KR101205355B1 - 선박의 러더 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선박의 러더에 설치되는 추력용 플랩 날개에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 선박의 추진 성능을 향상시킬 수 있음은 물론, 연료 절감 효과도 가져오는 플랩 날개를 구비한 선박의 러더에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 선박의 러더에 의하면, 러더 벌브의 양측에 설치되는 좌, 우 날개 중 어느 하나의 날개 끝단에 플랩부를 형성함으로써, 항력 발생을 최소화하며 양력을 증가시켜 선박의 주행 성능을 향상시킬 수 있다.

Description

선박의 러더{RUDDER FOR VESSEL}

본 발명은 선박의 러더에 설치되는 추력용 플랩 날개에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 선박의 추진 성능을 향상시킬 수 있음은 물론, 연료 절감 효과도 가져오는 플랩 날개를 구비한 선박의 러더에 관한 것이다.

일반적으로, 선박은 선미에 장착된 프로펠러의 수중 회전에 의해 추진된다. 상세히, 프로펠러는 회전하면서 주위의 물을 후방으로 밀어냄으로써 선박의 추진력을 발생시킨다.

또한, 선박의 이동 방향을 조정하기 위해, 프로펠러의 후방에는 러더(Rudder:방향타)가 설치되어 있다.

프로펠러의 회전에 의해 프로펠러의 후방에는 프로펠러의 회전 방향에 따라 회전되는 후류가 형성된다. 프로펠러에 의한 후류는 러더에 입사되며, 러더에서 프로펠러의 축선을 중심으로 상하 위치에 따라 좌우측의 압력이 각각 다르게 형성된다.

선박의 후방에서 볼 때 러더를 중심으로 시계 방향으로 회전하는 프로펠러를 예로 들면, 러더의 좌측 상부와 우측 하부에서는 압력면이 형성되고, 러더의 우측 상부와 좌측 하부에서는 흡입면이 형성된다.

즉, 프로펠러의 회전에 의해 일 방향으로 회전하는 후류가 러더에 가하는 압력은, 러더의 좌, 우측에서 각각 다른 비대칭으로 형성된다.

이러한 비대칭 압력 분포 하에서 러더가 단순한 평판의 형상, 즉 프로펠러의 축선을 기준으로 러더의 상, 하측의 두께 방향 수평 단면이 대칭인 형상으로 형성된 경우에는, 러더의 저항이 크게 될 뿐만 아니라 흡입면이 형성되는 부위에서 캐비테이션이 발생되어 러더의 침식이 야기되는 문제점이 있다.

후류에 의해 러더에 작용되는 비대칭 압력이 러더에 미치는 영향을 최소화시키면서, 선박의 추진 효율을 향상시키기 위해 러더 벌브(Rudder Bulb)가 사용될 수도 있다. 그러나, 러더 벌브는 대체적으로 프로펠러 방향으로 크게 돌출되고, 대형의 벌브가 설치되어야 한다는 단점이 있다.

일본의 카와사키(Kawasaki) 조선소의 알에프에스-에프(RFS-F)를 비롯하여 1970년대 이후부터 적용된 공지된 러더 벌브 기술은 다수가 공지되어 있으나, 대칭형으로 크기가 클 뿐만 아니라 비대칭 단면에 직접 적용이 어렵고, 플레이트를 사용하여 형상을 만들기 때문에 그 자체가 케비테이션에 의한 침식의 대상이 되고 또한 쉽게 파손되는 문제가 있다.

한편, 선박의 추진 효율을 향상시키기 위한 종래 기술로서 일본공개특허 제1999-139395호가 공지되어 있다.

일본공개특허 제1999-139395호에 따르면, 도 1에서와 같이 러더(3)에 벌브(4)를 설치하고, 이 벌브(4)의 양측으로 날개(5a, 5b)를 설치함으로써, 추진 효율이 증가되도록 구성하였다.

도 2는 도 1의 I-I'로 절개되는 측단면도로서, 상기 날개(5a, 5b)의 단면 형상을 보여준다. 도 2을 참고하면, 상기 날개(5a, 5b)는 단면이 익형(airfoil)으로 형성되어, 항력의 발생을 줄이고 양력을 증가시킬 수 있다.

