WO2014123397A1 - 선박의 추진장치 - Google Patents

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박광근
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백광준
이정훈
이진석
이태구
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    • B63H2005/1254—Podded azimuthing thrusters, i.e. podded thruster units arranged inboard for rotation about vertical axis

Definitions

  • the present invention relates to a propulsion device of a ship, and has a duct cross section suitable for the flow characteristics flowing into the duct, and relates to a propulsion device of the ship that can reduce the vortices around the hub by using a blade having a different size. .
  • azimuth thrusters that generate thrust are used in ships such as drillships or the like when sailing at high speed or low speed, or for precise position control or towing other ships.
  • Azimus thrusters have open propellers (eg propellers) that do not have ducts depending on the application and duct type propellers having airfoil ducts around the propellers.
  • Such azimuth thrusters are provided with a horizontally rotatable gear located inside the hull and can exert thrust about all azimuth angles, ie, omnidirectional.
  • accurate positioning DP is required to counter the environmental loads such as wave-drift force, wind force, and tidal force. do.
  • the azimuth thruster is used as an auxiliary propulsion device to operate the drill ship to the drilling site, the general operating conditions of the azimuth thruster also become very important, and towing conditions when a large towing force is required during the operation In some cases it can be very important to generate a large towing force.
  • duct attachment thruster and a vessel provided with the same may be referred to.
  • a swelling part is formed on the outer circumference of the front end of the duct so that the cross-sectional shape of the duct expands from the standard airfoil to the arcuate cross section outward from the standard airfoil so as to suppress the pressure change on the outer surface of the front end of the duct at high speed. It is characterized by having an opening angle in which the leading edge direction is widened so as to exhibit a predetermined towing force.
  • the prior art merely refers to the bulging shape that is expanded outwardly and the opening angle of which the leading edge direction is widened, and there is no technique for reducing the vortex generated by the propeller. Accordingly, in a bollard state in which only the propeller rotates at the rated RPM while the ship or offshore structure is almost at rest, it may be difficult to absorb the rotating component of the downstream of the propeller.
  • Embodiment of the present invention is to provide a ship propulsion apparatus that can improve the navigation performance, position control performance and towing performance of the vessel, and can reduce the vortices around the hub in the bollard (Bollard) state.
  • Bollard bollard
  • a duct having a nose which is a front vertex of the airfoil cross section and a tail that is a rear vertex of the airfoil cross section, wherein the cross-sectional shape of the duct is formed to be convex upward at the front end of the duct An outer surface concave downward from a rear end of the duct; And a duct inner surface front portion which is formed to be convex downward from the front end of the duct, a duct inner surface rear portion which is formed to be convex downward from the rear end of the duct, the duct inner surface front portion and the duct inner surface rear portion in parallel It may include an inner surface including a parallel portion for connecting.
  • the hub disposed on the main shaft receiving power; A main blade installed on an outer circumferential surface of the hub; A sub blade positioned to be spaced apart from the main blade to the rear of the main shaft and installed to be inclined to the rear of the main shaft at an outer circumferential surface of the hub; And a duct disposed around the main blade and having a airfoil cross section.
  • the duct for the propulsion device has the effect of improving the performance through the flow around the duct.
  • the embodiment of the present invention can satisfy all of the general operating conditions, position control and towing conditions by optimizing the first and second distances between the parallel portions of the inner surface of the duct and the nose or tail, and the ship's operation. Performance, position control performance and towing performance can be improved.
  • the embodiment of the present invention has a parallel portion defined by the parallel portion front region and the rear region with respect to the propeller face (YZ plane) position (propeller position), thereby improving the thrust during the bollard condition (bollard condition) To maximize thrust performance at departure from stationary conditions such as ice jams, position adjustment at stationary conditions, or towing performance to tow other vessels trapped in ice. Can be.
  • the embodiment of the present invention by providing the main blade and the sub-blade in the hub to improve the flow around the duct and propeller, thereby reducing the vortex generated by the propeller and reducing the torque required to rotate the propeller, propulsion efficiency Can improve.
  • the embodiment of the present invention can improve the thrust in the bollard condition (bollard condition), thereby effectively reducing the vortices induced around the hub, it is possible to improve the propulsion efficiency through the torque reduction of the main shaft.
  • FIG. 1 is an exemplary view showing a duct of a propulsion device according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a streamline distribution according to a two-dimensional computational fluid analysis (CFD) result of the duct shown in FIG. 1.
  • CFD computational fluid analysis
  • FIG. 3 is a graph showing a change in propeller efficiency according to the range of the front region and the rear region of the parallel to the electric field based on the propeller face position in the duct shown in FIG. 1.
  • FIG. 4 shows a trend of change in propeller efficiency according to the electric field contrast range for the first distance between the parallel portion and the nose and the electric field contrast range for the second distance between the parallel portion and the tail in the duct shown in FIG. It is a graph.
  • FIG. 5 is a graph showing a bollard (Bollard) performance curve (Power-thrust) between the duct and the comparative example shown in FIG.
  • FIG. 6 is a graph showing a correlation curve between ship speed and required horsepower between the duct and the comparative example shown in FIG. 1.
  • FIG. 7 is a graph showing respective propulsion performance characteristic curves obtained by a water tank test in order to compare and verify the performance of the duct shown in FIG. 1 and the comparative example.
  • FIG. 8 is a perspective view showing a propulsion device of a ship according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a front view showing the propulsion device of the ship according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a side view showing the propulsion device of the ship according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is an exemplary view showing a duct of a propulsion device according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a graph showing a change in efficiency according to the inclination ratio (B / H) of the sub-blade according to the second embodiment of the present invention as a curve.
  • FIG. 13 is a graph illustrating a change in efficiency according to a radius ratio A / C of a sub blade according to the second exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a perspective view showing a propulsion device of a ship according to a comparative example compared with the propulsion device shown in FIG. 8 to compare the second distance K distribution.
  • FIG. 15 is a perspective view showing a propulsion device of a ship according to a comparative example compared with the propulsion device shown in FIG. 8 to compare the second distance K distribution.
  • FIG. 16 is a graph showing a bollard power-thrust between the propulsion device of FIG. 8 and the propulsion device of FIG. 15.
  • FIG. 17 is a graph showing respective propulsion performance characteristic curves obtained by a water tank test in order to compare and verify the performance between the propulsion device of FIG. 8 and the propulsion device of FIG. 15.
  • FIG. 18 is an exemplary view showing a duct of a propulsion device according to a third embodiment of the present invention.
  • the comparative example of one embodiment of the present invention is a standard airfoil, a marin 19A airfoil (hereinafter referred to as a comparative example) generally adopted due to its excellent workability in a duct of the same type as a duct type azimuth thrust. Is).
  • FIG. 1 is an exemplary view showing a duct of a propulsion device according to a first embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a view showing a streamline distribution according to the two-dimensional computational fluid analysis (CFD) results of the duct shown in FIG. .
  • CFD computational fluid analysis
  • the propulsion apparatus includes a hub 200 receiving power from a gear case and a rotating shaft on a hull side, and a plurality of blades arranged along a circumferential surface of the hub 200.
  • a hub 200 receiving power from a gear case and a rotating shaft on a hull side, and a plurality of blades arranged along a circumferential surface of the hub 200.
  • the propeller 300 may include a ring-shaped duct (100).
  • the cross-sectional shape of the duct 100 may have the same cross-sectional shape along the entire circumference of the duct 100 based on the rotation axis (X axis) of the propeller 300.
  • the cross-sectional shape of the duct 100 may improve the efficiency of the duct-type propulsion device in consideration of all of the operating characteristics of the vessel, such as drill ships or offshore structures, the position control characteristics of the vessel and the towing characteristics of other vessels trapped in the ice. It may include the outer surface (G1) and the inner surface (G2) of the duct 100 having a design factor optimized to be.
  • the cross-sectional shape of the duct 100 is lifted according to Bernoulli's theorem, so that the airfoil cross section is a nose 104 (nose) which is the front vertex of the airfoil cross section of the duct 100; Tail 108, which is the rear vertex of the airfoil section; And an abdominal line 105 that is a straight line connecting the nose 104 and the tail 108.
  • nose 104 nose
  • Tail 108 which is the rear vertex of the airfoil section
  • abdominal line 105 that is a straight line connecting the nose 104 and the tail 108.
  • Cross-sectional shape of the duct 100 is the front portion 113 is formed convexly above the front end of the chord line 105; And an outer surface G1 of the duct 100 having a rear portion 112 that is formed concave below the trailing end 105.
  • the front portion 113 of the outer surface (G1) of the duct 100 may mean a curved surface from the point where the chord line 105 meets the outer surface (G1) of the duct 100 to the nose (104).
  • the rear portion 112 of the outer surface (G1) of the duct 100 may mean a curved surface from the point where the chord line 105 meets the outer surface (G1) of the duct 100 to the tail (108).
