 같이, 스케그(8)는 프로펠러 샤프트(4)를 통하여 중앙면에 대해 거의 대칭으로 배열된다. 프로펠러(5) 근처의 프로펠러 샤프트(4)의 후방부 주위에 스케그(8)는 도 5에 도시된 바와 같이, 작은 단면적을 가진다. 이 단면적은 도 6에 도시된 바와 같이 스케그(8)의 종방향 연장부에서 도 7에 도시된 바와 같은 엔진(3) 및 엔진 설비 주위에 위치하는 스케그(7)의 영역으로 점차적이고 계속적으로 증가된다. 이러한 영역에서 이는 스케그(8)의 단면적에 대한 결정 요소가 되는 엔진(3)으로의 프로펠러 샤프트 연결부 아래의 엔진 설비의공간 요구 조건이 된다. 엔진(3) 및 엔진 설비의 전방 단부에서, 즉 선박(1)에 대해 볼 때 스케그(8)의 전방 부분에서, 스케그(8)는 스케그(8) 및 선체(2) 사이의 전방 부착 지점 까지 도 8에 도시된 바와 같이 점차적으로 종결되며, 본 발명에 따른 선박은 도 9에 도시된 바와 같이 기준면과 일치하는 평평한 바닥면을 구비한 선체(2)를 갖는다.
유동 지점으로부터 볼 때 더 유용한 경우, 스케그(8)는 또한 중앙면에 대해 비대칭으로 배치될 수 있다. 고려될 수 있는 하나의 타입의 연구는 스케그(8) 지오메트리의 설계에 대한 미국 특허 4 538 537호에서의 연구이다.
본 발명에 따른 프로펠러 샤프트 장치를 구비한 선체를 이용하는 모델 실험에서, 프로펠러 샤프트의 각도(β) 및 각도(α)의 조합은 스케그 상의 작은 교란 및 적은 항력을 발생시킨다. 이는 선박에 대한 속도의 작은 감소를 초래하여 에너지 소모 및 가능한 더 높은 속도로 개선한다.
본 발명은 일 실시예를 참조하여 위에서 설명되었다. 본 발명은 이에 의해 제한되지 않으며 본 발명의 다수의 변형예가 아래의 청구범위에서 정의되는 바와 같은 본 발명의 범위내에서 생각해 낼 수 있다. 언급한 바와 같이, 선박은 두 개 이상의 프로펠러를 가질 수 있다. 두 개의 프로펠러의 경우, 제 1 프로펠러 샤프트는 각도(β)일 수 있으며 제 2 프로펠러 샤프트는 제 1 프로펠러 샤프트에 평행할 수 있다. 스케그는 선박 선체의 더 많은 통합 부분으로서 생각하거나 스케그는 선체 구조물의 더 많은 부분을 형성할 수 있어 선박 "이중 용골(twin keels)"이 주어진다. 이러한 경우, 프로펠러 샤프트를 따르는 중앙면 없이 더 큰 스케그를 제조하는 것이 자연적일 수 있다. 선박의 추진을 위한 엔진은 상이한 타입일 수 있다. 엔진은 두 개의 프로펠러 샤프트, 또는 각각의 프로펠러 샤프트 상의 두 개 이상의 엔진으로의 동력 전동으로 구상할 수 있다. 프로펠러 샤프트로의 엔진의 부착은 또한 일정한 각도 도는 전동을 통과하는 것으로 구상할 수 있다.

Claims (11)

  1. 선체(2) 및 추진 시스템을 구비하는 항해 선박(1)용 프로펠러 샤프트 장치로서,
    하나 이상의 엔진(3), 두 개 이상의 프로펠러 샤프트(4) 및 두 개 이상의 프로펠러(5)를 포함하며, 상기 선박은 상기 선박의 선체(2)의 바닥과 접하는 거의 수평한 기준면(6)을 가지며 상기 선체의 종방향으로 상기 선체(2)의 중간부에 거의 수직한 중앙면(7)을 가지는 프로펠러 샤프트 장치에 있어서,
    상기 프로펠러 샤프트(4)는 상기 기준면(6)에 대해 각도(α)를 형성하여, 상기 기준면(6)으로부터의 상기 프로펠러 샤프트(4)의 거리가 상기 프로펠러(5)로부터 상기 엔진(3)까지 전방 방향으로 증가되며,
    상기 하나 이상의 프로펠러 샤프트(4)는 상기 중앙면(7)에 대해 각도(β)를 형성하여, 상기 중앙면(7)으로부터 상기 프로펠러 샤프트(4)의 거리가 상기 프로펠러로부터 상기 엔진(3)까지 전방 방향으로 증가되는 것을 특징으로 하는,
    프로펠러 샤프트 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 각도(α)은 바람직하게는 1도 내지 10도, 가장 바람직하게는 1도 내지 3도인 것을 특징으로 하는,
    프로펠러 샤프트 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 각도(β)는 바람직하게는 1도 내지 5도, 가장 바람직하게는 1도 내지 3도인 것을 특징으로하는,
    프로펠러 샤프트 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프로펠러 샤프트(4)는 둘러싸는 스케그(8)를 갖는 것을 특징으로 하는,
    프로펠러 샤프트 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프로펠러 샤프트(4) 둘레의 스케그(8)는 상기 스케그(8)의 내부의 대향되는 표면(9)들이 길이에 걸쳐 부분적으로 거의 평행하도록 설계될 수 있는 것을 특징으로 하는,
    프로펠러 샤프트 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스케그(8)들 사이의 영역의 단면적은 종래의 스케그 보다 상기 프로펠러(5)로부터 전방으로 상기 선체(2) 및 상기 스케그(8) 사이의 전방 부착 지점까지 길이에 걸쳐 진동이 작도록 설계될 수 있는 것을 특징으로 하는,
    프로펠러 샤프트 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스케그(8)는 종방향으로 상기 프로펠러 샤프트(4)에 거의 평행한 중앙면을 갖는 것을 특징으로 하는,
    프로펠러 샤프트 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스케그(8)는 상기 중앙면에 대해 비대칭으로 형성되는 것을 특징으로 하는,
    프로펠러 샤프트 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프로펠러 샤프트(4)용 엔진(3)이 상기 스케그(8)의 거의 외부에 위치하여, 상기 스케그(8)에 대해 요구되는 단면적 및 용적이 감소되는 것을 특징으로 하는,
    프로펠러 샤프트 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 두 개의 프로펠러 샤프트(4)들 사이에 프로펠러(5)를 구비한 하나 이상의 부가 프로펠러 샤프트(4)가 제공되는 것을 특징으로 하는,
    프로펠러 샤프트 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    기준면(6)에 대해 일정한 각도를 형성하고 중앙면(7)에 대해 일정한 각도를 형성하는, 두 개의 부가 프로펠러 샤프트(4)가 제공되는 것을 특징으로 하는,
    프로펠러 샤프트 장치.
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