KR101024550B1 - 선박용 키 - Google Patents

Abstract

선박용 키가 개시된다. 선박의 선미부에 설치되는 키로서, 익형의 단면을 갖는 몸체부; 및 상기 몸체부의 표면을 따라 이동하는 유체의 흐름에 대해 비스듬한 방향으로 상기 몸체부의 표면에 설치되는 돌기부를 포함하는 선박용 키는 몸체부 표면에 돌기부를 설치하여 몸체부의 표면을 따라 이동하는 유체에 에너지를 공급하는 와류를 발생시킴으로써 선박용 키가 높은 받음각을 갖는 경우에도 이동 유체가 선박용 키의 표면으로부터 박리되는 것을 방지하여 양력을 유지할 수 있다.

키, 돌기부, 받음각, 양력

Description

선박용 키{Rudder for ship}

본 발명은 선박용 키에 관한 것으로, 보다 상세하게, 큰 받음각(angle of attack)에서도 키의 성능이 떨어지지 않도록 구성된 선박용 키에 관한 것이다.

선박에는 선박의 이동방향을 조종하기 위하여 러더(rudder) 또는 타라고 불리는 키가 설치된다. 이러한 키는 선박의 후미에 위치하게 되며, 익형(翼型)의 단면을 갖는 것이 일반적이다. 키를 이용하여 선박의 방향을 조종하는 과정은 다음과 같다.

일반적으로 선박이 프로펠러와 같은 추진기에 의해 추진력을 얻어 전방으로 이동하면, 선박의 후미에 설치되는 키는 전방으로부터 흘러오는 유체의 흐름 속에 놓이게 된다.

이 때, 익형의 단면을 갖는 키는 유체의 흐름 속에서 일정한 받음각(angle of attack)을 갖게 되는데, 이 때 키의 받음각의 크기에 따라 키에는 일 측 표면에서 타 측 표면을 향하는 양력이 발생한다.

이렇게 발생된 양력은 러더 스톡(rudder stock)에 의해 키와 연결되는 선박을 회전시키는 원동력으로 작용하며, 이로 인해 선박은 키의 방향을 회전시킴으로써 이동방향을 바꾸며 운행될 수 있다.

도 1은 종래의 키(100)의 작동과정을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 선박(미도시)이 전방으로 이동함에 따라 선박의 후미에 설치되는 익형의 단면을 갖는 키(100)가 유체(해수)의 흐름(170)에 놓이게 된다.

이 때, 키(100)는 리딩 에지(leading edge)로 불리는 전단(110) 및 후단(120)을 잇는 직선과 유체의 흐름(170)이 이루는 각도인 받음각(angle of attack)이 α가 되도록 조종된다.

이와 같이 키(100)가 일정한 받음각을 가지면, 키의 전단(110)으로부터 A 표면을 따라 후단(120)으로 이동하는 유체의 속도와, 키의 전단(110)으로부터 B 표면을 따라 후단(120)으로 이동하는 유체의 속도가 달라지게 된다.

보다 상세히, 키(100)의 B 표면을 지나는 유속은 A 표면을 지나는 유속에 비해 상대적으로 느려지게 되고, 이로 인해 A 표면에서 발생되는 압력이 B 표면에서 발생되는 압력에 비해 낮아지게 된다.

이에 따라, 유체의 흐름(170)에 대해 일정한 받음각을 가지는 키(100)에는 B 표면으로부터 A 표면을 향하는 양력(F)이 발생한다. 이러한 양력(F)이 키(100)와 연결되어 있는 선박을 회전시켜 선박의 이동방향이 바뀌게 된다.

한편, 종래의 키(100)에서는 단면 형상에 따라 받음각이 대략 15~25도를 넘어가게 되는 경우, 키(100)의 전단(110)으로부터 A 표면을 따라 이동하는 유체가 이동과정에서 A 표면으로부터 떨어져나가 유동박리가 발생하게 된다.

이러한 유동박리가 발생되는 이유는 이동 유체가 마찰력 등과 같은 원인에 의해 A 표면을 따라 이동하기 위해 필요한 에너지 및 운동량(momentum)을 상실하였기 때문이다.

