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KR20190014935A - 덕트형 선박 에너지 절감 장치 - Google Patents

덕트형 선박 에너지 절감 장치 Download PDF

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Publication number
KR20190014935A
KR20190014935A KR1020170099090A KR20170099090A KR20190014935A KR 20190014935 A KR20190014935 A KR 20190014935A KR 1020170099090 A KR1020170099090 A KR 1020170099090A KR 20170099090 A KR20170099090 A KR 20170099090A KR 20190014935 A KR20190014935 A KR 20190014935A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
support
duct
ship
propeller
flow
Prior art date
Application number
KR1020170099090A
Other languages
English (en)
Inventor
이승호
Original Assignee
필드지 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 필드지 주식회사 filed Critical 필드지 주식회사
Priority to KR1020170099090A priority Critical patent/KR20190014935A/ko
Priority to PCT/KR2018/005372 priority patent/WO2019027126A1/ko
Publication of KR20190014935A publication Critical patent/KR20190014935A/ko

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H5/00—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water
    • B63H5/07—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water of propellers
    • B63H5/16—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water of propellers characterised by being mounted in recesses; with stationary water-guiding elements; Means to prevent fouling of the propeller, e.g. guards, cages or screens
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
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    • B63H1/02—Propulsive elements directly acting on water of rotary type
    • B63H1/12—Propulsive elements directly acting on water of rotary type with rotation axis substantially in propulsive direction
    • B63H1/14—Propellers
    • B63H1/28—Other means for improving propeller efficiency
    • B63B2745/02—

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Ocean & Marine Engineering (AREA)
  • Other Liquid Machine Or Engine Such As Wave Power Use (AREA)

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 덕트형 선박 에너지 절감 장치는, 선박의 선미돌출부의 일부를 둘러싸는 형태로 배치되는 덕트, 상기 선미돌출부와 상기 덕트의 내면(inner surface)을 연결하여, 상기 덕트의 위치를 상기 선미돌출부에 대해 고정하는 지지부를 포함한다.
상기 지지부는, 상기 선미돌출부와 연결된 제1 단 및 상기 덕트의 내면과 연결된 제2 단이 반대 방향으로 휘어지고, 상기 선박의 제1 현측에 배치된 제1 지지대를 포함한다.
상기 지지부는, 상기 선박의 제2 현측에 배치되고, 상기 선박의 추진축에 대해 양의 평균 기울기를 가지는 제2 지지대를 더 포함할 수 있다.

Description

덕트형 선박 에너지 절감 장치{Duct-type energy saving device for a ship}
본 발명은 덕트형 선박 에너지 절감 장치에 관한 것이다.
일반적으로 선박은 선미에 프로펠러(Propeller)를 부착하여 유체 내에서 회전하도록 함으로써 그 추진력을 이용해 움직이도록 설계된다. 이때 프로펠러의 후방에는 러더(Rudder)가 부착되며, 러더가 좌우로 회전함에 따라 유체의 흐름 방향을 조절함으로써 항해 방향을 변경한다.
이처럼 프로펠러의 회전을 통해 일정 속도를 내기 위해서는 엔진을 구동해야 하는데, 이때 많은 양의 연료가 소모되고 이로 인한 온실가스의 배출량이 많아져 환경 파괴 문제를 일으킨다. 최근에는 선박의 추진(propulsion)시 소비되는 에너지를 절감하여 연료 사용량을 줄이는 방안에 대한 연구가 다양하게 수행되고 있다.
연료절감형 기술의 일례로, 선박의 후미, 프로펠러, 러더 등의 형상을 개량하거나 별도의 부가물을 부착함으로써 추진 효율을 높이는 동시에, 연료를 절감하는 에너지 절감 장치(ESD: Energy Saving Device)가 큰 관심을 받게 되었다.
이러한 에너지 절감 장치 중 별도의 부가물을 부착함으로써 추진 효율을 높이는 것에는 대표적으로 덕트(duct)가 있다. 예를 들어 한국 등록특허 제10-1453210호, 한국 등록특허 제10-1453209호, 한국공개특허 제2016-0149877호 등은 다양한 형태의 덕트(duct)형 에너지 절약 장치를 개시한다.
한국 등록특허 제10-1453210호 (공고일 2014.10.14) 한국 등록특허 제10-1453209호 (공고일 2014.10.14) 한국 공개특허 제2016-0149877호　(공개일 2016.12.28)
본 발명의 실시예는, 좌현과 우현에 배치되는 지지대를 유체의 흐름에 맞게 설계하여 저항의 증가를 줄이고 프로펠러의 추진 효율을 높이는 덕트형 선박 에너지 절감 장치를 제공하는 것을 일 목적으로 한다. 그러나, 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 덕트형 선박 에너지 절감 장치는, 선박의 선미돌출부의 일부를 둘러싸는 형태로 배치되는 덕트; 및 상기 선미돌출부와 상기 덕트의 내면(inner surface)을 연결하는 지지부;를 포함하고, 상기 지지부는, 상기 선미돌출부와 연결된 제1 단 및 상기 덕트의 내면과 연결된 제2 단이 서로 반대 방향으로 휘어지고, 상기 선박의 제1 현측에 배치된 제1 지지대;를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 단의 추진축에 대한 기울기는, 상기 제2 단의 상기 추진축에 대한 기울기보다 클 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 지지대의 기울기는 상기 제1 단에서 상기 제2 단으로 갈수록 감소할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 지지부는, 상기 선박의 제2 현측에 배치되고, 상기 선박의 추진축에 대해 양의 평균 기울기를 가지는 제2 지지대;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 덕트형 선박 에너지 절감 장치는, 상기 선박의 제2 현측에 배치되고, 상기 덕트의 내면에서 상기 덕트의 중심축 방향을 향해 돌출된 복수 개의 핀;을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 복수 개의 핀 중 상대적으로 위쪽에 배치된 핀은 상대적으로 아래쪽에 배치된 핀보다 평균 기울기가 클 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 지지부는, 상기 선박의 중앙 종단면에 대칭으로 형성되고, 상기 선미돌출부 및 상기 덕트의 내면과 연결된 제3 지지대를 더 포함할 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 덕트형 선박 에너지 절감 장치에 따르면, 우현(starboard)에 배치되고 양 끝단이 반대 방향으로 휘어진 제1 지지대에 의하여 선미돌출부 쪽에서의 유체의 정체 현상을 최소화해 선박에 작용하는 과도한 저항의 증가를 감소시킬 수 있다.
좌현에 배치되고 양의 평균 기울기를 가지는 제2 지지대에 의하여, 유체의 흐름을 상승류에서 하강류로 바꾸어 프로펠러의 추진 효율을 향상시킬 수 있다.