또한, 도 3은 상기와 같이 벌브(4)가 형성된 상기 러더(3)를 통과하는 유동의 특성을 보여준다.

도 3을 참조하면, 프로펠러가 시계방향으로 회전하여 후류를 발생시키는 경우, 상기 러더(3)의 우측 유동은 좌측 유동에 비해 속도는 더 빠르며, 입사각은 더 작다. 반대로, 상기 러더(4)의 좌측 유동은 우측 유동에 비해 속도는 더 느리며, 입사각은 더 크다.

따라서, 상기 우측 날개(5a)의 경우 상기 좌측 날개(5b)보다 받음각(angle of attack)이 더 작다.

상기와 같이 날개를 설치하는 기술에는 다음과 같은 문제가 있다.

프로펠러 후류의 벡터 성분(angle of attack)을 고려하여 양력을 증가시키려면, 후류의 상기 날개(5a, 5b)로의 입사각을 크게 해야 한다. 그러나, 후류의 상기 날개(5a, 5b)로의 입사각이 커지면, 상기 날개(5a, 5b)를 지나는 유체가 러더(3)를 지나면서 간섭을 일으켜 와류가 발생되고, 이에 의해 항력이 증가하고 성능이 감소되는 문제가 있다.

특히, 트윈 스케그 선박의 경우, 상기 날개(5a, 5b)가 설치되는 러더 전단의 유동 입사각이 매우 작게 형성되는 바, 양력의 증가 효과가 미미하다는 문제가 있다.

본 발명의 실시예는 양력을 증가시킬 수 있는 선박의 러더를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 선박의 러더는, 프로펠러의 후류 방향에 회동 가능하게 제공되는 몸체; 상기 몸체의 상기 프로펠러측 단부에 제공되는 벌브; 상기 벌브의 양측에 형성되는 날개; 및 상기 날개 중 적어도 하나의 후단부에 하향 경사지도록 형성되는 플랩을 포함한다.

또한, 상기 날개 중 어느 하나는 다른 하나보다 스팬(span)이 짧고 상향 또는 하향 경사지도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 플랩은 상기 날개의 코드(chord) 길이의 10% 내지 40%의 길이로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 날개의 코드 라인(chord line)과 상기 플랩의 중심선이 이루는 각도는 10˚내지 40˚인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 날개 중 어느 하나에 형성되는 플랩과 다른 하나에 형성되는 플랩은 서로 다른 길이 또는 각도로 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명의 실시예에 따른 선박의 러더에 의하면, 러더 벌브의 양측에 설치되는 좌, 우 날개 중 어느 하나의 날개 끝단에 플랩부를 형성함으로써, 항력 발생을 최소화하며 양력을 증가시켜 선박의 주행 성능을 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 선박의 러더를 보여주는 도면.
도 2는 도 1의 I-I'절개되는 측단면도.
도 3은 선박의 러더를 통과하는 유동의 특성을 보여주는 도면.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 선박의 러더의 사시도.
도 5는 도 4의 II-II'로 절개되는 측단면도.
도 6은 도 4의 플랩 앵글과 받음각에 따른 양력 계수의 변화를 보여주는 그래프.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 선박의 러더의 사시도.
도 8은 도 7의 선박의 러더의 정면도.

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.

도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 선박의 러더의 사시도이고, 도 5는 도 4의 II-II'로 절개되는 측단면도이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 선박의 러더(100)는, 선미(미도시) 하부에 선체의 중심선에 일치하도록 설치된 프로펠러(미도시)의 후방에 설치될 수 있다. 프로펠러에 의해 형성되는 후류는 상기 러더(100)로 입사된다.

이하에서는 프로펠러가 선박의 후방에서 바라볼 때 시계 방향으로 회전되며, 상기 러더(100)는 상기 러더(100)의 중심선과 프로펠러의 회전축이 일직선 상에 위치되도록 배치되는 것을 예로 들어 설명하겠다.

상기 러더(100)는 선미에 수직으로 설치되고 선미부에 조립된 조타 장치에 의하여 회동될 수 있다.

