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KR101661584B1 - 추진기 소음 및 진동 저감을 위한 비대칭 반류 생성 와류 발생기 - Google Patents

추진기 소음 및 진동 저감을 위한 비대칭 반류 생성 와류 발생기 Download PDF

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KR101661584B1
KR101661584B1 KR1020150030460A KR20150030460A KR101661584B1 KR 101661584 B1 KR101661584 B1 KR 101661584B1 KR 1020150030460 A KR1020150030460 A KR 1020150030460A KR 20150030460 A KR20150030460 A KR 20150030460A KR 101661584 B1 KR101661584 B1 KR 101661584B1
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KR
South Korea
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propeller
vortex
plate
flow
vibration
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KR1020150030460A
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설한신
김기섭
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한국해양과학기술원
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Abstract

본 발명은 선박에 설치되는 추진기(propeller)에 유입되는 유동을 제어하여 선박 추진기 날개면에 발생하는 캐비테이션(cavitation)을 감소하는 것에 의해 추진기의 소음 및 진동을 감소할 수 있도록 구성되는 추진기 소음 및 진동 저감을 위한 비대칭 반류 생성 와류 발생기에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 추진기 전방의 선체 표면에 부착되어 추진기에 유입되는 유동을 제어하기 위해 날개 형상의 구조물이 유입 유동과의 받음각을 가지게 하여 유체 힘에 의한 유속 및 유동 방향을 제어하도록 구성되어 대형 구조물이 되어야 효과를 볼 수 있는 단점이 있으며, 또한, 추진기 전방의 선체 표면에 부착되어 수평(tangential) 방향의 속도를 변화시키는 것에 의해 전류(Pre-swirl) 효과에 의한 추진기 효율 향상의 효과가 있는 반면, 캐비테이션 증가에 의해 추진기 소음 및 진동이 증가하는 부작용이 있었던 종래기술의 날개 형상의 부가물 또는 유동 제어 핀(flow control fin)의 문제점을 해결하기 위해, 비대칭 와류 발생에 의한 축(axial) 방향의 속도 변화를 통해 날개면에 유입되는 받음각을 감소함으로써 캐비테이션이 가장 많이 발생하는 프로펠러면 1 사분면 또는 2 사분면 쪽의 유동을 특히 빠르게 만드는 비대칭적 반류(wake) 분포를 생성하여 캐비테이션 소음 발생을 최소화할 수 있도록 구성되는 추진기 소음 및 진동 저감을 위한 비대칭 반류 생성 와류 발생기가 제공된다.