이와 같이 A 표면에서 유동박리가 발생하면 A 표면을 따라 이동하는 유체가 A 표면의 중간에서 떨어져 나감으로써 A 표면 및 B 표면을 따라 이동하는 유체 간에 속도차가 발생되는 것을 차단한다. 이와 같이 속도차 발생이 차단되면 키(100)에 발생하는 양력이 줄어들게 된다.

따라서, 종래의 키(100)는 받음각이 대략 15~25도를 넘어가게 되면, 유동 박리에 의한 양력의 감소로 인해 선박을 조종하기 위한 수단으로서의 키의 성능이 급속하게 떨어지는 문제점이 있었다.

본 발명은 높은 받음각(angle of attack)에서도 양력을 발생시켜 키의 성능을 유지시키는 선박용 키를 제공하는 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면, 선박의 선미부에 설치되는 키로서, 익형의 단면을 갖는 몸체부; 및 상기 몸체부의 표면을 따라 이동하는 유체의 흐름에 대해 비스듬한 방향으로 상기 몸체부의 표면에 설치되는 돌기부를 포함하는 선박용 키가 제공된다.

이 때, 상기 돌기부는 상기 몸체부의 표면에 수직으로 설치되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 돌기부는 상기 몸체부의 전단으로부터 상기 몸체부의 전후단 길이의 50% 이내에 위치하도록 설치될 수 있다.

이 때, 상기 돌기부는 상기 몸체부의 전단으로부터 상기 몸체부의 전후단 길이의 10% 내지 30%에 위치하도록 설치되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 돌기부는 삼각평판, 사각평판, 오각평판, 육각평판, 삼각뿔, 사각뿔 및 반구형상 중 어느 하나의 형상으로 이루어질 수 있다.

이 때, 상기 돌기부는 상기 몸체부의 전후단을 중심으로 상기 몸체부의 양측 표면에 설치될 수 있다.

이 때, 상기 돌기부는 복수개로 이루어지고, 상기 복수개의 돌기부는 유체 흐름 방향에 수직하게 이격되어 설치될 수 있다.

한편, 상기 돌기부는 선박의 부식을 방지하기 위한 아노드(anode)로 이루어질 수 있다.

본 발명은 몸체부 표면에 돌기부를 설치하여 몸체부의 표면을 따라 이동하는 유체에 에너지를 공급하는 와류를 발생시킴으로써 선박용 키가 높은 받음각을 갖는 경우에도 이동 유체가 선박용 키의 표면으로부터 박리되는 것을 방지하여 양력을 유지할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부되는 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 키(10)의 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 키(10)의 측면도이며, 도 4는 도 3의 CC'의 단면도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 키(10)는 선박(미도시)의 후미에 설치되어 선박의 이동방향을 조종하기 위한 것으로서, 도 2 내지 도 4를 참조하면, 몸체부(20) 및 돌기부(30)를 포함한다.

상기 몸체부(20)는 선박(미도시)의 이동방향을 조종하기 위해 필요한 양력(upward force)을 발생시키기 위한 구성으로서 전단부가 후단부에 비해 더 두터운 익형(翼型)의 단면 형상을 갖는다.

이 때, 상기 몸체부(20)의 단면은 리딩 에지(leading edge)로 불리는 전단(21)과 후단(22)을 잇는 직선을 기준으로 양측이 일반적으로 대칭인 형상으로 이루어지는 것이 바람직하나 필요에 따라 비대칭 형상도 가능하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 몸체부(20)는 러더 스톡(rudder stock)(미도시)에 의해 선박의 후미에 회전가능하게 설치된다. 이 때, 상기 몸체부(20)는 선박의 이동 방향에 따라 다양한 각도로 적절히 회전되도록 제어된다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 키(10)가 유체(해수)의 흐름에서 양력을 발생시키는 과정은 종래의 키(100)의 경우와 동일하므로 설명을 생략하기로 한다.

상기 돌기부(30)는 상기 몸체부(20)의 표면을 따라 이동하는 유체에 에너지를 공급하기 위한 구성으로서 평판 형상으로 이루어진다. 보다 상세히, 도 2 및 도 4를 참조하면, 상기 돌기부(30)는 사각형 평판 형상으로 이루어진다.