  • the front portion 113 and the rear portion 112 may be naturally transitioned before and after the point where the sag line 105 meets the outer surface G1 of the duct 100.
  • the front portion 113 of the outer surface G1 of the duct 100 is convexly formed above the front end of the chord line 105.
  • the rear portion 112 of the outer surface G1 of the duct 100 is concavely formed below the rear end of the chord line 105.
  • the cross-sectional shape of the duct 100 may have an angle of attack ⁇ that is an angle formed by the axis of rotation (X-axis) of the propeller 300 and the chord line 105.
  • the angle of attack ⁇ of the duct 100 may have any one angle selected from 5 ° to 20 °.
  • the cross-sectional shape of the duct 100 is parallel to the axis of rotation (X axis) of the propeller 300 parallel 111; In the range corresponding to the first distance F in the Y-axis direction from the parallel portion 111 to the nose 104, a curved surface projecting gently from the starting point 109 of the parallel portion 111 to the nose 104.
  • It may include the inner surface (G2) of the duct 100 consisting of the duct inner surface rear portion 107 which is a curved surface protruding gently to 108.
  • the parallel portion 111 is the front region M and the rear region N of the parallel portion 111 with respect to the propeller surface (YZ plane) position 103 which is a circular surface drawn when the propeller 300 rotates.
  • the% range for the electric field (C) to maximize thrust performance based on the results of three-dimensional computational fluid analysis (CFD) (M) / C, N / C).
  • FIG. 3 is a graph showing a change in propeller efficiency according to the range of the front region and the rear region of the parallel to the electric field based on the propeller face position in the duct shown in FIG. 1.
  • a duct 100 in a bollard condition in which a position control characteristic and a towing characteristic of a ship equipped with the propeller 10 using a three-dimensional computational fluid analysis (CFD) is known.
  • the range N / C (many graphs inside the graph) of the front region N of the parallel portion 111 is shown.
  • the propeller efficiency ( ⁇ 0 , Merit coefficient) is obtained by using Equation 1 below considering the performance under towing and position control conditions as an important design condition, such as a duct propeller and an azimuth propeller. Can be.
  • the conditions of the propeller diameter, the propeller rotation speed, and the density of the fluid (for example, fresh water) and the position control conditions are taken into consideration.
  • ⁇ 0 ((K TT / ⁇ ) 3/2 ) / K Q
  • K TT K T-propeller + K T-duct
  • K Q Q / ( ⁇ * n 2 * D P 5 )
  • Equation 1 ⁇ 0 is the propeller efficiency (Merit coefficient), T P is the propeller thrust, T D is the duct thrust, Q is the propeller torque, D P is the propeller diameter, n is the propeller rotation speed , ⁇ is the density of the fluid (eg fresh water).
  • the cross-sectional shape of the duct 100 of the present embodiment is a parallel portion having a range (M / C) of -4.0% to 14.0% of the full length C from the propeller face position 103.
  • Front region M of 111 and rear region N of parallel portion 111 having a range (N / C) of -30.0% to -10.0% relative to full length C from propeller face position 103. can do.
  • the-value means the-direction when the propeller plane position 103 is set as the origin in the x-axis direction.
  • the M / C value is -4.0%, it means that the starting point 109 of the parallel part is separated from the propeller face position 103 by 4% of the length C of the full length C to the right side of FIG.
  • the reference point of +/- in the x-axis direction is the propeller plane position 103, so that even if the installation position of the duct 100 or the installation position of the propeller is changed even in the same duct shape, the position of the reference point is also changed. This changes the values of M / C and N / C and changes the efficiency.
  • the parallel portion 111 adjacent to the propeller 300 must maintain a constant length to improve efficiency. Therefore, the M / C value of the front region M of the parallel portion 111 relative to the full length C is less than -4.0%, or the N / C of the rear region N of the parallel portion 111 relative to the full length C. When the value exceeds -10.0%, the length of the parallel part 111 is narrow, so that the efficiency improvement effect may be insignificant.
  • the first distance F between the parallel portion 111 and the nose 104 and the second distance K between the parallel portion 111 and the tail 108 are operated by the ship.
  • % range compared to the electric field (C) that can maximize thrust performance based on the results of three-dimensional computational fluid analysis (CFD). / C).
  • FIG. 4 shows a trend of change in propeller efficiency according to the electric field contrast range for the first distance between the parallel portion and the nose and the electric field contrast range for the second distance between the parallel portion and the tail in the duct shown in FIG. It is a graph.
  • the graph longitudinal axis of FIG. 4 shows the propeller efficiency ⁇ 0 (Merit coefficient) (graph longitudinal axis) under bollard conditions.
  • the graph abscissa of FIG. 4 shows and% range (F / C) with respect to full length C with respect to 1st distance F.
  • the% range K / C versus the total length C for the second distance K is shown.
  • the cross-sectional shape of the duct 100 of the present embodiment is 18.0% to 30.0% of the total length C from the parallel portion 111 to the nose 104 in the range (F / C). It may include one distance (F) and the second distance (K) in the range (K / C) of 4.0% ⁇ 10.0% of the total length (C) from the parallel portion 111 to the tail 108.
  • FIG. 5 is a graph showing a bollard (Bollard) performance curve (Power-thrust) between the duct and the comparative example shown in FIG.
  • the airfoil cross section of the duct described above was used, and for comparison of Bollard performance, a marine 19A airfoil was used as a comparative example.
  • the Bollard (Power-thrust) for each airfoil cross section according to the present embodiment and the comparative example can be obtained through a model test (bath test).
  • FIG. 6 is a graph showing a correlation curve between ship speed and required horsepower between the duct and the comparative example shown in FIG. 1.
  • the present embodiment compared to the same horsepower required (DHP) can be faster than the comparative example, or compared to the same speed compared to the comparative example, it can be seen that the performance improvement was achieved by requiring a smaller horsepower.
  • FIG. 7 is a graph showing respective propulsion performance characteristic curves obtained by a water tank test in order to compare and verify the performance of the duct shown in FIG. 1 and the comparative example.
  • the graph abscissa represents the change trend for the propeller forward ratio J
  • the graph ordinate represents the thrust Kt, the torque 10Kq, and the efficiency ⁇ O.
  • the duct of this example has reduced torque (10Kq) in all the forward coefficient (J) regions compared to the 19A airfoil of the comparative example.
  • FIG 8 is a perspective view showing a propulsion device of a ship according to a second embodiment of the present invention
  • Figure 9 is a front view showing a propulsion device of a ship according to a second embodiment of the present invention
  • Figure 10 is a second view of the present invention
  • Figure 11 is an exemplary view showing a duct of the propulsion device according to a second embodiment of the present invention.
  • the propulsion apparatus includes a hub 200 receiving power from a main shaft (not shown) of the hull, and a main blade installed on a circumferential surface of the hub 200.
  • the propeller 300 including the 310 and the sub blade 320 and a duct 100 installed to surround the propeller 300 may be included.
  • the hub 200 is coupled to the gear case 10 in which the main shaft of the hull is built so as to be rotatable by the main shaft, the propeller 300 receives the power of the main engine (not shown) of the hull through the main shaft. Can provide thrust.
  • Hub 200 may be formed in the form of a taper (taper) is gradually reduced in radius toward the rear of the propulsion device, the cap 210 may be coupled to the rear end of the hub (200). Cap 210 is tapered toward the rear, it is possible to smoothly flow the fluid passing through the propeller 300 along the side of the cap.
  • taper taper
  • Cap 210 is tapered toward the rear, it is possible to smoothly flow the fluid passing through the propeller 300 along the side of the cap.
  • the outer circumferential surface of the hub 200 may be provided with a propeller 300 that can effectively reduce the vortex (W) is induced around the hub (200).
  • the propeller 300 may include a main blade 310 and a sub blade 320 spaced apart from each other along the axial direction (X direction) of the main shaft on the outer surface of the hub 200.
  • the main blade 310 may be a plurality of wings arranged radially spaced apart from the front outer peripheral surface of the hub (200).
  • the main blade 310 may have a airfoil cross section, and the shape and number of the main blades 310 may be variously changed according to propeller efficiency, cavitation depending on load, and the surrounding environment.
  • the sub blade 320 may be a plurality of wings arranged radially spaced apart from the main blade 310 in the rear outer peripheral surface of the hub 200 spaced rearward of the main shaft 310 from the main blade 310. have. However, the sub blade 320 may be installed anywhere, such as the space between the hub 200 and the cap 210 or the hub 200 and the cap 210 if the main blade 310 is spaced rearward from the main shaft 310. Do.
  • the sub blade 320 may be formed of a wing having a smaller size than the main blade 310, and the sub blade 320 may be installed to be inclined to the rear of the main shaft.
  • the inclination of the rear means that the rear end of the sub blade 320 is located behind the main shaft.