Description

추진기 소음 및 진동 저감을 위한 비대칭 반류 생성 와류 발생기{vortex generator makes asymmetric wake for reducing propeller induced noise and vibration}
본 발명은 선박에 설치되는 추진기(propeller)의 소음 및 진동 저감을 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 추진기에 유입되는 유동을 제어하여 선박 추진기 날개면에 발생하는 캐비테이션(cavitation)을 감소하는 것에 의해 추진기의 소음 및 진동을 감소시킬 수 있도록 구성되는 추진기 소음 및 진동 저감을 위한 비대칭 반류 생성 와류 발생기에 관한 것이다.
일반적으로, 선박은, 선체에 설치되는 엔진의 회전축에 연결되어 엔진의 구동력으로 회전함으로써 추진력을 발생시키는 추진기(propeller)를 통해 전진하며, 이러한 추진기는, 각각의 운항조건에 따라 추진기 날개의 형상 및 크기 등이 다양하게 설계된다.
또한, 추진기는, 추진기 날개를 지나는 유동에 의해 추력과 토크를 발생하게 되는데, 이때, 토크는 엔진의 구동력으로 극복되고, 발생한 추력을 이용하여 배가 전진하게 된다.
아울러, 최근에는, 선박에 보다 많은 여객과 화물을 탑재하여 빠르게 운반하는 것에 의해 선박의 운항비용을 절감하기 위해 선박의 대형화 및 고속화가 이루어지고 있으나, 이러한 선박의 대형화와 고속화는 엔진 마력을 증가시켜 추진기의 부하를 증가시키고, 이는 추진기에 의한 변동 압력 및 진동의 증가를 야기하게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 종래, 선박의 추진효율 향상 및 추진기에 의한 변동 압력 및 진동을 감소하기 위한 다양한 기술들이 개발되어 왔다.
즉, 상기한 바와 같은 선박의 추진효율 향상 및 추진기에 의한 진동을 감소하기 위한 종래기술의 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허 제10-1293006호에 따르면 "선속 향상 및 선미부의 유동 개선을 위한 선미 부가물"이 제시된 바 있고, 또한, 한국 등록특허 제10-1066213호에 따르면 "정체류 감소 및 전진력 발생 기능을 가지는 날개형 유동개선 장치"가 제시된 바 있으며, 아울러, 한국 등록특허공보 제10-0416720호에 따르면 "비대칭 전류 고정 날개"가 제시된 바 있다.
더 상세하게는, 먼저, 등록특허 제10-1293006호에 제시된 선속 향상 및 선미부의 유동 개선을 위한 선미 부가물은, 프로펠러의 전방 상측부 선미 표면에 횡 방향으로 이격되어 대칭되게 하향 설치되는 일정 길이의 지지축 및 상기 지지축의 선단부에 고정되어 상기 프로펠러의 상측부에 평행하게 대향되도록 횡방향으로 설치되는 일정 길이의 유동 조절블레이드로 구성됨으로써, 선미에 발생되는 수류의 유동 개선을 통해 저항을 감소시킴과 동시에 프로펠러의 공동형상(cavitation)을 최소화하여 추진력을 향상시킬 수 있도록 구성되는 선미 부가물에 관한 것이다.
아울러, 등록특허 제10-1066213호에 제시된 정체류 감소 및 전진력 발생 기능을 가지는 날개형 유동개선 장치는, 선미 추진기 전방의 비교적 균일한 유동영역에 부착되어 날개의 양력을 일부 추력으로 사용하고 날개 장치와 선체 표면 사이의 유동을 가속시켜 박리지점 이동 및 선미 저속 유동장의 체적을 감소시키는 것에 의해 추진기 유입유동을 개선하는 효과를 가짐으로써, 프로펠러로 유입되는 유동의 유속을 높여 프로펠러 효율을 향상시키고, 추가적인 추력을 발생하여 선박의 연료를 절감할 수 있도록 구성되는 유동개선 장치에 관한 것이다.
더욱이, 상기한 등록특허 제10-0416720호에 제시된 비대칭 전류 고정 날개는, 비대칭 전류 날개(asymmetric preswirl stator)의 개념을 도입하여, 추진기에 유입되는 유동의 수평(tangential) 방향의 속도를 변화시키는 것에 의해 전류(Pre-swirl) 효과를 발생시켜 추진기 효율을 향상시키는 유동개선 장치에 관한 것이다.
상기한 바와 같이, 종래, 복잡한 장치를 설치하지 않고 간단한 구성을 통해 효율적으로 선박의 추진효율을 향상시킬 수 있도록 하기 위해 다양한 기술내용들이 제시된 바 있으나, 상기한 바와 같은 종래의 기술내용들은 다음과 같은 문제점이 있는 것이었다.
즉, 추진기에 의한 변동 압력 및 진동을 감소하기 위한 종래의 기술들은, 일반적으로, 날개 형상의 부가물이나 유동 제어 핀(flow control fin) 등을 선체에 부착하여 추진기에 유입되는 유동을 제어하는 것에 의해 추진기 날개면에 발생하는 캐비테이션을 감소하여 선박 추진기 소음의 주원인인 캐비테이션 소음을 감소하도록 구성되나, 이러한 장치들은, 추진기에 유입되는 유동을 제어하기 위해 날개 형상의 구조물이 유입 유동과의 받음각을 가지게 하여 유체 힘에 의한 유속 및 유동 방향을 제어하기 때문에 대형 구조물이 되어야 효과를 볼 수 있다는 단점이 있는 것이었다.
또한, 상기한 날개 형상의 부가물이나 유동제어 핀은, 추진기 소음 및 진동 저감의 관점이 아니라, 추진기 유입류의 유동 중 수평(tangential) 방향의 변화를 주어 전류(Pre-swirl) 효과를 발생시키는 것에 의해 추진기의 효율 향상을 유도하는 방법을 제시하고 있으나, 이러한 장치들은, 추진기 효율은 향상시키는 반면, 날개면의 받음각이 증가하여 추진기 면에서 캐비테이션이 과도하게 발생함으로 인해 추진기 소음 및 진동의 측면에는 악영향을 미치게 되는 단점이 있었다.