유동장이 불리하게 형성될 수 있는 좌현(port) 쪽에 추가 배치되는 핀에 의하여, 제2 지지대를 지나기 전의 유체의 흐름을 상승류에서 하강류로 바꾸고, 제2 지지대에 작용하는 저항의 크기를 줄여, 프로펠러의 추진 효율을 향상시킬 수 있다.
물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 프로펠러의 회전 방향 및 프로펠러의 효율을 증가시키기 위한 유체의 이상적인 흐름 및 선박에서의 유체의 실제 흐름을 나타낸 그림이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 덕트형 선박 에너지 절감 장치가 부착된 선박의 선미부를 나타낸 우측면도이다.
도 3 및 도 4는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 덕트형 선박 에너지 절감 장치가 부착된 선박의 선미부를 나타낸 사시도와 정면도이다.
도 5 및 도 6은 각각 제1 지지대의 확대 사시도 및 제1 지지대를 각각 I-I', II-II', III-III', IV-IV', V-V’선을 따라 자른 단면도이다.
도 7은 도 5의 제1 지지대를 각각 I-I', II-II', III-III', IV-IV', V-V’선을 따라 자른 단면이 전체적으로 추진축에 대해 아래 방향으로 기울어져 있음을 표현한 그림이다.
도 8은 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션을 통해 얻은, 선미돌출부(S) 주위를 흐르는 유체의 유속 및 스트림라인(streamline)을 나타낸 그림이다.
도 9 및 도 10은 각각 제2 지지대의 확대 사시도 및 제2 지지대를 각각 VI-VI', VII-VII' 선을 따라 자른 단면도이다.
도 11은 핀을 더 포함하는 덕트형 선박 에너지 절감 장치가 부착된 선박의 선미부를 나타낸 사시도이다.
도 12는 일 실시예에 따른 핀을 포함하는 덕트형 선박 에너지 절감 장치의 사시도이다.
도 13은 제3 지지대를 더 포함하는 덕트형 선박 에너지 절감 장치가 부착된 선박의 선미부를 나타낸 사시도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 덕트형 선박 에너지 절감 장치의 yz 단면에서, 유체의 v-w 속도 벡터장을 비교한 그림이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 덕트형 선박 에너지 절감 장치를 선박에 설치하였을 때, 프로펠러의 yz 단면에서 유체의 v-w 속도 벡터장의 변화를 예시한 그림이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용된다.
이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
본 명세서에서, x축은 선박의 선수와 선미를 지나는 축이고, y축은 선박의 좌현(port)과 우현(starboard)을 지나는 축이며, z축은 선박의 선저와 상갑판을 지나는 축이다.
본 명세서에서, 선박이 앞으로 나아가는 방향을 앞/앞쪽, 그 반대를 뒤/뒤쪽으로 정의한다. 한편, 선박이 앞으로 나아가는 방향을 기준으로 왼쪽과 오른쪽을 정의한다.
본 명세서에서, 추진축(propulsion axis, PA)은 선박이 앞으로 나아갈 때 프로펠러가 회전하는 축을 의미한다.
본 명세서에서, 현측(side)은 선박의 측면을 의미하는 것으로, 좌현(port) 또는 우현(starboard)의 어느 하나를 나타낸다.
본 명세서에서, 설계 속도란 선박에 장착되는 주 엔진(main engine)의 최대 출력의 85% 또는 90%에서 낼 수 있는 속도로, 선박 건조계약에서의 계약조건으로 조선소가 만족시켜야 하는　속도를 의미한다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 같거나 대응하는 구성 요소는 같은 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
프로펠러 앞쪽에 배치되거나 프로펠러를 감싸는 덕트는, 프로펠러로 유입되는 유체의 흐름을 조절하여 프로펠러의 성능을 향상시켜 에너지를 절감시킬 수 있다. 따라서 덕트를 설치할 때는 프로펠러 단면에서의 유체의 흐름(속도 벡터장)을 살펴볼 필요가 있다.
도 1은 프로펠러의 회전 방향 및 프로펠러의 효율을 증가시키기 위한 유체의 이상적인 흐름 및 선박에서의 유체의 실제 흐름을 예시한 그림이다.
선미 쪽에서 보았을 때, 대부분 선박의 프로펠러는 (a)와 같이 시계방향으로 회전한다. 프로펠러로 유입되는 유체가 프로펠러 회전 방향에 반대 방향으로 회전하면서 프로펠러로 유입되는 경우, 프로펠러의 효율이 더 증가함이 알려져 있다. 따라서 (a)와 같이 프로펠러가 시계방향으로 회전할 때, yz 평면을 통과하는 유체의 y, z 방향 속도를 나타내는 v-w 속도 벡터장은 (b)와 같이 반시계방향으로 회전하는 것이 바람직하다.
도 1의 (c)는 베어 헐(bare hull) 상태에서의 유체의 실제 흐름(속도 벡터장)을 나타낸다. (c)를 참조하면, 우현(starboard) 쪽에서는 대부분 상승류가 일어나 프로펠러 효율에 유리한 흐름이 형성되어 있으나, 프로펠러의 중앙부에 가까운 쪽에서는 하강류가 일어나, 이상적인 흐름인 (b)와 비교할 때 프로펠러 효율에 다소 불리한 면이 있다. 한편, 좌현(port)의 중앙부는 하강류가 일어나므로 프로펠러 효율에 좋으나, 중앙부에서 먼 곳에서는 대부분 상승류가 발생하므로 프로펠러 효율에 좋지 않다.
따라서 덕트를 배치할 때는 실제 속도 벡터장이 이상적인 속도 벡터장에 가까워지도록 구성요소를 설계하여야 한다. 그러나 기존의 덕트는, 좌현과 우현의 차이 및 중앙부에 가까운 쪽과 먼 쪽에서의 유체의 흐름의 차이를 고려하지 않고 지지대를 설계하여, 프로펠러 효율이 낮은 문제가 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 덕트형 선박 에너지 절감 장치가 부착된 선박의 선미부를 나타낸 우측면도이다. 본 발명의 덕트형 선박 에너지 절감 장치는, 선박의 선미돌출부(S)에 결합하여 추력을 제공하는 프로펠러(P)의 앞쪽에 배치되거나 프로펠러(P)를 둘러싸도록 배치될 수 있다. 도 2에서는 덕트형 선박 에너지 절감 장치가 프로펠러(P)의 앞쪽에 배치된 것을 예시하였다. 일 실시예에 따른 덕트형 선박 에너지 절감 장치는 덕트(10) 뒤쪽 또는 덕트(10) 내부의 프로펠러(P)로 유입되는 유체의 흐름을 조절해, 프로펠러의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 2를 참조하면, 선미돌출부(S)에 가까운 중앙 영역에서는, 선박의 중앙 헐(hull)을 따라 하강류(downstream, DS)가 흐른다. 반면, 선미돌출부(S)에서 조금 더 떨어진 영역, 즉 덕트(10)에 가까운 곳에서는 상승류(upstream, US)가 흐른다.