이 때, 상기 돌기부(30)의 길이는 대략 상기 몸체부(20)의 전후단 길이(L)의 0.1%~5% 사이의 값을 가지고, 그 높이는 대략 상기 돌기부(30) 길이의 10%~200% 사이의 값을 가지며, 그 두께는 대략 상기 돌기부(30) 길이의 1%~50% 사이의 값을 가질 수 있다.

다만, 본 발명의 일 실시예에 따른 돌기부(30)는 사각형 평판 형상으로 이루어져 있으나 이는 예시에 불과하며, 필요에 따라 삼각형, 오각형 및 육각형 등의 평판 형상이나 삼각뿔, 사각뿔 및 반구형상 등의 다양한 입체형상으로 이루어질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 돌기부(30)는 상기 몸체부(20)의 표면에 설치된다. 이 때, 상기 돌기부(30)는 상기 몸체부(20)의 표면과 직각을 이루도록 배치되는 것이 바람직하다.

도 3을 참조하면, 상기 돌기부(30)는 상기 몸체부(20)의 표면을 따라 이동하는 유체의 흐름에 대해 일정한 각도를 갖도록 비스듬하게 설치된다. 이 때, 상기 돌기부(30)는 상기 몸체부(20)의 표면을 따라 이동하는 유체와의 관계에서 일정한 받음각(angle of attack)을 갖는 날개로서 작용한다.

이 때, 몸체부(20)의 표면을 따라 이동하는 유체는 상기 돌기부(30)의 표면을 따라 비스듬히 이동하다가 상기 돌기부(30)의 단부에서 떨어져 나가면서 와류를 형성하게 된다.

이와 같이 발생된 와류는 몸체부(20)의 전단(21)으로부터 몸체부(20)의 표면을 따라 후단(22)으로 이동하는 전체적인 유체의 흐름에 에너지를 공급하고 유체의 운동량(momentum)을 향상시킨다.

따라서, 상기 몸체부(20)가 대략 15~25도가 넘는 높은 받음각을 가질 때에도 상기 돌기부(30)에 의해 발생된 와류가 몸체부(20)를 따라 이동하는 유체에 에너지를 공급함으로써 이동 유체가 몸체부(20)의 표면으로부터 이탈하는 유동박리를 효과적으로 방지할 수 있다.

도 2 및 도 4를 참조하면, 상기 돌기부(30)는 몸체부(20)의 전단(21)과 후단(22)을 잇는 직선을 기준으로 양측 표면에 설치된다. 이로 인해 선박의 이동방향에 따라 다양한 각도로 회전하는 몸체부(20)의 양측 표면 모두에서 유동박리를 방지할 수 있다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 돌기부(30)는 몸체부(20)를 따라 이동하는 유체에 충분한 에너지 및 운동량을 공급하기 위해 복수개로 이루어진다.

그리고 복수개로 이루어진 상기 돌기부(30)는 상기 몸체부(20) 쪽으로 흘러들어오는 유체의 흐름에 대해 수직한 방향(또는 도 3에서 볼 때 상기 몸체부(20)의 상하방향)으로 일렬로 설치되고, 상기 몸체부(20)의 표면을 따라 이동하는 유체의 전체적인 흐름을 방해하지 않도록 소정의 간격을 두고 배치된다.

이 때, 상기 돌기부(30)는 상기 돌기부(30)의 길이의 대략 1배~10배의 간격을 두고 상기 몸체부(20)에 일렬로 설치될 수 있다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 돌기부(30)는 와류를 발생시켜 몸체부(20)의 표면을 따라 이동하는 유체에 에너지를 공급하기 위해서 적어도 몸체부(20)의 전단(21)으로부터 전후단 길이(L)의 50%에 해당하는 위치(d3) 이내에 설치되는 것이 바람직하다.

이 때, 상기 돌기부(30)는 몸체부(20)의 전단(21)으로부터 전후단 길이(L)의 10% 내지 30%에 해당하는 위치(d1~d2)에 설치되는 것이 보다 바람직하다. 상기 돌기부(30)가 이와 같이 설치됨으로써, 와류에 의한 에너지가 이동 유체에 충분히 공급될 수 있고, 이로 인해 이동 유체가 상기 몸체부(20)의 표면에서 유동박리되는 것이 효과적으로 방지될 수 있다.