  • the sub-blade 320 is capable of absorbing rotational components under low forward ratio conditions, such as a bollard state in which only the propeller rotates at the rated RPM, and thus, absorbs vortices W induced around the hub 200. At the same time, the propulsion efficiency can be improved by reducing the torque of the hub 200.
  • the sub blade 320 may have an inclination angle B that is inclined in the range of 0.1 to 27 degrees to the rear of the main axis in the vertical direction of the main axis, and the hub 200 is in the axial direction of the main axis on the outer surface of the hub 200. It may have an inclination angle (H) inclined in the range of 10 to 18 degrees in (-X axis direction).
  • FIG. 12 is a graph showing a change in efficiency according to the inclination ratio (B / H) of the sub-blade according to the second embodiment of the present invention as a curve.
  • the inclination ratio (B / H) of the sub-blade 320 should be maintained in the range of 0.25 to 1.5 to improve the propeller efficiency.
  • the inclination ratio B / H of the sub blade 320 is less than 0.25 or the inclination ratio B / H exceeds 1.5, effectively reducing the vortices W induced around the hub 200 may be reduced. It may be difficult to improve the propeller efficiency.
  • the propeller efficiency ( ⁇ 0 , Merit coefficient) is calculated using Equation 1 described above by considering performance under towing and position control conditions as an important design condition, such as a duct propeller and an azimuth propeller. Can be.
  • FIG. 13 is a graph illustrating a change in efficiency according to a radius ratio A / C of a sub blade according to the second exemplary embodiment of the present invention.
  • the radius ratio (A / C) of the subblade 320 was determined. ) Maintains an upward curve at 0.3, has a maximum propeller efficiency at 0.5, and rapidly decreases after 0.7.
  • A may be defined as the radial length of the sub blade 320
  • C may be defined as the full length of the duct 100.
  • the position E of the sub blade 320 is Excellent performance can be realized when located in the range (E P ⁇ E P + 0.5C) within 0.5C (half of the full length of the duct) from the position E P of the main blade 310 to the rear of the main shaft. can confirm. That is, the axial direction (-X axis direction) position E of the subblade 320 draws a gentle downward curve from the position E P of the main blade to the position E P + 0.5C to the rear of the main axis. When it drops sharply.
  • E may be defined as the X-direction position of the sub blade 320
  • E P may be defined as the X-direction position of the main blade 320
  • C may be defined as the full length of the duct 100. have.
  • FIG. 15 is a perspective view showing a propulsion device of a ship according to a comparative example compared to the propulsion device shown in FIG. 8 to compare the second distance K distribution
  • FIG. 16 is a propulsion device of FIG. 8 and propulsion of FIG. 15.
  • FIG. 17 is a characteristic of each propulsion performance obtained by a water tank test in order to compare and verify the performance between the propulsion device of FIG. 8 and the propulsion device of FIG. 15.
  • a marin 19A airfoil, a duct 100 of the same type as a ducted azimuth thrust was used as a comparative example for Bollard performance comparison.
  • the Bollard (Power-thrust) for each airfoil cross section according to the present embodiment and the comparative example can be obtained through a model test (bath test).
  • the present embodiment in which the sub blade 320 is provided has a bollard condition of about 4.0% compared to the comparative example without the sub blade 320. It can be seen that the thrust in the (bollard condition) is improved.
  • the duct 100 of the present embodiment reduced the torque Kq in all the forward coefficients J region compared with the 19A airfoil of the comparative example.
  • the present invention provides a main blade and a sub blade in the hub to improve the circumferential flow of the duct and the propeller, to reduce the vortices generated by the propeller, to reduce the torque required to rotate the propeller, and to propel
  • the efficiency can be improved, and the thrust under the bollard conditions can be improved to effectively reduce the vortices induced around the hub, and the propulsion efficiency can be improved by reducing the torque of the spindle.
  • FIG. 18 is an exemplary view showing a duct of a propulsion device according to a third embodiment of the present invention.
  • the duct 100 according to the third embodiment is arranged to align in the axial direction of the main axis and surround the hub 200 based on the axial direction (X axis) of the main axis. It may have the same cross-sectional shape along the entire circumference of the 100.
  • the duct 100 is a design factor optimized to improve the efficiency of the duct type propulsion device in consideration of all the operational characteristics of the ship, such as drill ships or offshore structures, the position control characteristics of the vessel and the towing characteristics of other vessels trapped in the ice It may include an outer surface (G1) and the inner surface (G2) of the duct 100 having a.
  • the cross-sectional shape of the duct 100 connects the nose 104 which is the front vertex of the airfoil cross section, the tail 108 which is the rear vertex of the airfoil cross section, and connects the nose 104 and the tail 108. It may include a ship line 105 which is a straight line. And the cross-sectional shape of the duct 100 is a duct 100 having a front portion 113 formed convexly above the front end of the chord line 105, and a rear portion 112 formed concave below the rear end of the Hyunseon line 105. It may include the outer surface (G1) of).
  • the front portion 113 of the outer surface (G1) of the duct 100 may mean a curved surface from the point where the chord line 105 meets the outer surface (G1) of the duct 100 to the nose (104).
  • the rear portion 112 of the outer surface G1 of the duct 100 may mean a curved surface from the point where the chord line 105 meets the outer surface G1 of the duct 100 to the tail 108.
  • the front portion 113 and the rear portion 112 may be connected by transitioning before and after the point where the sag line 105 meets the outer surface G1 of the duct 100. In this way, the front portion 113 of the outer surface G1 of the duct 100 is convexly formed above the front end of the chord line 105.
  • the front portion of the outer surface of the duct 100 has a convex shape formed convexly above the tip line, the flow flowing into the propeller 300 may be accelerated. Due to this acceleration effect, it is possible to improve the duct 100 thrust and reduce the propeller 300 torque. And since the rear portion 112 of the outer surface (G1) of the duct 100 is formed concave below the rear end of the chord line 105, the flow of the rear outer region flows smoothly in the tail direction of the duct 100, Forming a vortex in the tail can exhibit the effect of improving the duct 100 thrust.
  • the cross-sectional shape of the duct 100 is a parallel portion 111 parallel to the axial direction (X axis) of the main axis, and the first distance F in the Y-axis direction from the parallel portion 111 to the nose 104.
  • the duct 100 inner surface front portion 106 which is a curved surface projecting gently from the starting point 109 of the parallel portion 111 to the nose 104, is smaller than the first distance F and is parallel.
  • 100 may include an inner surface G2 of the duct 100 formed of an inner surface rear portion 107.
  • the cross-sectional shape of the duct 100 of the present embodiment is the front region M of the parallel portion 111 having a range (M / C) of -4.0% to 14.0% of the full length C from the propeller face position 103. ) And the rear region N of the parallel portion 111 having a range (N / C) of -30.0% to -10.0% relative to the full length C from the propeller face position 103.
  • the efficiency can be improved by maintaining a constant length of the parallel part 111 adjacent to the propeller 300 in the duct 100, M / C which is the front region M of the parallel part 111 compared to the electric field C.
  • M / C which is the front region M of the parallel part 111 compared to the electric field C.
  • the cross-sectional shape of the duct 100 of this embodiment is parallel to the 1st distance F of 18.0%-30.0% of range (F / C) with respect to the electric field C from the parallel part 111 to the nose 104, and is parallel. From the portion 111 to the tail 108 may include a second distance (K) in the range (K / C) of 4.0% ⁇ 10.0% of the total length (C).

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Abstract

선박의 추진장치가 소개된다. 선박의 추진장치는 익형 단면의 앞쪽 꼭지점인 노즈와, 익형 단면의 뒤쪽 꼭지점인 테일을 갖는 덕트를 포함하고, 덕트의 단면 형상은, 덕트의 전단에서 상방향으로 볼록하게 형성되고 상기 덕트의 후단에서 하방향으로 오목하게 형성된 외면과, 덕트의 전단에서 하방향으로 볼록하게 형성되는 덕트 내면 전방부와 덕트의 후단에서 하방향으로 볼록하게 형성되는 덕트 내면 후방부와 덕트 내면 전방부 및 덕트 내면 후방부를 평행하게 연결하는 평행부를 포함할 수 있다.

Description

선박의 추진장치
본 발명은 선박의 추진장치에 관한 것으로, 덕트에 유입되는 유동 특성에 맞는 덕트 단면을 갖고, 크기가 서로 다른 블레이드를 이용하여 허브 주위에서 유기되는 와류를 저감할 수 있는 선박의 추진장치에 관한 것이다.
선박의 조종 성능 및 추진 효율에 대한 관심이 증대되면서 선박에 부착된 메인 추진 장치 및 보조 추진 장치에 대한 관심이 점차 커지고 있다. 예컨대, 드릴쉽(Drillship, 시추선) 등과 같은 선박에는 고속 또는 저속으로 운항하는 항해시, 또는 정밀한 위치 제어, 또는 다른 선박을 예인하기 위하여, 추력을 발생시키는 아지무스 스러스터(azimuth thruster)가 사용되고 있다.