일 실시예에 따르면, 선미돌출부(S)와 연결된 제1 단(도 3, 21-1) 및 덕트(10)의 내면과 연결된 제2 단(도 4, 21-2)이 반대 방향으로 휘어진 제1 지지대(도 3, 21)를 통해, 제1 단(21-1)에 가까운 곳에 흐르는 유체의 흐름과, 제2 단(21-2)에 가까운 곳에 흐르는 유체의 흐름이 다르게 조절될 수 있다. 즉 제1 지지대(21)의 구조적 특징을 통해 프로펠러(P)의 추진 효율을 향상시킬 수 있는데, 이하 이에 대해 서술한다.
도 3 및 도 4는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 덕트형 선박 에너지 절감 장치가 부착된 선박의 선미부를 나타낸 사시도와 정면도이다. 도 3 및 도 4에서는 설명의 편의를 위하여 선박의 프로펠러를 제외하고, 예시적으로 제1 지지대(21)가 선박의 우현에 배치된 것으로 도시하였으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 덕트형 선박 에너지 절감 장치는 덕트(10)와 지지부(20)를 포함한다.
도 3을 참조하면, 덕트(10)는 선미돌출부(S)의 적어도 일부를 바깥에서 둘러싸는 형태로 배치된다. 예컨대 덕트(10)는 앞쪽과 뒤쪽이 개방된 형태의 형상을 가져, 내부에 공간을 가질 수 있다. 덕트(10)는 선미돌출부(S)의 외면(outer surface)에 상보적인 형상을 가질 수 있으며, 덕트(10)의 단면은 원, 타원 등 다양한 구조를 가질 수 있다. 일 실시예에 따르면, 덕트(10)는 마치 전등갓과 같이 선박의 앞방향으로 갈수록 단면의 반지름이 커지는 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 넓은 '입구'를 가진 덕트(10)의 앞쪽에서 유입된 유체는 좁은 '출구'를 가진 덕트(10)의 뒤쪽으로 빠져나가므로, 연속 방정식(continuity equation)에 의해 유체의 유출 속도가 유입 속도보다 빨라지게 된다. 이로 인하여, 덕트(10)가 없을 때와 비교할 때 덕트(10) 뒤쪽에 배치된 프로펠러로 유입되는 유체의 속도가 증가한다. 즉 이 경우 덕트(10)는 가속 덕트로 기능할 수 있다. 이와 달리 덕트(10)가 선박의 뒷방향으로 갈수록 단면의 반지름이 커지는 구조를 가질 수 있는데, 이 경우 덕트(10)는 감속 덕트로 기능할 수 있다. 한편, 덕트(10)는 선미돌출부(S) 근처에서 발생하는 와류(vortex)의 발생을 억제하고, 프로펠러(P)로 유입되는 유체의 x방향 속도 분포를 균일화하는 역할을 수행할 수 있다.
덕트(10)의 안쪽에는 지지부(20)가 배치된다. 지지부(20)는 선미돌출부(S)와 덕트(10)의 내면(inner surface)을 연결하여, 덕트(10)의 위치를 선미돌출부(S)에 대해 고정시킨다. 지지부(20)는 덕트(10)의 안쪽에 배치되므로, 덕트(10) 안으로 유입되는 유체의 흐름을 방해하는 저항으로 작용할 수 있다. 이에, 본 발명에서는 덕트(10) 안으로 유입되는 유체의 흐름을 바꾸고 저항의 증가를 최소화할 수 있도록 지지부(20)의 형태를 변형시켜, 프로펠러의 추진 효율을 향상시킬 수 있다.
지지부(20)는 모양과 위치가 다른 여러 개의 지지대를 포함할 수 있다. 도 3 및 도 4에서는 우현(starboard), 좌현(port)에 제1 지지대(21), 제2 지지대(22)가 각각 배치된 것을 예시하였다. 본 발명의 일 실시예에서, 제1 지지대(21)와 제2 지지대(22)는 다른 모양을 가지는데, 이하 제1 지지대(21) 및 제2 지지대(22)의 구조의 차이점 및 구조에 따른 효과를 차례로 서술한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 선미돌출부(S)와 연결된 제1 지지대(21)의 제1 단(21-1) 및 덕트(10)의 내면과 연결된 제2 단(21-2)은 서로 반대 방향으로 휘어진다. 더욱 상세하게는, 제1 지지대(21)의 제1 단(21-1)은 앞쪽이 위를 향하도록 휘어지고, 제2 단(21-2)은 앞쪽이 아래를 향하도록 휘어질 수 있다. 즉 마치 제1 지지대(21)는 판의 양옆을 반대 방향으로 구부려 휘게 한 구조를 가질 수 있다. 이러한 구조적 특징으로 인해, 프로펠러가 올라오는 방향으로 움직이는 제1 현측에서의 유체의 흐름이 달라져 프로펠러의 추진 효율이 향상되는데, 이에 대하여는 후술한다.
도 5 및 도 6은 각각 제1 지지대의 확대 사시도 및 제1 지지대를 각각 I-I', II-II', III-III', IV-IV', V-V’선을 따라 자른 단면도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 제1 지지대(21)는 유선형의 판 형태를 가질 수 있다. 이때 판은 위아래 방향(z)의 두께에 비해 좌우 방향(y), 앞뒤 방향(x)의 길이가 긴 형태를 모두 지칭한다. 특히, 제1 지지대(21)는 좌우 방향(y)의 길이가 앞뒤 방향(x)의 길이보다 길 수 있다. 제1 지지대(21)의 각각의 종단면은 유선형의 에어포일(airfoil) 형태를 가져, 덕트(10)의 내부로 유입되는 유체에 의한 저항을 최소화할 수 있다. 이때 에어포일은 다양한 모양을 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1 지지대(21)의 종단면 중 위쪽 경계선은 평평하고, 아래쪽 경계선은 아래로 볼록한 구조를 가질 수 있다. 또는, 위쪽 경계선과 아래쪽 경계선 모두 볼록하나, 위쪽 경계선보다 아래쪽 경계선이 더 볼록한 구조를 가질 수 있다. 즉 제1 지지대(21)의 윗면의 곡률은 아랫면의 곡률에 비해 완만할 수 있다. 이러한 구조를 가지는 제1 지지대(21)의 아랫면 아래를 흐르는 유체의 속도는 빠르고, 윗면 위를 흐르는 유체의 속도는 상대적으로 느리다. 이 경우, 제1 지지대(21)의 뒤쪽 끝단을 지나는 유체의 위쪽 방향 속도 성분이 커지게 되어, 상승류가 강해져 프로펠러(P)의 추진 효율이 높아진다.