상기 러더(100)에는 프로펠러에 의해 형성되는 후류의 방향을 조절하여 선체의 진행 방향을 조절하는 러더 몸체(110), 상기 몸체(110)의 프로펠러측 단부(본 실시예에서는 전단부)에 형성되는 러더 벌브(Rudder Bulb, 120), 상기 벌브(120)의 양측 방향에 형성되는 제 1 날개(130) 및 제 2 날개(140)가 포함될 수 있다.

상기 벌브(120)는 상기 몸체(110)로부터 프로펠러를 향해 소정 길이로 돌출되는 형태로 형성될 수 있다. 또한, 상기 벌브(120)는 프로펠러의 회전축에 대응되는 높이에 횡단면이 유선형이 되도록 형성될 수 있으며, 상기 몸체(110)와 일체로 형성될 수 있다.

상기 제 1 날개(130) 및 상기 제 2 날개(140) 또한 프로펠러의 회전축에 대응되는 높이에 형성될 수 있으며, 상기 날개(130, 140)는 상기 벌브(120)와 일체형으로 형성될 수 있다.

여기서, 상기 제 1 날개(130)는 상기 벌브(120)의 우측에 제공되고, 상기 제 2 날개(140)는 상기 벌브(140)의 좌측에 형성된다. 따라서, 상기 제 1 날개(130)를 우측 날개, 상기 제 2 날개(140)를 좌측 날개라고 부를 수도 있다.

상기 제 1 날개(130) 및 상기 제 2 날개(140)는 상기 몸체(110)를 중심으로 서로 대칭으로 형성될 수 있는 바, 이하에서는 상기 제 1 날개(130)를 예로 설명하겠다.

상기 제 1 날개(130)에는 프로펠러에 의해 형성되는 후류가 소정의 받음각(angle of attack, α)으로 입사될 수 있다.

아울러, 상기 제 1 날개(130)의 후측 단부, 즉 프로펠러와 먼 측 단부에는 항력 발생을 최소화하고 양력을 증가시키기 위한 플랩(131)이 형성된다. 상기 플랩(131)은 상기 제 1 날개(130)의 후측 단부가 기설정된 플랩 앵글(β)로 하향 절곡되어 형성될 수 있다.

상기 플랩 앵글(β)은 상기 제 1 날개(130)의 코드 라인(chord line)과 상기 플랩(131)의 중심선이 이루는 각도로 정의할 수 있다.

여기서, 상기 플랩 앵글(β)은 10˚내지 40˚의 각도를 이루도록 형성될 수 있다.

또한, 상기 플랩(131)의 길이(L)는 상기 제 1 날개(130)의 코드(chord) 길이의 10% 내지 40%의 길이로 형성될 수 있다.

도 6은 도 4의 플랩 앵글과 받음각에 따른 양력 계수의 변화를 보여주는 그래프이다.

도 6을 참조하면, 양력 계수(C_L)는 상기 받음각(α)이 커질수록 증가한다.

상기 제 1 날개(130) 및 상기 제 2 날개(140)는, 상기 러더(100)가 설치된 이후에는 상기 받음각(α)이 일정하게 유지된다.

도 6에는 상기 받음각(α)이 -4˚, 0˚, +4˚, +8˚, +12˚로 유지되는 경우의 등받음각 곡선이 예시로 표시되어 있다. 여기서, 등받음각 곡선은 받음각(α)이 일정하게 유지되는 상황에서 상기 플랩 앵글(β)의 변화에 따른 양력 계수(C_L)의 변화를 나타내는 곡선이다.

도 6을 참조하면, 특정 받음각(α)에서, 상기 플랩 앵글(β)이 증가함에 따라 양력 계수(C_L)가 증가함을 알 수 있다.

양력은 양력 계수의 크기에 비례하는 바, 상기 플랩 앵글(β)이 증가함에 따라 양력이 증가된다.

한편, 상기 플랩(131)을 형성하는 경우, 양력과 함께 항력도 증가할 수 있는데, 상기 플랩 앵글(β)을 10˚내지 40˚로 형성함으로써 항력 증가를 최소화함과 동시에 효과적인 양력 증가를 얻을 수 있다.