아지무스 스러스터는 용도에 따라 덕트(duct)를 가지지 않는 개방형 추진기(예: 프로펠러)와, 프로펠러 주위에 익형 단면의 덕트를 구비한 덕트형 추진기가 있다.
이러한 아지무스 스러스터는 선체 내부에 위치한 수평방향으로 회전이 가능한 기어를 구비하여 모든 방위각, 즉 전방위에 대해 추력을 낼 수 있다. 그리고 드릴쉽이 시추작업을 하기 위해서는 파에 의한 표류력(wave-drift force), 바람에 의한 외력, 조류에 의한 외력 등의 환경하중에 대항하여 정확한 위치제어가(dynamic positioning, DP) 필수적으로 요구된다.
또한, 드릴쉽이 시추 현장까지 운항하기 위해서는 보조 추진 장치로서 아지무스 스러스터를 사용함에 따라, 아지무스 스러스터의 일반 운항 조건도 매우 중요하게 되었고, 운항 도중 큰 예인력을 필요로 하는 경우 예인 조건에 따라 큰 예인력을 발생시키는 것도 매우 중요할 수 있다.
특히, 프로펠러는 회전시 프로펠러의 후방 중앙부에 와류(vortices)가 집중 발생되는데, 이러한 와류는 프로펠러로 유입되는 유체의 압력을 저하시켜 선체 저항 방향으로 힘을 발생시키게 되며, 이로인해 프로펠러의 추진 효율이 감소될 수 있다.
이와 관련하여 "덕트 부착 스러스터 및 이를 구비한 선박(특허공개공보 제10-2012-0098941호)"이 참고될 수 있다.
이 종래 기술에서는 덕트의 단면 형상이 고속 항해 시에 덕트 전단부의 외면에 있어서 압력 변화를 억제하도록 표준 익형으로부터 바깥쪽으로 원호형 단면으로 팽출하는 팽출부를 전단부 외주에 구비하고 있으며, 저속 작업 시에 소정의 예인력을 발휘하도록 전연 방향이 넓어지는 개방각을 갖고 있는 것을 특징으로 하고 있다.
그러나, 종래 기술은 덕트 축(X축 또는 프로펠러의 회전축)과 평행인 덕트 내측면의 평행부로부터 각각 노즈(nose) 및 테일(tail)까지의 거리에 대한 내용이 부재되어 있고, 프로펠러의 블레이드의 끝단이 회전하여 그려나가는 추진기 면(Y-Z 평면: 프로펠러 회전 평면) 위치 기준으로 할 때, 평행부의 전방영역 및 후방영역이 어느 수치 범위를 갖는지 대한 중요 설계 인자를 알 수 없으므로, 상기 중요 설계 인자값이 전체 추력(thrust), 프로펠러 토크 및 스러스터 전체의 단독 효율에 어떠한 영향을 미치는지 알 수 없고, 이러한 특허문헌의 내용만으로는 더욱더 높은 추진 효율을 가지면서도, 동시에 정밀한 위치 조정 성능 및 고효율의 예인 성능을 발휘할 수 있는 추진 장치를 개발할 수 없다.
또한, 종래 기술은 단순히 바깥쪽으로 팽출된 팽출 형상과 전연 방향이 넓어지는 개방각에 대해서만 언급하고 있을 뿐, 프로펠러에 의해 발생되는 와류를 저감시키는 기술은 부재되어 있다. 이에 선박 또는 해양구조물이 거의 정지한 상태에서 프로펠러만이 정격 RPM으로 회전하는 볼라드(Bollard) 상태에서, 프로펠러의 후류의 회전성분을 흡수하기 어려울 수 있다.
본 발명의 실시예는 선박의 운항 성능, 위치 제어 성능 및 예인 성능을 향상시키고, 볼라드(Bollard) 상태에서, 허브 주위에 유기되는 와류를 저감시킬 수 있는 선박의 추진장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 익형 단면의 앞쪽 꼭지점인 노즈와, 상기 익형 단면의 뒤쪽 꼭지점인 테일을 갖는 덕트를 포함하고, 상기 덕트의 단면 형상은, 상기 덕트의 전단에서 상방향으로 볼록하게 형성되고 상기 덕트의 후단에서 하방향으로 오목하게 형성된 외면; 및 상기 덕트의 전단에서 하방향으로 볼록하게 형성되는 덕트 내면 전방부와, 상기 덕트의 후단에서 하방향으로 볼록하게 형성되는 덕트 내면 후방부와, 상기 덕트 내면 전방부 및 상기 덕트 내면 후방부를 평행하게 연결하는 평행부를 포함하는 내면을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 동력을 전달받는 주축 상에 배치되는 허브; 상기 허브의 외주면에 설치되는 메인 블레이드; 상기 메인 블레이드에서 상기 주축의 후방으로 이격되게 위치되고, 상기 허브의 외주면에서 상기 주축의 후방으로 경사지게 설치되는 서브 블레이드; 및 상기 메인 블레이드의 둘레에 배치되고, 익형 단면을 갖는 덕트를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 추진 장치용 덕트는 덕트 주위 유동 개선을 통한 성능 향상의 효과를 가진다. 예컨대, 본 발명의 실시예는 덕트 내측면의 평행부로부터 노즈 또는 테일간 사이의 제 1, 제 2 거리를 최적화 함으로써, 일반 운항 조건, 위치 제어 및 예인 조건을 모두 만족시킬 수 있고, 선박의 운항 성능, 위치 제어 성능 및 예인 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 추진기 면(Y-Z 평면) 위치(프로펠러 위치)를 기준으로 평행부 전방영역 및 후방영역에 의해 한정된 평행부를 가지고 있음에 따라, 볼라드 조건(bollard condition)시의 추력을 향상시켜서, 아이스 잼(ice jam)과 같은 정지 상태에서 출발시의 추력 발휘 성능, 또는 정지 상태에서 위치 조정 성능, 또는 빙해 중에 갇힌 다른 선박을 예인하기 위한 예인 성능을 극대화하면서도 일반 운항 성능도 함께 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 허브에 메인 블레이드 및 서브 블레이드를 마련하여 덕트 및 프로펠러의 주위 유동을 개선함으로써, 프로펠러에 의해 발생되는 와류를 저감시키고 프로펠러를 회전시키기 위해 필요한 토크를 감소시켜, 추진효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 볼라드 조건(bollard condition)시의 추력을 향상시킴으로써, 허브 주위에서 유기되는 와류를 효과적으로 저감하는 동시에, 주축의 토크 감소를 통해 추진 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 추진장치의 덕트를 보여주는 예시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 덕트의 2차원 전산유체해석(CFD) 결과에 따른 유선 분포를 도시한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 덕트에서 프로펠러 면 위치를 기준으로 전장 대비 평행부의 전방영역 및 후방영역의 범위에 따른 추진기 효율의 변화 경향을 도시한 그래프이다.
도 4는 도 1에 도시된 덕트에서 평행부와 노즈 사이의 제 1 거리에 대한 전장 대비 범위와, 평행부와 테일 사이의 제 2 거리에 대한 전장 대비 범위에 따른 추진기 효율의 변화 경향을 도시한 그래프이다.
도 5는 도 1에 도시된 덕트와 비교예간 볼라드(Bollard) 성능 곡선(Power-thrust)을 보인 그래프이다.
도 6은 도 1에 도시된 덕트와 비교예간 선속 및 필요마력의 상관관계 곡선을 보인 그래프이다.
도 7은 도 1에 도시된 덕트와 비교예의 성능을 비교 검증하기 위하여, 수조 시험에 의해 얻어진 각각의 추진 성능 특성 곡선을 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 선박의 추진장치를 보여주는 사시도이다.
도 9는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 선박의 추진장치를 보여주는 정면도이다.
도 10은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 선박의 추진장치를 보여주는 측면도이다.
도 11은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 추진장치의 덕트를 보여주는 예시도이다.
도 12는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 서브 블레이드의 경사비(B/H)에 따른 효율변화를 곡선으로 보인 그래프이다.
도 13은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 서브 블레이드의 반경비(A/C)에 따른 효율변화를 곡선으로 보인 그래프이다.
도 14는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 서브 블레이드의 위치(E/C) 범위에 따른 효율변화를 곡선으로 보인 그래프이다.
도 15는 제 2 거리(K) 분포를 비교하기 위해 도 8에 도시된 추진장치와 비교되는 비교예에 따른 선박의 추진장치를 보여주는 사시도이다.
도 16는 도 8의 추진장치와 도 15의 추진장치 간 볼라드(Bollard) 성능 곡선(Power-thrust)을 보인 그래프이다.