일 실시예에 따르면, 제1 단(21-1)의 추진축(PA)에 대한 기울기는, 제2 단(21-2)의 추진축(PA)에 대한 기울기보다 클 수 있다.
'제1 단(21-1)의 추진축(PA)에 대한 기울기'는 제1 지지대(21)와 선미돌출부(S)의 경계를 따라 자른 에어포일 단면(I-I' 선을 따라 자른 단면)이 추진축(PA)과 이루는 각도를 의미할 수 있다. 한편, '제2 단(21-2)의 추진축에 대한 기울기'는 제1 지지대(21)와 덕트(10) 내면의 경계를 따라 자른 에어포일 단면(V-V’선을 따라 자른 단면)이 추진축(PA)과 이루는 각도를 의미할 수 있다.
이때 '에어포일 단면의 기울기'는, 추진축(PA)에 대한 에어포일 단면의 시위선(chord line)의 기울기 또는 각도로 정의될 수 있다. 도 6에서는 편의를 위해 제1 지지대(21)의 단면의 평평한 위쪽 경계선이 시위선인 것으로 가정한다. 즉 도 6에서 '기울기'는 제1 지지대(21) 단면의 위쪽 경계선이 추진축(PA)과 이루는 각도를 의미한다. 도 6에서는 편의상 제1 단(21-1)의 추진축(PA)에 대한 기울기가 0°인 것으로 도시하였으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 즉 제1 단(21-1)의 추진축(PA)에 대한 기울기는 선박의 크기, 모양 등에 따라 양 또는 음의 값을 가질 수도 있다.
I-I' 단면도, V-V' 단면도를 참조하면, 제1 단(21-1)에서의 에어포일 단면은 제2 단(21-2)에서의 에어포일 단면보다 더 위쪽을 향해 기울어져 있다. 상술하였듯, 헐(hull) 부근, 즉 선미돌출부(S)의 중앙부에 가까운 영역에서는 I'에서 I로 향하는 하강류(downstream)가 발생한다. 반면 선미돌출부(S)의 중앙부로부터 더 먼 영역, 즉 덕트(10)에 가까운 영역에서는 V'에서 V로 향하는 상승류(upstream)가 발생한다. 이에, 본 발명에서는 제1 단(21-1)의 기울기(θIS)를 높여 하강류에 의한 저항을 최소화하고, 제2 단(21-2)의 기울기(θOS)를 줄여 상승류에 의한 저항을 최소화한다.
일 실시예에 따르면, 제1 단(21-1)의 기울기(SIS)와 제1 지지대(21)의 평균 기울기(SM)의 차이(θIS)는 0 ~ 20°일 수 있고, 제2 단(21-2)의 기울기(SOS)와 제1 지지대(21)의 평균 기울기(SM)의 차이(θOS)는 -20 ~ 0°일 수 있다.
본 명세서에서는, 기울기의 차이를 각도로 표현한다. 이때 시계 반대 방향으로의 각도는 양의 각도를 갖는 것으로, 시계방향으로의 각도는 음의 각도를 갖는 것으로 정의할 수 있다.
본 명세서에서, '평균 기울기'는 추진축(PA)에 평행하게 자른 여러 개의 에어포일 단면 기울기의 평균을 의미한다. 즉 제1 지지대(21)의 제1 단(21-1)에서부터 제2 단(21-2)까지 이동하면서, 위치에 따른 에어포일 단면의 기울기의 값을 평균한 것이 제1 지지대(21)의 평균 기울기(SM)가 된다. 또는, '평판(flat plane)'의 양 끝단을 구부려 제1 지지대(21) 형태를 만드는 것을 상정할 때, 평균 기울기(SM)는 '평판 형태의 제1 지지대(21)'가 추진축(PA)과 이루는 각도로 이해될 수 있다. 또는, 제1 지지대(21)의 평균 기울기(SM)는 제1 지지대(21)가 기준 상태에서 전체적으로 회전된 정도를 의미할 수 있다. 도 6에서는, 제1 지지대(21)의 평균 기울기를 선(SM)으로 표현하였고, III-III' 에어포일 단면의 기울기가 평균 기울기(SM)인 것으로 예시하였다.
이때, '제1 단(21-1)의 기울기(SIS)와 제1 지지대(21)의 평균 기울기(SM)의 차이(θIS)'는 '평판'인 상태와 비교할 때 제1 단(21-1)이 얼마만큼 휘어졌는지를 나타내는 척도가 된다. 마찬가지로, '제2 단(21-2)의 기울기(SOS)와 제1 지지대(21)의 평균 기울기(SM)의 차이(θOS)'는 제2 단(21-2)이 '평판'인 상태와 비교할 때 얼마만큼 휘어졌는지를 나타내는 척도가 된다.
이때 I-I' 단면도를 참조하면, 제1 단(21-1)의 기울기(SIS)와 평균 기울기(SM) 사이의 각도(θIS)는 약 0~20°일 수 있다. 제1 단(21-1)이 지나치게 휘어진 경우, 유체가 제1 지지대(21)에 '부딪혀' 오히려 저항이 증가할 수 있다. 상기 각도(θIS)의 최적값은 선박의 모양, 크기, 유선(streamline)의 모양 등에 좌우되므로, 전산유체역학(CFD)을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션 또는 모형 선박을 이용한 모형 시뮬레이션을 이용하여 결정될 수 있다.
한편, V-V' 단면도를 참조하면, 제2 단(21-2)의 기울기(SOS)와 평균 기울기(SM) 사이의 각도(θOS)는 약 -20~0°일 수 있다. 제2 단(21-2)이 지나치게 휘어진 경우, 유체가 제1 지지대(21)에 '부딪혀' 오히려 저항이 증가할 수 있다. 상기 각도(θOS)의 최적값은 선박의 모양, 크기, 유선(streamline)의 모양 등에 좌우되므로, 전산유체역학(CFD)을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션 또는 모형 선박을 이용한 모형 시뮬레이션을 이용하여 결정될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1 지지대(21)의 기울기는 상기 제1 단(21-1)에서 상기 제2 단(21-2)으로 갈수록 감소할 수 있다. '제1 지지대(21)의 기울기'는 위치에 따른 에어포일 단면의 기울기를 의미한다. 즉 도 6을 제1 지지대(21)의 제1 단(21-1)에서 제2 단(21-2) 쪽으로 갈수록 평균 기울기선(SM)과 에어포일의 기울기선(SIS, SII,SIII,SIV,SOS)이 이루는 각도(θIS, θ2, θ3, θ4, θOS)는 점점 작아질 수 있다. 이때 제1 지지대(21)의 에어포일 단면의 기울기(θIS, θ2, θ3, θ4, θOS)는 연속적으로 변할 수 있다. 즉 제1 지지대(21)의 표면은 급격하게 꺾이는 부분 없이 부드러운(smooth) 곡면을 가질 수 있다. 이 경우, 유체가 정체되는 영역 없이 저항이 최소화될 수 있다.