한편, 상기 돌기부(30)는 선박의 부식을 방지하기 위해 선박의 표면에 설치되는 아노드(anode)로 이루어질 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 키(10)가 높은 받음각에서도 양력을 발생시키는 과정을 나타내는 개략도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 키(10)는 선박(미도시)이 프로펠러와 같은 추진기를 사용하여 전방으로 이동할 때 발생되는 유체(해수)의 흐름(170) 속에 대략 15~25도가 넘는 높은 받음각(angle of attack)을 가지 고 위치한다.

이 때, 상기 선박용 키(10)의 몸체부(20)의 우측 표면(도 5를 볼때)에는 복수개의 돌기부(30)가 소정의 간격으로 이격되어 설치된다. 또한, 상기 돌기부(30)는 평판 형상으로 이루어지며, 상기 몸체부(20)의 우측 표면을 따라 이동하는 유체에 대해 일정한 각도를 갖도록 비스듬하게 배치된다.

이와 같이 상기 돌기부(30)가 상기 몸체부(20)에 설치됨으로써, 상기 몸체부(20)의 우측 표면을 따라 이동하는 유체는 이동 과정에서 상기 돌기부(30)를 만나게 되고 상기 돌기부(30)의 단부를 지나가는 순간 와류를 발생하게 된다.

이렇게 발생된 와류는 상기 몸체부(20)의 우측 표면을 따라 이동하는 유체의 전체적인 흐름에 에너지를 공급하게 된다. 이로 인해 상기 몸체부(20)의 우측 표면을 따라 이동하는 유체는 유동박리 되지 않고 상기 몸체부(20)의 후단(22)까지 이동하게 된다.

한 편, 상기 몸체부(20)의 우측 및 좌측 표면을 따라 이동하는 유체의 속도는 서로 상이하다. 보다 상세히 상기 몸체부(20)의 좌측 표면을 따라 이동하는 유체의 속도가 우측 표면을 따라 이동하는 유체의 속도보다 상대적으로 느리다.

이 때, 베르누이 정리에 의하면 유속이 느린 좌측 표면의 압력이 우측 표면의 압력에 비해 상대적으로 커진다. 이로 인해 상기 몸체부(20)의 좌측 표면으로부터 우측 표면으로 양력이 발생한다.

이와 같은 일련의 과정을 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 키(10)는 높은 받음각에서도 양력을 발생시키고 선박을 조종하기 위한 수단으로서의 키의 기 능을 효과적으로 발휘할 수 있다.

이상에서 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 키에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.

도 1은 종래의 선박용 키의 작동과정을 개략적으로 나타내는 도면,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 키의 사시도,

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 키의 측면도,

도 4는 도 3의 CC'단면도,

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 키가 높은 받음각에서도 양력을 발생시키는 과정을 개략적으로 나타내는 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 선박용 키 20 : 몸체부

21 : 전단 22 : 후단

30 : 돌기부

Claims (8)

1. 선박의 선미부에 설치되는 키로서,

   익형의 단면을 갖는 몸체부; 및

   상기 몸체부의 표면을 따라 이동하는 유체의 흐름에 대해 비스듬한 방향으로 상기 몸체부의 표면에 설치되고, 상기 몸체부의 전단으로부터 상기 몸체부의 전후단 길이의 10% 내지 30%에 위치하도록 설치되는 돌기부를 포함하고,

   상기 돌기부에 의해 형성된 와류가 상기 몸체부의 표면을 따라 이동하는 유체의 흐름에 에너지를 공급하는 선박용 키.
2. 제1항에 있어서,

   상기 돌기부는 상기 몸체부의 표면에 수직으로 설치되는 선박용 키.
3. 제1항에 있어서,

   상기 돌기부는 삼각평판, 사각평판, 오각평판, 육각평판, 삼각뿔, 사각뿔 및 반구형상 중 어느 하나의 형상으로 이루어진 선박용 키.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 돌기부는 상기 몸체부의 전후단을 중심으로 상기 몸체부의 양측 표면에 설치되는 선박용 키.
5. 제4항에 있어서,

   상기 돌기부는 복수개로 이루어지고, 상기 복수개의 돌기부는 유체 흐름 방향에 수직하게 이격되어 설치되는 선박용 키.
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 돌기부는 선박의 부식을 방지하기 위한 아노드(anode)로 이루어진 선박용 키.
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8. 삭제

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