도 17은 도 8의 추진장치와 도 15의 추진장치 간 성능을 비교 검증하기 위하여, 수조 시험에 의해 얻어진 각각의 추진 성능 특성 곡선을 도시한 그래프이다.
도 18은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 추진장치의 덕트를 보여주는 예시도이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 본 발명의 일 실시예의 비교예는 표준 익형으로서, 덕트형 아지무스 스러스트와 같은 종류의 덕트에 있어서 공작성이 우수함으로써 일반적으로 채용되고 있는 마린(marin) 19A 익형(이하, 비교예로 호칭함)이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 추진장치의 덕트를 보여주는 예시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 덕트의 2차원 전산유체해석(CFD) 결과에 따른 유선 분포를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 제 1 실시예에 따른 추진장치는, 선체쪽의 기어 케이스 및 회전샤프트로부터 동력을 전달받는 허브(200)와, 허브(200)의 원주면을 따라 배열된 다수의 블레이드로 이루어진 프로펠러(300)와, 프로펠러(300)의 주위에 링형상의 덕트(100)를 포함할 수 있다.
덕트(100)의 단면 형상은 프로펠러(300)의 회전축(X축)을 기준으로 덕트(100)의 전체 둘레를 따라 동일한 단면 형상을 가질 수 있다.
예컨대, 덕트(100)의 단면 형상은 드릴쉽 또는 해양구조물과 같은 선박의 운항 특성, 선박의 위치 제어 특성 및 빙해 중에 갇힌 다른 선박의 예인 특성을 모두 고려하여 덕트형 추진 장치의 효율을 향상시킬 수 있도록 최적화된 설계 인자를 갖는 덕트(100)의 외면(G1) 및 내면(G2)을 포함할 수 있다.
덕트(100)의 단면 형상은 베르누이 정리(Bernoulli's theorem)에 따라 양력(揚力)이 생기도록 되어 익형 단면으로서, 덕트(100)의 익형 단면의 앞쪽 꼭지점인 노즈(104)(nose); 익형 단면의 뒤쪽 꼭지점인 테일(108)(tail); 및 노즈(104)와 테일(108)을 연결하는 직선분인 익현선(105)을 포함할 수 있다.
덕트(100)의 단면 형상은 익현선(105)의 전단 위쪽에서 볼록하게 형성된 전방부(113); 및 익현선(105)의 후단 아래쪽에서 오목하게 형성된 후방부(112)를 갖는 덕트(100)의 외면(G1)을 포함할 수 있다.
여기서, 덕트(100)의 외면(G1)의 전방부(113)는 익현선(105)이 덕트(100)의 외면(G1)에 만나는 지점으로부터 노즈(104)까지의 곡면을 의미할 수 있다.
또한, 덕트(100)의 외면(G1)의 후방부(112)는 익현선(105)이 덕트(100)의 외면(G1)에 만나는 지점으로부터 테일(108)까지의 곡면을 의미할 수 있다.
전방부(113)와 후방부(112)는 익현선(105)이 덕트(100)의 외면(G1)에 만나는 지점의 전후에서 자연스럽게 천이되어서 연결될 수 있다.
이렇게 덕트(100)의 외면(G1)의 전방부(113)는 익현선(105)의 전단 위쪽에서 볼록하게 형성되어 있다.
도 2를 참조하면, 볼라드 조건(bollard condition)에서, 도면부호 'J1'로 표시한 전방 외측 영역의 유동이 덕트의 노즈 방향으로 흘러가는 패턴을 보이고 있다. 따라서 덕트의 외면의 전방부가 익현선 위쪽으로 볼록하게 형성된 형상적 특징을 갖고 있음으로써, 프로펠러로 유입되는 유동이 가속되는 것을 알 수 있다. 이러한 가속 효과로 인하여 덕트 추력 향상 및 프로펠러 토크 감소가 가능하다.
한편, 도 1을 재 참조하면, 덕트(100)의 외면(G1)의 후방부(112)는 익현선(105)의 후단 아래쪽에서 오목하게 형성되어 있다.
도 2를 재 참조하면, 볼라드 조건(bollard condition)에서, 'J2'로 표시한 후방 외측 영역의 유동이 덕트의 테일 방향으로 원활하게 흘러가고, 테일에서 와류를 형성하여 덕트 추력을 향상시키는 효과를 나타낸다.
또한, 도 1을 참조하면, 덕트(100)의 단면 형상은 프로펠러(300)의 회전축(X축)과 익현선(105)이 이루는 각도인 받음각(α)을 가질 수 있다. 여기서, 덕트(100)의 받음각(α)은 5° ~ 20°중에서 선택된 어느 하나의 각도를 가질 수 있다.
또한, 덕트(100)의 단면 형상은 프로펠러(300)의 회전축(X축)과 평행한 평행부(111); 평행부(111)로부터 노즈(104)까지 Y축 방향의 제 1 거리(F)에 대응한 범위 내에서, 평행부(111)의 시작점(109)으로부터 노즈(104)까지 완만하게 돌출된 곡면인 덕트 내면 전방부(106); 및 제 1 거리(F)에 비해 작되 평행부(111)로부터 테일(108)까지 Y축 방향의 제 2 거리(K)에 대응한 범위 내에서, 평행부(111)의 끝점(110)으로부터 테일(108)까지 완만하게 돌출된 곡면인 덕트 내면 후방부(107)로 이루어진 덕트(100)의 내면(G2)을 포함할 수 있다.
또한, 평행부(111)는 프로펠러(300)가 회전할 때 그리는 원형면인 프로펠러 면(Y-Z 평면) 위치(103)를 기준으로 평행부(111)의 전방영역(M) 및 후방영역(N)도 선박의 운항 특성, 위치 제어 특성 및 예인 특성을 모두 고려한 중요한 덕트 설계 인자로서, 3차원 전산유체해석(CFD) 결과를 토대로 추력 성능을 극대화할 수 있는 전장(C)에 대비한 % 범위(M/C, N/C)로 한정될 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 덕트에서 프로펠러 면 위치를 기준으로 전장 대비 평행부의 전방영역 및 후방영역의 범위에 따른 추진기 효율의 변화 경향을 도시한 그래프이다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 3차원 전산유체해석(CFD)을 이용하여 프로펠러(10)가 장착된 선박의 위치 제어 특성 및 예인 특성을 알 수 있는 볼라드 조건(bollard condition)에서의 덕트(100)의 추진기 효율(η0, Merit coefficient)(그래프 종축)과, 전장(C) 대비 평행부(111)의 전방영역(M)의 범위(M/C)(그래프 횡축), 및 전장(C) 대비 평행부(111)의 전방영역(N)의 범위(N/C)(그래프 안쪽의 다수의 그래프)가 도시되어 있다.
여기서, 추진기 효율(η0, Merit coefficient)은 덕트형 프로펠러, 아지무스형 프로펠러 등과 같이, 예인이나 위치 제어 조건에서의 성능을 중요한 설계 조건으로 고려하여 하기의 [수학식 1]을 이용하여 구한 것일 수 있다.
비교예로서, 특허문헌에는 단순히 스러스터 전체의 단독 효율[=KttJ/(2πKq)]로 구한 반면, 본 실시예에서는 하기의 [수학식 1]에 의해 구한 것으로서, 프로펠러 추력, 덕트 추력, 프로펠러 토크, 프로펠러 직경, 프로펠러 회전수, 및 유체(예: 청수)의 밀도를 변수로 한 예인 조건 및 위치 제어 조건이 고려된 것이다.
[수학식 1]
η0=((KTT/π)3/2)/KQ
여기서, KTT=KT-propeller+KT-duct이고,
KT-propeller=TP/(ρ*n2*DP 4)이고,
KT-duct=TD/(ρ*n2*DP 4)이고,
KQ=Q/(ρ*n2*DP 5)임.
상기 [수학식 1]에서 η0는 추진기 효율(Merit coefficient), TP는 프로펠러 추력이고, TD는 덕트 추력이고, Q는 프로펠러 토크이고, DP는 프로펠러 직경이고, n은 프로펠러 회전수이고, ρ는 유체(예: 청수)의 밀도이다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 본 실시예의 덕트(100)의 단면 형상은, 프로펠러 면 위치(103)로부터 전장(C) 대비 -4.0% ~　14.0% 범위(M/C)를 갖는 평행부(111)의 전방영역(M)과, 프로펠러 면 위치(103)로부터 전장(C) 대비 -30.0% ~　-10.0% 범위(N/C)를 갖는 평행부(111)의 후방영역(N)을 포함할 수 있다. 여기서 -값은 x축 방향에서 프로펠러 면 위치(103)를 원점으로 하였을 때의 -방향을 의미한다. 즉, M/C 값이 -4.0%인 경우에는 평행부의 시작점(109)이 프로펠러 면 위치(103)로부터 도 1의 오른쪽으로 전장(C) 길이의 4%만큼 떨어져 있다는 것을 의미한다. 여기서 x축 방향의 +/-의 기준점은 프로펠러 면 위치(103)이므로, 동일한 덕트 형상이라도 덕트(100)의 설치 위치 또는 프로펠러의 설치 위치가 변경되면 기준점의 위치도 변경된다. 이에 따라 M/C와 N/C의 값이 달라지고 효율도 변경된다.