도 7은 도 5의 제1 지지대(21)를 각각 I-I', II-II', III-III', IV-IV', V-V’선을 따라 자른 단면이 전체적으로 추진축(PA)에 대해 아래 방향으로 기울어져 있음을 표현한 그림이다.
일 실시예에 따르면, 제1 지지대(21)는 추진축(PA)에 대해 음의 평균 기울기(θ21)를 가질 수 있다. 이때 제1 지지대(21)의 평균 기울기(θ21)는 -20 ~ 0°일 수 있다. 즉 제1 지지대(21)는 전체적으로 앞전(leading edge)이 아래쪽을 향하도록 기울어질 수 있다.
도 1의 (c)를 다시 참조하면, 덕트의 yz 단면에서의 유체의 v-w 속도 벡터장을 살펴볼 때, 중앙부를 제외하고 덕트를 지나는 대부분의 유체는 상승류이다.
도 2 및 도 7을 참조하면, 덕트(10) 내면에 가까운 곳에서는 상대적으로 상승류(US)가 흐르며, 선미돌출부(S)에 가까운 영역에서는 상대적으로 하강류(DS)가 흐른다. 즉 제1 지지대의 제2 단(21-2)) 쪽으로 갈수록, 즉 도 7에서는 V-V' 단면도 방향으로 갈수록 상승류가 흐른다. 따라서 제1 지지대(21)의 앞전을 전체적으로 아래로 기울이는 경우, 상승류인 유체의 흐름에 대해 제1 지지대(21)의 받음각이 전체적으로 줄어들게 된다. 즉 제1 지지대의 평균 기울기(θ21)를 음의 각도로 유지하는 경우, 유체에 의한 저항을 줄일 수 있다.
제1 지지대(21)가 지나치게 기울어지거나 반대쪽으로 기울어지는 경우, 유체가 제1 지지대(21)에 '부딪혀' 오히려 저항이 증가할 수 있다. 제1 지지대(21) 평균 기울기의 최적값은 선박의 모양, 크기, 유선(streamline)의 모양 등에 좌우되므로, 전산유체역학(CFD)을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션 또는 모형 선박을 이용한 모형 시뮬레이션을 이용하여 결정될 수 있다.
한편, 덕트(10)의 중앙부, 즉 선미돌출부(S)에 가까운 곳에서는 상대적으로 하강류가 발생한다. 따라서 제1 지지대의 제1 단(21-1)은 앞전(leading edge)을 상대적으로 위쪽으로 휘게 하여 하강류와의 받음각을 줄어들게 한다. 즉 제1 지지대(21)를 전체적으로 아래로 기울이고, 제1 단(21-1)만 위로 기울여, 위치별로 유체에 의한 저항을 줄일 수 있다.
한편, 도 7에서는 편의상 제1 단(21-1)의 기울기(SIS)가 추진축(PA)과 평행한 것으로 예시하였으나, 본 발명이 이에 제한되는 것이 아님은 물론이다.
도 8은 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션을 통해 얻은, 선미돌출부(S) 주위를 흐르는 유체의 유속 및 스트림라인을 나타낸 그림이다. 도 8의 (a) 내지 (d)에서, 빨간색으로 표시된 곳은 상대 속도가 1인 기준 영역(reference)이다. 색깔을 구분하는 각각의 선은 상기 기준 속도에서 10%씩 감소하는 속도 지점을 이은 등유속선이다. 파란색으로 표시된 곳은 상대 속도가 0인 곳으로, 유체가 정체되는 곳을 의미한다. 이때 시뮬레이션한 선박의 설계 속도는 14 노트(knot)이었으며, 컴퓨터 시뮬레이션 상에서 프루드수(Froude number)를 맞추기 위한 유체의 속도는 1.273m/s이었다.
도 8의 윗줄에 배치된 그림에서는 색깔을 통해 유속 분포만을 표현하였고, 아랫줄에 배치된 그림에서는 선체 주위를 흐르는 유체의 스트림라인(streamline)까지도 표현하였다.
도 8의 (a)는 덕트 및 지지부가 없는 베어 헐(bare hull) 상태를 나타낸다. 상술하였듯, 선미돌출부(S)에 더 가까운 영역에서는 하강류가, 선미돌출부(S)에서 먼 영역에서는 상승류가 흐른다.
도 8의 (b)는 우현의 지지대(21')를 추진축(PA)에 대해 0°로 설치한 경우이다. 이 경우 A 영역, 즉 지지대와 선미돌출부(S)의 안쪽 경계 부근에서 유체의 속도가 0임을 확인할 수 있다. 유체가 정체됨에 따라, 지지대에 저항이 크게 작용하고, 프로펠러로 유입되는 유체의 속력이 낮아져 추진 효율이 감소한다.
도 8의 (c)는 우현의 지지대(21'')를 아래 방향으로 20° 회전시켜 배치한 경우이다. 지지대를 회전하여 배치하는 이유는, 상술하였듯 우현의 상승류에 대한 받음각(angle of attack)을 작게 하여 저항이 작아지도록 하기 위함이다. 이로 인해, 제2 단(21-2) 근처에서의 유체의 속도가 빨라졌음을 확인할 수 있다(빨간색 영역의 크기가 (b)에 비해 증가함). 그러나 지지대와 선미돌출부(S)의 안쪽 경계 부근에서는 하강류가 지지대에 '부딪히게' 되어 유체의 속력이 0인 영역(B 영역)의 크기가 더 증가할 뿐만 아니라, 스트림라인 역시 더 복잡하게 엉키는 것을 확인할 수 있다.
도 8의 (d)는 본 발명의 일 실시예에 따른 덕트형 선박 에너지 절감 장치를 설치한 경우이다. 본 발명의 실험예에서는, 제1 지지대(21)의 평균 기울기 (평균 각도)가 -20°가 되도록 배치되었고, 제1 지지대(21)의 제1 단(21-1)과 제2 단(21-2)의 기울기가 평균 기울기에 대해 각각 20°, -20°가 되도록 휘어졌다(twisted). 즉 (d)의 제1 지지대(21)는, (c)의 지지대(21'')의 양 끝단을 잡고 비튼 것과 같은 구조를 가진다. 이때, 제1 단(21-1) 근처에서의 유체의 정체 현상이 감소하고(파란색 영역이 없어짐), 스트림라인이 꼬이는 현상이 완화됨을 확인할 수 있다.