즉, 상기 제 1 날개(130)에 상기 플랩(131)을 형성하고, 상기 플랩 앵글(β)을 적정하게 조절함으로써, 선박의 속도 성능을 향상시킬 수 있다.

특히, 트윈 스케그 선박의 경우, 상기 몸체(110) 전단의 유동 입사각이 매우 작게 형성되므로 양력의 증가가 미미할 수 있는데, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 상기 러더(100)를 장착할 경우, 양력을 효과적으로 증가시킬 수 있다.

한편, 본 실시예에서는 상기 제 1 날개(130)와 상기 제 2 날개(140)가 서로 대칭으로 형성되어 상기 플립(131)이 상기 몸체(110)의 양측에 형성되는 것을 예로 들었으나, 프로펠러에 의해 형성되는 후류의 유동 특성에 따라 어느 하나의 날개에만 플립을 형성할 수도 있다.

또한, 상기 제 1 날개(130)의 플립과 상기 제 2 날개(140)의 플립이 서로 다른 길이 및 각도로 형성될 수도 있다.

이하에서는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 선박의 러더에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 다만, 제 2 실시예는 제 1 실시예와 비교하여, 제 1 날개와 제 2 날개가 비대칭으로 형성되는 점에서 차이가 있으므로, 차이점을 위주로 설명하며 동일한 부분에 대하여는 제 1 실시예의 설명과 도면 부호를 원용한다.

도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 선박의 러더의 사시도이고, 도 8은 도 7의 선박의 러더의 정면도이다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 상기 제 1 날개(130)와 상기 제 2 날개(140)는 서로 비대칭으로 형성될 수 있다.

배경 기술에서 설명한 바와 같이 도 3을 참조하면, 시계 방향으로 회전하는 프로펠러의 경우, 상기 몸체(110)의 좌측 유동은 우측 유동에 비해 유동의 속도가 작고, 입사각이 크다.

따라서, 상기 몸체(110)의 좌측에 형성되는 상기 제 2 날개(140)는 상기 제 1 날개(130)보다 스팬(span)이 짧게 형성되어도 충분한 양력을 발생시킬 수 있다. 또한, 상기 제 2 날개(140)의 크기를 작게 형성함으로써 항력의 크기는 더 줄일 수 있다.

뿐만 아니라, 상기 제 2 날개(140)를 상향 경사지도록 형성함으로써, 상기 제 2 날개(140)를 통과하는 유동이 상기 몸체(110)와 간섭되어 와류가 발생되는 문제를 방지할 수도 있다.

또한, 상기 제 1 날개(130) 및/또는 상기 제 2 날개(140)에는 후단부에 플랩(131)을 형성하여 양력을 증가시킴으로서, 선박의 주행 성능을 향상시킬 수 있다.

이상 본 발명의 실시예에 따른 선박의 러더의 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 각 구성요소의 재질, 크기 등을 적용 분야에 따라 용이하게 변경할 수 있으며, 개시된 실시형태들을 조합/치환하여 적시되지 않은 형상의 패턴을 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.

100 : 러더 110 : 몸체
120 : 벌브 130 : 제 1 날개
131 : 플랩 140 : 제 2 날개

Claims (5)

1. 프로펠러의 후류 방향에 회동 가능하게 제공되는 몸체;
   상기 몸체의 상기 프로펠러측 단부에 제공되는 벌브;
   상기 벌브의 양측에 형성되는 날개; 및
   상기 날개의 후단부에 하향 경사지도록 형성되는 플랩을 포함하고,
   상기 날개 중 어느 하나에 형성되는 플랩과 다른 하나에 형성되는 플랩은 서로 다른 길이 또는 각도로 형성되는 선박의 러더.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 날개 중 어느 하나는 다른 하나보다 스팬(span)이 짧고 상향 또는 하향으로 경사지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 선박의 러더.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 플랩은 상기 날개의 코드(chord) 길이의 10% 내지 40%의 길이로 형성되는 것을 특징으로 하는 선박의 러더.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 날개의 코드 라인(chord line)과 상기 플랩의 중심선이 이루는 각도는 10˚내지 40˚인 것을 특징으로 하는 선박의 러더.
5. 삭제

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