특히, 덕트(100)에서 프로펠러(300)와 인접하는 평행부(111)가 일정한 길이를 유지하여야 효율이 향상될 수 있다. 따라서 전장(C) 대비 평행부(111)의 전방영역(M)인 M/C 값이, -4.0% 미만이거나, 전장(C) 대비 평행부(111)의 후방영역(N)인 N/C 값이 -10.0%를 초과하는 경우 평행부(111)의 길이가 협소하여 효율 향상 효과가 미미할 수 있다.
또한, 도 1을 참조하면, 평행부(111)로부터 노즈(104) 사이의 제 1 거리(F)와, 평행부(111)로부터 테일(108) 사이의 제 2 거리(K)는 선박의 운항 특성뿐만 아니라, 위치 제어 특성 및 예인 특성을 모두 고려한 중요한 덕트 설계 인자로서, 3차원 전산유체해석(CFD) 결과를 토대로 추력 성능을 극대화할 수 있는 전장(C) 대비 % 범위(F/C, K/C)로 한정될 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 덕트에서 평행부와 노즈 사이의 제 1 거리에 대한 전장 대비 범위와, 평행부와 테일 사이의 제 2 거리에 대한 전장 대비 범위에 따른 추진기 효율의 변화 경향을 도시한 그래프이다.
도 4의 그래프 종축은 볼라드 조건(bollard condition)에서의 추진기 효율(η0, Merit coefficient)(그래프 종축)을 나타낸다. 또한 도 4의 그래프 횡축은 및 제 1 거리(F)에 대한 전장(C) 대비 % 범위(F/C)를 나타낸다. 또한, 도 4의 그래프 안쪽에는 제 2 거리(K)에 대한 전장(C) 대비 % 범위(K/C)가 도시되어 있다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 본 실시예의 덕트(100)의 단면 형상은, 평행부(111)로부터 노즈(104)까지 전장(C) 대비 18.0% ~　30.0% 범위(F/C)의 제 1 거리(F)와, 평행부(111)로부터 테일(108)까지 전장(C) 대비 4.0% ~　10.0% 범위(K/C)의 제 2 거리(K)를 포함할 수 있다.
도 5는 도 1에 도시된 덕트와 비교예간 볼라드(Bollard) 성능 곡선(Power-thrust)을 보인 그래프이다.
도 5의 결과를 도출하기 위해서, 앞서 설명한 덕트의 익형 단면이 사용되었고, 볼라드(Bollard) 성능 비교를 위하여, 비교예로서 마린(marin) 19A 익형이 사용되었다. 또한, 본 실시예 및 비교예에 따른 각 익형 단면에 대한 볼라드(Bollard) 성능 곡선(Power-thrust)은 모형시험(수조 시험)을 통해 얻을 수 있다.
이런 볼라드(Bollard) 성능 곡선(Power-thrust)을 살펴본 결과 본 실시예에 따른 덕트의 익형 단면은 비교예에 비해 약 6.0% 정도로 볼라드 조건(bollard condition)시의 추력이 향상된 것으로 확인될 수 있다.
도 6은 도 1에 도시된 덕트와 비교예간 선속 및 필요마력의 상관관계 곡선을 보인 그래프이다.
도 6의 비교예와 본 실시예의 익형 단면간 선속 및 필요마력의 상관관계 곡선을 통해서 알 수 있듯이, 일반 운항 조건에서도 약 4.6% 정도의 성능 개선이 되었음을 알 수 있다.
예컨대, 동일한 필요마력(DHP) 대비 본 실시예는 비교예에 비하여 더 빠른 속도를 낼 수 있거나, 동일한 속도 대비 비교예에 비하여 더 작은 필요마력을 요구하여 성능 개선이 이루어졌음을 알 수 있다.
도 7은 도 1에 도시된 덕트와 비교예의 성능을 비교 검증하기 위하여, 수조 시험에 의해 얻어진 각각의 추진 성능 특성 곡선을 도시한 그래프이다.
도 7의 그래프에서, 그래프 횡축은 추진기 전진비(J)에 대한 변화 경향을 나타내고, 그래프 종축은 추력(Kt), 토크(10Kq), 효율(ηO)을 나타낸다.
도 7을 참조하면, 본 실시예의 덕트는 비교예의 19A 익형과 비교하여 모든 전진계수(J) 영역에서 토크(10Kq)가 감소하였다.
특히 볼라드 영역(J=0)에서의 10Kq, Kt 결과를 이용하여 동일 엔진 마력으로 계산 시 약 6% 추력을 더 발생(Kq : 약 7% 감소, Kt : 약 1% 감소)시키며, 일반 운항 조건인 전진계수(J) 0.4이상의 영역에서는 4.0% ~ 7.0%의 단독 효율(ηO) 향상 효과를 나타내고 있다. 즉, 덕트의 흡인력 증가로 인하여 프로펠러로 유입되는 유속이 증가되고, 이는 프로펠러의 토크(10Kq)를 감소시켜 모든 전진계수(J) 영역에서 효율이 향상되었음을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 선박의 추진장치를 보여주는 사시도이고, 도 9는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 선박의 추진장치를 보여주는 정면도이고, 도 10은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 선박의 추진장치를 보여주는 측면도이며, 도 11은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 추진장치의 덕트를 보여주는 예시도이다.
도 8 내지 도 11을 참조하면, 제 2 실시예에 따른 추진장치는, 선체의 주축(미도시)으로부터 동력을 전달받는 허브(200)와, 허브(200)의 원주면에 설치되는 메인 블레이드(310) 및 서브 블레이드(320)를 포함하는 프로펠러(300)와, 프로펠러(300)의 주위를 두르도록 설치되는 덕트(100)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 허브(200)는 주축에 의해 회전 가능하도록 선체의 주축이 내장된 기어 케이스(10)에 결합되고, 주축을 매개로 선체의 주 엔진(미도시)의 동력을 전달받아 프로펠러(300)에 추력을 제공할 수 있다.
허브(200)는 추진장치의 후방을 향하여 반경이 점차 감소하는 테이퍼(taper) 형태로 형성될 수 있고, 허브(200)의 후단부에는 캡(210)이 결합될 수 있다. 캡(210)은 후방을 향해 테이퍼지게 형성되어, 프로펠러(300)를 통과하는 유체를 캡의 측면을 따라 원활하게 유동시킬 수 있다.
허브(200)의 외주면에는 허브(200) 주위에서 유기되는 와류(W)를 효과적으로 저감시킬 수 있는 프로펠러(300)가 설치될 수 있다.
프로펠러(300)는 허브(200)의 외면상에서 주축의 축방향(X방향)을 따라 이격되게 배치되는 메인 블레이드(310)와, 서브 블레이드(320)를 포함할 수 있다.
메인 블레이드(310)는 허브(200)의 전방측 외주면에서, 방사방향으로 이격되게 배열되는 다수개의 날개일 수 있다. 이 메인 블레이드(310)는 익형 단면을 갖을 수 있으며, 메인 블레이드(310)의 형상 및 개수는 추진기 효율, 하중에 따른 캐비테이션 및 주변 환경 등에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
서브 블레이드(320)는 메인 블레이드(310)에서 주축의 후방으로 이격된 허브(200)의 후방측 외주면에서, 메인 블레이드(310)와 교호로 배치되도록 방사방향으로 이격되게 배열되는 다수개의 날개일 수 있다. 다만, 서브 블레이드(320)는 메인 블레이드(310)에서 주축의 후방으로 이격된 위치이면 허브(200)뿐만 아니라 캡(210) 또는 허브(200)와 캡(210) 사이의 공간 등 어디에도 설치가 가능하다.
서브 블레이드(320)는 메인 블레이드(310)와 비교하여 작은 크기의 날개로 이루어질 수 있고, 서브 블레이드(320)는 주축의 후방으로 경사지게 설치될 수 있다. 여기서, 후방으로 경사지게 설치된다는 의미는 서브 블레이드(320)의 선단보다 후단이 주축의 후방에 위치한다는 것을 의미한다.
이러한 서브 블레이드(320)는 프로펠러만이 정격 RPM으로 회전하는 볼라드(Bollard) 상태와 같이, 전진비가 낮은 조건 하에서, 회전성분을 흡수할 수 있으므로, 허브(200) 주위에서 유기되는 와류(W)를 효과적으로 저감시킬 수 있는 동시에, 허브(200)의 토크 감소를 통해 추진효율을 향상시킬 수 있다.