즉 본 발명의 제1 지지대(21)의 구조, 즉 선미돌출부(S)와 연결된 제1 단(21-1) 및 덕트(10)의 내면과 연결된 제2 단(21-2)이 반대 방향으로 휜 구조로 인해, 특히 하강류가 발생하는 헐(hull) 근처에서 유체가 정체되어 생기는 저항의 증가를 최소화할 수 있다.
상술한 저항 감소 효과는, 제1 지지대(21)가 좌현, 우현 어느 곳에 있어도 적용될 수 있는 내용이다. 그러나, 본 발명에서는 제1 지지대(21)가 배치되는 위치가 프로펠러의 회전 방향에 따라 좌현 또는 우현 어느 한 곳으로 선택된다. 상세하게는, 선미 쪽에서 보았을 때 선박의 프로펠러가 시계방향으로 회전하는 경우, 제1 지지대(21)는 우현(starboard)에 배치된다. 반대로 프로펠러가 반시계방향으로 회전하는 경우, 제1 지지대(21)는 좌현(port)에 배치된다.
이렇게 제1 지지대(21)를 프로펠러의 회전 방향에 따라 좌현 또는 우현에 선택적으로 배치하는 이유는, 저항 감소 효과뿐만 아니라 프로펠러의 추진 효율을 증가시키도록 유체의 흐름을 조절하는 효과를 같이 얻기 위함이다.
상술하였듯 예컨대 프로펠러가 시계방향으로 회전하는 경우, 프로펠러에 유입되는 유체는 반시계방향으로 회전하여야 프로펠러의 추진 효율이 높아진다(도 1 참조). 이때 우현(starboard) 쪽에서, 프로펠러는 위에서 아래를 향하도록 회전하므로, 덕트(10)의 우현 쪽을 통과하는 유체는 아래에서 위로 향하는 것이, 즉 상승류가 발생하도록 하는 것이 프로펠러 추진 효율 면에서 바람직하다. 따라서 우현 쪽에서는, 덕트(10) 내면에 가까운 곳의 상승류는 그대로 두고, 선미돌출부(S)에 가까운 곳에서의 하강류는 방향을 바꿔주는 것이 효과적이다. 본 발명에서는 제1 지지대(21)를 통해 이러한 효과를 달성한다.
이와 반대로, 좌현(port) 쪽에서 프로펠러는 아래에서 위를 향하도록 회전하므로, 덕트(10)의 좌현 쪽을 통과하는 유체는 위에서 아래로 향하는 것이, 즉 하강류가 발생하도록 하는 것이 프로펠러 추진 효율 면에서 바람직하다(도 1 참조). 본 발명에서는 제2 지지대(22)를 통해 제2 현측에서의 유체의 흐름을 조절하여 프로펠러 추진 효율을 향상시키는데, 이하 이를 서술한다.
도 9 및 도 10은 각각 제2 지지대의 확대 사시도 및 제2 지지대를 각각 VI-VI', VII-VII' 선을 따라 자른 단면도이다.
일 실시예에 따르면, 지지부(20)는, 선박의 제2 현측, 즉, 좌현에 배치되고, 선박의 추진축(PA)에 대해 양의 평균 기울기(θ22)를 가지는 제2 지지대(22)를 더 포함할 수 있다.
도 9를 참조하면, 제2 현측에 제2 지지대(22)가 배치된다. 제2 지지대(22) 역시 제1 지지대(21)와 마찬가지로, 선미돌출부(S) 및 덕트(10)를 연결하여 덕트(10)의 위치가 상대적으로 고정될 수 있게 한다. 제1 지지대(21)와 제2 지지대(22)를 모두 이용하여 덕트(10)와 선미돌출부(S)를 연결하는 경우, 덕트(10)를 더욱 안정적으로 지지할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 제2 지지대(22)는 유선형 판 형태를 가질 수 있다. 제2 지지대(22)의 각각의 종단면은 유선형의 에어포일(airfoil) 형태를 가질 수 있다.
본 발명에서는 제2 지지대(22)의 평균 기울기(θ22)를 양(positive)으로 하여, 좌현에서 유입된 상승류가 제2 지지대(22)에 의해 방향이 꺾여 하강류가 되도록 유도한다. 제2 지지대(22)는 유체 흐름 방향을 바꾸도록 배치되므로, 저항을 증가시키나 프로펠러 효율에 유리한 방향으로 유동장을 형성시키므로, 선박의 전체적인 에너지 효율은 향상될 수 있다.
한편, 좌현에서 선미돌출부(S) 근처의 하강류는 양의 방향으로 기울어진 제2 지지대(22)에 작용하는 저항 면에서 '유리한' 흐름이므로, 그 흐름을 바꾸지 않아도 무방하다. 따라서 제1 지지대(21)와 달리 제2 지지대(22)의 안쪽 끝단(선미돌출부(S)와 연결되는 끝단)은 휘어지지 않을 수 있다. 즉 제2 지지대(22)는 휘어짐 없이 단면의 기울기가 위치에 따라 일정할 수 있다.
도 10의 선 VI-VI', VII-VII'에 의한 단면도를 참조하면, 제2 지지대(22)는 위치에 따른 에어포일 단면의 형태가 일정할 수 있다. 이때 추진축(PA)과 에어포일 단면이 이루는 각도, 즉 평균 기울기(θ22)는 0~20°일 수 있다. 제2 지지대(22)의 평균 기울기(θ22)의 최적값은 선박의 모양, 크기, 유선(streamline)의 모양 등에 좌우되므로, 전산유체역학(CFD)을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션 또는 모형 선박을 이용한 모형 시뮬레이션을 이용하여 결정될 수 있다.
한편, 제2 지지대(22)의 평균 기울기(θ22)가 양으로 유지된다면, 제2 지지대(22)의 에어포일 단면의 형태 및 기울기는 위치에 따라 변할 수도 있다.
일 실시예에 따르면, 제2 지지대(22)의 종단면 중 아래쪽 경계선은 평평하고, 위쪽 경계선은 위로 볼록한 구조를 가질 수 있다. 또는, 위쪽 경계선과 아래쪽 경계선 모두 볼록하나, 아래쪽 경계선보다 위쪽 경계선이 더 볼록한 구조를 가질 수 있다. 즉 제2 지지대(22)의 아랫면의 곡률은 윗면의 곡률에 비해 완만할 수 있다. 이러한 구조를 가지는 제2 지지대(22)의 윗면 위를 흐르는 유체의 속도는 빠르고, 아랫면 아래를 흐르는 유체의 속도는 상대적으로 느리다. 이 경우, 제2 지지대(22)의 뒤쪽 끝단을 지나는 유체의 속도가 아래쪽 방향으로 전환되어 하강류를 형성함으로써, 프로펠러(P)의 추진 효율 향상에 기여할 수 있다.