예컨대, 서브 블레이드(320)는 주축의 수직 방향에서 주축의 후방으로 0.1~27도 범위로 기울어지는 기울임 각도(B)를 갖을 수 있고, 허브(200)는 허브(200) 외면에서 주축의 축 방향(-X축 방향)으로 10~18도 범위로 기울어지는 기울임 각도(H)를 갖을 수 있다.
도 12는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 서브 블레이드의 경사비(B/H)에 따른 효율변화를 곡선으로 보인 그래프이다.
특히, 도 12를 참조하면, 서브 블레이드(320)의 경사비(B/H)는 0.25 ~ 1.5 범위를 유지해야 추진기 효율이 향상될 수 있다. 예컨대, 서브 블레이드(320)의 경사비(B/H)가 0.25 미만이거나, 경사비(B/H)가 1.5를 초과하는 경우, 허브(200) 주위에서 유기되는 와류(W)를 효과적으로 저감시키기 어려워져 추진기 효율의 향상 효과가 미미할 수 있다.
여기서, 추진기 효율(η0, Merit coefficient)은 덕트형 프로펠러, 아지무스형 프로펠러 등과 같이, 예인이나 위치 제어 조건에서의 성능을 중요한 설계 조건으로 고려하여 상술한 [수학식 1]을 이용하여 구해질 수 있다.
도 13은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 서브 블레이드의 반경비(A/C)에 따른 효율변화를 곡선으로 보인 그래프이다.
도 13를 참조하면, 모형시험 및 CFD 계산을 이용하여 서브 블레이드(320)의 반경 변화에 따른 볼라드 조건(bollard condition)에서 추진기 효율을 고찰한 결과, 서브 블레이드(320)의 반경비(A/C)는 0.3에서 상승 곡선을 유지하고 0.5에서 최대 추진기 효율을 가지며, 0.7이후 급격히 저하되는 것을 확인할 수 있다.
예컨대, 서브 블레이드(320)의 반경비(A/C)는 0.3 ~ 0.7범위일 때, 최적화된 추진기 효율의 향상 효과를 발휘할 수 있다. 여기서, 도 4를 참고하면, A는 서브 블레이드(320)의 반경 길이로 정의될 수 있고, C는 덕트(100)의 전장 길이로 정의될 수 있다.
도 14는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 서브 블레이드의 위치(E/C) 범위에 따른 효율변화를 곡선으로 보인 그래프이다.
도 14를 참조하면, 덕트(100)의 앞쪽 꼭지점에서 메인 블레이드(310) 위치까지의 축 방향(-X축 방향)거리를 EP라고 정의할 때, 서브 블레이드(320)의 위치(E)는 메인 블레이드(310)의 위치(EP)부터 주축의 후방으로 0.5C (덕트 전장길이의 절반) 이내의 범위(EP ~ EP+0.5C)에 위치할 때, 우수한 성능이 구현될 수 있음을 확인할 수 있다. 즉, 서브 블레이드(320)의 축 방향(-X축 방향) 위치(E)는 메인블레이드의 위치(EP)에서 주축의 후방으로 EP+0.5C 위치까지는 완만한 하양곡선을 그리다가 그 이후가 되면 급격이 떨어진다. 여기서, E는 서브 블레이드(320)의 X방향 위치로 정의될 수 있고, EP는 메인블레이드(320)의 X방향 위치로 정의될 수 있고, C는 덕트(100)의 전장 길이로 정의될 수 있다.
도 15는 제 2 거리(K) 분포를 비교하기 위해 도 8에 도시된 추진장치와 비교되는 비교예에 따른 선박의 추진장치를 보여주는 사시도이고, 도 16는 도 8의 추진장치와 도 15의 추진장치 간 볼라드(Bollard) 성능 곡선(Power-thrust)을 보인 그래프이며, 도 17은 도 8의 추진장치와 도 15의 추진장치 간 성능을 비교 검증하기 위하여, 수조 시험에 의해 얻어진 각각의 추진 성능 특성 곡선을 도시한 그래프이다.
도 15 내지 도 17을 참조하면, 볼라드(Bollard) 성능 비교를 위하여, 비교예로서 덕트형 아지무스 스러스트와 같은 종류의 덕트(100)인 마린(marin) 19A 익형이 사용되었다. 또한, 본 실시예 및 비교예에 따른 각 익형 단면에 대한 볼라드(Bollard) 성능 곡선(Power-thrust)은 모형시험(수조 시험)을 통해 얻을 수 있다.
도 15에서 보듯이, CFD 해석을 통해 볼라드(Bollard) 조건시 프로펠러(300) 허브(200) 근처에서 유기되는 비교예에 따른 추진장치의 와류(W) 상태를 살펴보면, 본 실시예인 도 8의 추진장치보다, 비교예의 프로펠러(300) 및 허브(200) 근처에서 유기되는 와류(W)가 증가된 것을 확인할 수 있다.
도 16에서 보듯이 볼라드(Bollard) 성능 곡선(Power-thrust)을 살펴본 결과, 서브 블레이드(320)가 마련된 본 실시예는, 서브 블레이드(320)가 없는 비교예에 비하여, 약 4.0% 정도로 볼라드 조건(bollard condition)시의 추력이 향상된 것을 확인할 수 있다
또한, 본 실시예와 같이 서브 블레이드(320)가 존재하는 경우, 추진기의 전체 추력은 거의 유지되면서 프로펠러(300)의 토크가 모든 전진비 영역에 걸쳐서 감소하는 것을 확인할 수 있다.
도 17에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 덕트(100)는 비교예의 19A 익형과 비교하여 모든 전진계수(J) 영역에서 토크(Kq)가 감소하였다.
특히, 볼라드 영역(J=0)에서의 Kq 결과를 이용하여 동일 엔진 마력으로 계산 시 약 2.5% 추력을 더 발생시키며, 일반 운항 조건인 전진계수(J) 0.4이상의 영역에서는 5.0%의 효율(ηO) 향상 효과를 나타내고 있다. 즉, 서브 블레이드(320)와 덕트(100)의 흡인력 증가로 인하여 프로펠러(300)로 유입되는 유속이 증가되고, 이는 프로펠러(300)의 토크(Kq)를 감소시켜 모든 전진계수(J) 영역에서 효율이 향상되었음을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 허브에 메인 블레이드 및 서브 블레이드를 마련하여 덕트 및 프로펠러의 주위 유동을 개선하여, 프로펠러에 의해 발생되는 와류를 저감시키고, 프로펠러를 회전시키기 위해 필요한 토크를 감소시켜, 추진효율을 향상시킬 수 있으며, 볼라드 조건시의 추력을 향상시켜, 허브 주위에서 유기되는 와류를 효과적으로 저감하는 동시에, 주축의 토크 감소를 통해 추진 효율을 향상시킬 수 있는 등의 우수한 장점을 갖는다.
도 18은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 추진장치의 덕트를 보여주는 예시도이다.
한편, 도 18을 참조하면, 제 3 실시예에 따른 덕트(100)는, 주축의 축 방향으로 정렬되고, 주축의 축방향(X축)을 기준으로 허브(200)를 두르도록 설치되고, 덕트(100)의 전체 둘레를 따라 동일한 단면 형상을 가질 수 있다.
덕트(100)는 드릴쉽 또는 해양구조물과 같은 선박의 운항 특성, 선박의 위치 제어 특성 및 빙해 중에 갇힌 다른 선박의 예인 특성을 모두 고려하여 덕트형 추진 장치의 효율을 향상시킬 수 있도록 최적화된 설계 인자를 갖는 덕트(100)의 외면(G1) 및 내면(G2)을 포함할 수 있다.
특히, 덕트(100)의 단면 형상은 익형 단면의 앞쪽 꼭지점인 노즈(104: nose)와, 익형 단면의 뒤쪽 꼭지점인 테일(108: tail)과, 노즈(104)와 테일(108)을 연결하는 직선분인 익현선(105)을 포함할 수 있다. 그리고 덕트(100)의 단면 형상은 익현선(105)의 전단 위쪽에서 볼록하게 형성된 전방부(113)와, 익현선(105)의 후단 아래쪽에서 오목하게 형성된 후방부(112)를 갖는 덕트(100)의 외면(G1)을 포함할 수 있다.
여기서, 덕트(100)의 외면(G1)의 전방부(113)는 익현선(105)이 덕트(100)의 외면(G1)에 만나는 지점으로부터 노즈(104)까지의 곡면을 의미할 수 있다. 그리고 덕트(100)의 외면(G1)의 후방부(112)는 익현선(105)이 덕트(100)의 외면(G1)에 만나는 지점으로부터 테일(108)까지의 곡면을 의미할 수 있다.
전방부(113)와 후방부(112)는 익현선(105)이 덕트(100)의 외면(G1)에 만나는 지점의 전후에서 천이되어서 연결될 수 있다. 이렇게 덕트(100)의 외면(G1)의 전방부(113)는 익현선(105)의 전단 위쪽에서 볼록하게 형성되어 있다.