본 발명에 따르면, 제2 지지대(22)의 평균 기울기(θ22)가 양으로 유지되는 구조로 인해, 제2 현측에서 저항은 다소 증가하나 프로펠러를 통과하는 유체의 흐름이 바뀌어 프로펠러의 추진 효율이 향상된다. 따라서, 선박의 전체적인 에너지 효율이 향상된다.
도 11은 핀을 더 포함하는 덕트형 선박 에너지 절감 장치가 부착된 선박의 선미부를 나타낸 사시도이다.일 실시예에 따른 덕트형 선박 에너지 절감 장치는, 선박의 제2 현측에 배치되고, 덕트(10)의 내면에서 덕트(10)의 중심축 방향을 향해 돌출된 복수 개의 핀(30)을 더 포함할 수 있다.
상술하였듯, 프로펠러가 시계방향으로 회전할 때, 스타보드(starboard) 쪽에는 유리한 유동장이 형성되나 포트(port) 쪽에는 불리한 유동장이 형성될 수 있다. 따라서 본 발명에서는 제2 지지대(22)가 배치된 제2 현측에 핀(30)을 추가로 설치하여 덕트(10)를 지나는 유체의 흐름을 조절해 프로펠러의 추진 효율을 향상시킨다.
핀(30)은 덕트(10)의 내면에 일정한 간격으로 돌출되어 형성될 수 있으며, 덕트(10)의 안쪽을 흐르는 유체를 회전시킬 수 있는 형태를 가지게 된다. 이때, 유체를 회전시킨다는 것은 도 1의 (b)에 도시된 것과 같이 프로펠러의 yz 단면에서의 v-w 속도 벡터장이 회전하는 형태를 가지게 하는 것을 의미할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 핀(30)은 유선형 판 형태를 가질 수 있다. 즉 핀(30)의 각각의 종단면은 유선형의 에어포일(airfoil) 형태를 가질 수 있다. 핀(30)은 위치에 따른 에어포일 단면의 형태가 일정할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 핀(30)의 아랫면은 평평하고, 윗면은 위로 볼록한 구조를 가질 수 있다. 또는, 위쪽 경계선과 아래쪽 경계선 모두 볼록하나, 아래쪽 경계선보다 위쪽 경계선이 더 볼록한 구조를 가질 수 있다. 즉 핀(30)의 아랫면의 곡률은 윗면의 곡률에 비해 완만할 수 있다. 이 경우, 핀(30)의 뒤쪽 끝단을 지나는 유체의 아래쪽 방향 속도 성분이 커지게 되어, 하강류가 강해져 프로펠러(P)의 추진 효율이 높아진다.
도 12는 일 실시예에 따른 핀을 포함하는 덕트형 선박 에너지 절감 장치의 사시도이다.
일 실시예에 있어서, 복수 개의 핀 중 상대적으로 위쪽에 배치된 핀은 상대적으로 아래쪽에 배치된 핀보다 평균 기울기가 클 수 있다. 즉 핀(30)이 선박의 위쪽에 배치될수록, 평균 기울기는 커질 수 있다.
도 12를 참조하면, 덕트(10)의 내면에 6개의 핀(31, 32, 33, 34, 35, 36)이 부착된 덕트형 선박 에너지 절감 장치가 예시되어 있다. 제1 지지대(21) 및 제2 지지대(22)의 평균 기울기를 정의한 것과 비슷하게, 각각의 핀의 에어포일 단면의 평균 기울기는 에어포일 단면의 평균 기울기선(S31, S32, S33, S34, S35, S36)과 선박의 추진축이 이루는 각도(θ31, θ32, θ33, θ34, θ35, θ36)를 의미할 수 있다. 이때, 위쪽, 즉 양의 z 방향으로 갈수록 핀과 추진축이 이루는 각도는 커질 수 있다. 즉 도 12의 실시예에서, 예컨대 최상부에 배치된 핀(31)의 평균 기울기(θ31 -)는 바로 아래에 배치된 핀(32)의 평균 기울기(θ32)보다 크며, 최하부에 배치된 핀(36)의 평균 기울기(θ36 -)는 바로 위에 배치된 핀(35)의 평균 기울기(θ35)보다 작다.
이때 추진축(PA)과 각각의 핀(30)의 평균 기울기는 0~20°일 수 있다. 일 실시예에서는 각각의 핀(31, 32, 33, 34, 35, 36)의 평균 기울기(θ31, θ32, θ33, θ34, θ35, θ36)를 각각 20°, 17°, 14°, 11°, 8°, 5°로 하여, 아래쪽으로 갈수록 기울기가 3°씩 감소하게 하였다. 복수 개의 핀(30) 역시 제2 지지대(22)와 비슷하게, 평균 기울기(θ31, θ32, θ33, θ34, θ35, θ36)가 양으로 유지되는 구조를 가질 수 있다. 이로 인해, 제2 현측에서 저항은 다소 증가하나 프로펠러를 통과하는 유체의 흐름이 바뀌어 프로펠러의 추진 효율이 향상된다. 따라서, 선박의 전체적인 에너지 효율이 향상된다.
일 실시예에 따르면, 핀(30)은 선미돌출부(S)를 선미 쪽에서 바라볼 때 7시 방향에서 11시 방향까지 같은 간격으로 배치될 수 있다. 핀(30)의 개수와 형태, 각각의 핀의 평균 기울기 등은 전산유체역학(CFD)을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션 또는 모형 선박을 이용한 모형 시뮬레이션을 이용하여 최적화될 수 있다.
도 13은 제3 지지대(23)를 더 포함하는 덕트형 선박 에너지 절감 장치가 부착된 선박의 선미부를 나타낸 사시도이다.
일 실시예에 따르면, 지지부(20)는, 선박의 중앙 종단면에 대칭으로 형성되고, 선미돌출부(S) 및 덕트(10)의 내면과 연결된 제3 지지대(23)를 더 포함할 수 있다. 도 13을 참조하면, 제3 지지대(23)는, 선미돌출부(S)로부터 선박의 아래쪽(6시 방향) 또는 위쪽(12시 방향)으로 연장될 수 있다. 제3 지지대(23) 역시 제1 지지대(21), 제2 지지대(22)와 마찬가지로 선미돌출부(S) 및 덕트(10)를 연결하여 덕트(10)의 위치가 상대적으로 고정될 수 있게 한다. 제1 지지대(21), 제2 지지대(22), 제3 지지대(23)를 모두 이용하여 덕트(10)와 선미돌출부(S)를 연결하는 경우, 덕트(10)를 더욱 안정적으로 지지할 수 있다.