이와 같이, 덕트(100)의 외면의 전방부가 익현선 위쪽으로 볼록하게 형성된 형상적 특징을 갖고 있음으로써, 프로펠러(300)로 유입되는 유동이 가속될 수 있다. 이러한 가속 효과로 인하여 덕트(100) 추력 향상 및 프로펠러(300) 토크 감소가 가능하다. 그리고 덕트(100)의 외면(G1)의 후방부(112)가 익현선(105)의 후단 아래쪽에서 오목하게 형성되므로, 후방 외측 영역의 유동이 덕트(100)의 테일 방향으로 원활하게 흘러가고, 테일에서 와류를 형성하여 덕트(100) 추력을 향상시키는 효과를 나타낼 수 있다.
또한, 덕트(100)의 단면 형상은 주축의 축 방향(X축)과 평행한 평행부(111)와, 평행부(111)로부터 노즈(104)까지 Y축 방향의 제 1 거리(F)에 대응한 범위 내에서, 평행부(111)의 시작점(109)으로부터 노즈(104)까지 완만하게 돌출된 곡면인 덕트(100) 내면 전방부(106)와, 제 1 거리(F)에 비해 작되 평행부(111)로부터 테일(108)까지 Y축 방향의 제 2 거리(K)에 대응한 범위 내에서, 평행부(111)의 끝점(110)으로부터 테일(108)까지 완만하게 돌출된 곡면인 덕트(100) 내면 후방부(107)로 이루어진 덕트(100)의 내면(G2)을 포함할 수 있다.
아울러, 본 실시예의 덕트(100)의 단면 형상은, 프로펠러 면 위치(103)로부터 전장(C) 대비 -4.0% ~　14.0% 범위(M/C)를 갖는 평행부(111)의 전방영역(M)과, 프로펠러 면 위치(103)로부터 전장(C) 대비 -30.0% ~　-10.0% 범위(N/C)를 갖는 평행부(111)의 후방영역(N)을 포함할 수 있다.
덕트(100)에서 프로펠러(300)와 인접하는 평행부(111)가 일정한 길이를 유지하여야 효율이 향상될 수 있으므로, 전장(C) 대비 평행부(111)의 전방영역(M)인 M/C 값이, -4.0% 미만이거나, 전장(C) 대비 평행부(111)의 후방영역(N)인 N/C 값이 -10.0%를 초과하는 경우 평행부(111)의 길이가 협소하여 효율 향상 효과가 미미하다.
그리고 본 실시예의 덕트(100)의 단면 형상은, 평행부(111)로부터 노즈(104)까지 전장(C) 대비 18.0% ~　30.0% 범위(F/C)의 제 1 거리(F)와, 평행부(111)로부터 테일(108)까지 전장(C) 대비 4.0% ~　10.0% 범위(K/C)의 제 2 거리(K)를 포함할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어 당업자는 각 구성요소의 재질, 크기 등을 적용 분야에 따라 변경하거나, 실시형태들을 조합 또는 치환하여 본 발명의 실시예에 명확하게 개시되지 않은 형태로 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것으로 한정적인 것으로 이해해서는 안되며, 이러한 변형된 실시예는 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 익형 단면의 앞쪽 꼭지점인 노즈와, 상기 익형 단면의 뒤쪽 꼭지점인 테일을 갖는 덕트를 포함하고,
    상기 덕트의 단면 형상은,
    상기 덕트의 전단에서 상방향으로 볼록하게 형성되고 상기 덕트의 후단에서 하방향으로 오목하게 형성된 외면; 및
    상기 덕트의 전단에서 하방향으로 볼록하게 형성되는 덕트 내면 전방부와, 상기 덕트의 후단에서 하방향으로 볼록하게 형성되는 덕트 내면 후방부와, 상기 덕트 내면 전방부 및 상기 덕트 내면 후방부를 평행하게 연결하는 평행부를 포함하는 내면을 포함하는 선박의 추진장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 외면은
    상기 노즈와 상기 테일을 연결하는 직선분인 익현선의 전단 위쪽에서 볼록하게 형성된 전방부와, 상기 익현선의 후단 아래쪽에서 오목하게 형성된 후방부를 포함하는 선박의 추진장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 덕트 내면 전방부는
    상기 평행부로부터 상기 노즈까지 Y축 방향의 제 1 거리에 대응한 범위 내에서, 상기 평행부의 시작점으로부터 상기 노즈까지 곡면이고,
    상기 덕트 내면 후방부는
    상기 제 1 거리에 비해 작되 상기 평행부로부터 상기 테일까지 Y축 방향의 제 2 거리에 대응한 범위 내에서, 상기 평행부의 끝점으로부터 상기 테일까지 곡면인 선박의 추진장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 평행부는,
    상기 프로펠러가 회전할 때 그리는 원형면인 프로펠러 면 위치로부터 전장 대비 -4.0% ~　14.0% 범위를 갖는 상기 평행부의 전방영역; 및
    상기 프로펠러 면 위치로부터 전장 대비 -30.0% ~　-10.0% 범위를 갖는 상기 평행부의 후방영역을 포함하는 선박의 추진장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 덕트의 단면 형상은,
    상기 평행부로부터 상기 노즈까지 전장 대비 18.0% ~　30.0% 범위의 상기 제 1 거리; 및
    상기 평행부로부터 상기 테일까지 전장 대비 4.0% ~　10.0% 범위의 상기 제 2 거리를 포함하는 선박의 추진장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 덕트는,
    하기의 수학식에 의해 구해지는 추진기 효율을 갖는 것을 특징으로 하는 선박의 추진장치.
    (수학식)
    η0=((KTT/π)3/2)/KQ
    여기서, KTT=KT-propeller+KT-duct이고,
    KT-propeller=TP/(ρ*n2*DP 4)이고,
    KT-duct=TD/(ρ*n2*DP 4)이고,
    KQ=Q/(ρ*n2*DP 5)임.
    상기 수학식에서, η0는 추진기 효율(Merit coefficient), TP는 프로펠러 추력이고, TD는 덕트 추력이고, Q는 프로펠러 토크이고, DP는 프로펠러 직경이고, n은 프로펠러 회전수이고, ρ는 유체의 밀도임.
  7. 동력을 전달받는 주축 상에 배치되는 허브;
    상기 허브의 외주면에 설치되는 메인 블레이드;
    상기 메인 블레이드에서 상기 주축의 후방으로 이격되게 위치되고, 상기 주축의 후방으로 경사지게 설치되는 서브 블레이드; 및
    상기 메인 블레이드의 둘레에 배치되고, 익형 단면을 갖는 덕트를 포함하는 선박의 추진장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 메인 블레이드는 상기 허브의 외주면을 따라 이격 배치되는 다수개로 제공되고,
    상기 서브 블레이드는 상기 메인 블레이드와 교호로 배치되는 다수개로 제공되는 선박의 추진장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 서브 블레이드는 상기 주축의 수직 방향에서 상기 주축의 후방으로 0.1~27도 범위로 기울어지는 기울임 각도(B)를 갖는 선박의 추진장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 서브 블레이드의 경사비(B/H)는 0.25 ~ 1.5 범위를 만족하는 선박의 추진장치.
    상기 경사비(B/H)에서, B는 주축의 수직 방향(Y축 방향)에서 주축의 후방으로 기울어진 서브 블레이드의 기울임 각도이고, H는 허브 외면에서 주축의 축 방향으로 기울어진 허브 외면의 기울임 각도임.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 서브 블레이드의 반경비(A/C)는 0.3 ~ 0.7 범위를 만족하는 선박의 추진장치.
    상기 반경비(A/C)에서, A는 서브 블레이드의 반경 길이이고, C는 덕트의 전장 길이임.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 서브 블레이드는
    상기 메인 블레이드의 위치에서 상기 주축의 후방으로 덕트 전장 길이 대비 0.5 길이까지의 범위 내에 위치되는 선박의 추진장치.
  13. 제 7 항에 있어서,
    상기 덕트는 익형 단면의 앞쪽 꼭지점인 노즈와, 상기 익형 단면의 뒤쪽 꼭지점인 테일을 포함하고,
    상기 덕트의 단면 형상은,
    상기 덕트의 전단에서 상방향으로 볼록하게 형성되고 상기 덕트의 후단에서 하방향으로 오목하게 형성된 외면; 및
    상기 덕트의 전단에서 하방향으로 볼록하게 형성되는 덕트 내면 전방부와, 상기 덕트의 후단에서 하방향으로 볼록하게 형성되는 덕트 내면 후방부와, 상기 덕트 내면 전방부 및 상기 덕트 내면 후방부를 평행하게 연결하는 평행부를 포함하는 내면을 포함하는 선박의 추진장치.
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