그러나 제3 지지대(23)는 덕트(10)의 안쪽에 배치되므로, 덕트(10) 안으로 유입되는 유체의 흐름을 방해하는 저항으로 작용할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제3 지지대(23)는 유선형 판 형태를 가질 수 있다. 즉 제2 지지대(22)의 각각의 종단면은 유선형의 에어포일(airfoil) 형태를 가질 수 있다. 이와 같은 형태를 통해, 제3 지지대(23)에 의한 저항의 증가를 최소화할 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 덕트형 선박 에너지 절감 장치의 yz 단면에서, 유체의 v-w 속도 벡터장을 비교한 그림이다. 도 11의 (a)는 베어 헐(bare hull) 상태, (b)는 지지대가 0°로 부착된 상태, (c)는 좌현/우현의 지지대가 반대 방향으로 각도를 가지도록 회전된 상태를 각각 나타내며, (d)는 본 발명의 일 실시예를 나타낸다. 각각의 상태에 따라, 덕트를 지나는 유동장의 형태가 변함을 확인할 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 덕트형 선박 에너지 절감 장치를 선박에 설치하였을 때, 프로펠러의 yz 단면에서 유체의 v-w 속도 벡터장의 변화를 예시한 그림이다. 도 15의 (a)는 베어 헐(bare hull) 상태, (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 덕트형 선박 에너지 절감 장치를 선박에 설치한 상태이다. (a)를 참조하면, 도 1의 (c)와 비슷하게 프로펠러를 지나는 유체의 흐름이 좌현(port) 쪽에서 불리하게 형성되어 있다. (b)를 참조하면, 도 1의 (b)와 비슷하게, 프로펠러를 지나는 유체의 흐름이 전체적으로 반시계방향으로 회전하도록 변하여, 이상적인 형태에 가까워짐을 확인할 수 있다. 즉 제2 현측에 배치되고 양의 평균 기울기를 가지는 제2 지지대(22) 및 핀(30)에 의해, 유동장이 불리하게 형성된 좌현(port) 쪽의 유체의 흐름이 상승류에서 하강류로 바뀌고, 프로펠러 회전과 반대 방향으로 유체가 회전하여 프로펠러의 추진 효율이 향상된다.
본 발명자는, 한국해양과학기술원 선박해양플랜트연구실(KRISO)에 의뢰해 제3 지지대(23)와 핀(30)이 모두 있는 상태에서 제1 지지대(21)와 제2 지지대(22)의 평균 기울기를 변화시켜가며 모형실험을 수행하였다. 이때 제1 지지대(21)의 제1 단(21-1)및 제2 단(21-2)의 기울기는 제1 지지대의 평균 기울기와 10°, --10°의 각도를 가지도록 하였다.
아래의 [표 1]은 우현의 제1 지지대(21)의 평균 기울기(각도) 및 좌현의 제2 지지대(22)의 평균 기울기(각도)의 변화에 따른, 베어 헐(bare hull) 상태 대비 전달마력(DHP-delivery horse power)의 감소량을 나타낸다.
<ESD/Bare Hull (power reduction, %)>
우현
좌현		 -10° -5° 0°
20° -3.22% -3.11% -3.39%
15° -3.22% -3.66% -3.11%
상기 결과를 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 덕트형 선박 에너지 절감 장치를 설치한 경우 제1 지지대(21) 및 제2 지지대(22)의 평균 기울기 변화(각도 변화)에 따라 평균 약 3.3%, 최대 약 3.7%의 마력 감소 효과가 있음을 확인할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 덕트형 선박 에너지 절감 장치에 따르면, 우현(starboard)에 배치되고 양 끝단이 반대 방향으로 휘어진 제1 지지대(21)에 의해 선미돌출부(S) 쪽에서의 유체의 정체 현상을 최소화하여 선박에 작용하는 과도한 저항의 증가를 감소시킬 수 있다.
좌현에 배치되고 양의 평균 기울기를 가지는 제2 지지대에 의하여, 유체의 흐름을 상승류에서 하강류로 바꾸어 프로펠러의 추진 효율을 향상시킬 수 있다.
유동장이 불리하게 형성될 수 있는 좌현(port) 쪽에 추가 배치되는 핀에 의하여, 제2 지지대를 지나기 전의 유체의 흐름을 상승류에서 하강류로 바꾸고, 제2 지지대에 작용하는 저항의 크기를 줄여, 프로펠러의 추진 효율을 향상시킬 수 있다.
본 명세서에서는 프로펠러가 시계방향으로 회전하는 경우를 주로 상정하여, 제1 지지대가 배치되는 제1 현측이 우현인 것을 위주로 설명하였다. 그러나 이와 달리 프로펠러가 반시계방향으로 회전하는 경우라도 상술한 내용을 좌우 대칭시키는 경우 본 발명의 원리가 적용될 수 있음은 물론이다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 덕트 20: 지지부
21: 제1 지지부 21-1: 제1 단
21-2: 제2 단 22: 제2 지지부
23: 제3 지지부 30: 핀
P: 프로펠러 PA: 추진축
S: 선미돌출부

Claims (7)

  1. 선박의 선미돌출부의 일부를 둘러싸는 형태로 배치되는 덕트; 및
    상기 선미돌출부와 상기 덕트의 내면(inner surface)을 연결하는 지지부;를 포함하고,
    상기 지지부는,
    상기 선미돌출부와 연결된 제1 단 및 상기 덕트의 내면과 연결된 제2 단이 서로 반대 방향으로 휘어지고, 상기 선박의 제1 현측에 배치된 제1 지지대;를 포함하는, 덕트형 선박 에너지 절감 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 단의 추진축에 대한 기울기는, 상기 제2 단의 상기 추진축에 대한 기울기보다 큰, 덕트형 선박 에너지 절감 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 지지대의 기울기는 상기 제1 단에서 상기 제2 단으로 갈수록 감소하는, 덕트형 선박 에너지 절감 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 지지부는,
    상기 선박의 제2 현측에 배치되고, 상기 선박의 추진축에 대해 양의 평균 기울기를 가지는 제2 지지대;를 더 포함하는, 덕트형 선박 에너지 절감 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 선박의 제2 현측에 배치되고,
    상기 덕트의 내면에서 상기 덕트의 중심축 방향을 향해 돌출된 복수 개의 핀;을 더 포함하는, 덕트형 선박 에너지 절감 장치.
  6. 제5 항에 있어서, 상기 복수 개의 핀 중 상대적으로 위쪽에 배치된 핀은 상대적으로 아래쪽에 배치된 핀보다 평균 기울기가 큰, 덕트형 선박 에너지 절감 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 지지부는, 상기 선박의 중앙 종단면에 대칭으로 형성되고,
    상기 선미돌출부 및 상기 덕트의 내면과 연결된 제3 지지대를 더 포함하는, 덕트형 선박 에너지 절감 장치.
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