따라서 상기한 바와 같이, 추진기 전방의 선체 표면에 부착되어 추진기에 유입되는 유동을 제어하기 위해 날개 형상의 구조물이 유입 유동과의 받음각을 가지게 하여 유체 힘에 의한 유속 및 유동 방향을 제어하도록 구성되어 대형 구조물이 되어야 효과를 볼 수 있는 단점에 있으며, 또한, 수평(tangential) 방향의 속도를 변화시키는 것에 의해 추진기에 유입되는 유동을 제어하여 전류(Pre-swirl) 효과에 의한 추진기 효율 향상의 효과가 있으나 캐비테이션 증가에 의한 추진기 소음 및 진동이 증가하는 부작용을 야기하는 단점이 있었던 종래기술의 날개 형상의 부가물이나 유동 제어 핀(flow control fin)들의 문제점을 해결하기 위하여는, 작은 구조물로도 유속의 제어가 가능한 와류를 발생하여 수평(tangential) 방향의 속도변화보다 축(axial) 방향의 속도 변화를 통해 날개면에 유입되는 받음각을 줄여주는 것에 의해, 전반적으로 유동을 빠르게 만들면서도, 선미 측에서 선수 측으로 바라보았을 때 프로펠러의 회전방향이 시계방향인 경우, 캐비테이션이 특히 많이 발생하는 프로펠러면 1 사분면 쪽의 유동을 특별히 빠르게 만드는 비대칭적 반류(wake) 분포를 생성하여 캐비테이션 소음 발생을 최소화할 수 있도록 구성되는 새로운 구성의 와류 발생기를 제공하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제공되지 못하고 있는 실정이다.
여기서, 본 발명에 있어서, 1 사분면이란, 선박의 후미에서 프로펠러 측을 바라보았을 때의 평면을 프로펠러 축의 중심을 기준으로 90도씩 4 등분하여 우측 상단의 영역을 1 사분면으로 하고, 나머지 영역은 반시계 방향으로 돌아가면서 차례로 2, 3, 4 분면으로 정의하며, 이때, 프로펠러의 회전방향은 시계 방향인 것으로 가정한다.
즉, 프로펠러가 반시계방향으로 회전할 경우, 캐비테이션이 특히 많이 발생하는 영역은 2사분면이 되고, 와류 발생기는 프로펠러가 시계 방향으로 회전하는 경우에 대하여 좌우를 바꾸어 부착하도록 구성된다.
[선행기술문헌]
1. 한국 등록특허공보 제10-1293006호 (2013.07.29.)
2. 한국 등록특허공보 제10-1066213호 (2011.09.14.)
3. 한국 등록특허공보 제10-0416720호 (2004.01.15.)
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 추진기 전방의 선체 표면에 부착되어 추진기에 유입되는 유동을 제어하기 위해 날개 형상의 구조물이 유입 유동과의 받음각을 가지게 하여 유체 힘에 의한 유속 및 유동 방향을 제어하도록 구성되어 대형 구조물이 되어야 효과를 볼 수 있는 단점이 있었던 종래기술의 날개 형상의 부가물 또는 유동 제어 핀(flow control fin) 및 추진기 전방의 선체 표면에 부착되어 수평(tangential) 방향의 속도를 변화시키는 것에 의해 전류(Pre-swirl) 효과에 의한 추진기 효율 향상의 효과가 있는 반면, 캐비테이션 증가에 의해 추진기 소음 및 진동이 증가하는 부작용이 있었던 종래기술의 날개 형상의 부가물 또는 유동 제어 핀(flow control fin)의 문제점을 해결하기 위해, 비대칭 와류 발생에 의한 축(axial) 방향의 속도 변화를 통해 날개면에 유입되는 받음각을 감소함으로써 프로펠러를 선미 측에서 선수 측으로 바라보았을 때 시계 방향으로 회전하는 경우 캐비테이션이 가장 많이 발생하는 프로펠러면 1 사분면 쪽의 유동을 특히 빠르게 만드는 비대칭적 반류(wake) 분포를 생성하여 캐비테이션 소음 발생을 최소화할 수 있도록 구성되는 추진기 소음 및 진동 저감을 위한 비대칭 반류 생성 와류 발생기를 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 선체의 좌우 측면에 비대칭으로 부착되는 와류 발생기에 의해 비대칭 와류 발생에 의한 축(axial) 방향의 속도 변화를 유도하고 캐비테이션이 가장 많이 발생하는 프로펠러면 1 사분면 쪽의 유동을 특히 빠르게 만드는 비대칭적 반류(wake) 분포를 생성하여 1 사분면을 지나는 날개 면에 유입되는 받음각을 감소시키고 추진기 날개면의 유동과 이루는 받음각이 평준화되며, 추진기 면에 유입되는 반류의 균일화를 통해 유동 정류 성능을 향상시킴으로써, 캐비테이션 소음 및 진동을 감소할 수 있도록 구성되는 추진기 소음 및 진동 저감을 위한 비대칭 반류 생성 와류 발생기를 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 추진기 전방의 선체 표면에 부착되어 추진기에 유입되는 유동을 제어하기 위해 날개 형상의 구조물이 유입 유동과의 받음각을 가지게 하여 유체 힘에 의한 유속 및 유동 방향을 제어하도록 구성되어 대형 구조물이 되어야 효과를 볼 수 있는 단점이 있었던 종래기술의 날개 형상의 부가물 또는 유동 제어 핀(flow control fin) 및 추진기 전방의 선체 표면에 부착되어 수평(tangential) 방향의 속도를 변화시키는 것에 의해 전류(Pre-swirl) 효과에 의한 추진기 효율 향상의 효과가 있는 반면, 캐비테이션 증가에 의해 추진기 소음 및 진동이 증가하는 부작용이 있었던 종래기술의 날개 형상의 부가물 또는 유동 제어 핀(flow control fin)의 문제점을 해결하기 위한 추진기 소음 및 진동 저감을 위한 비대칭 반류 생성 와류 발생기에 있어서, 프로펠러가 시계방향으로 회전할 시, 금속판 형태로 형성되어 상기 추진기 전방의 선박의 우현(상기 프로펠러가 반시계 방향으로 회전시는 좌현) 측에 부착되는 제 1 와류생성판을 포함하여 구성됨으로써, 상기 캐비테이션이 가장 많이 발생하는 부분에 해당하는 상기 추진기의 우측 상부(상기 프로펠러가 반시계 방향으로 회전 시는 좌측 상부)에서 상기 추진기의 날개면으로 유입되는 유동의 유입속도를 더욱 빠르게 증가시키는 비대칭 반류(wake)를 생성하여 상기 추진기의 각 날개에 유입되는 유동의 받음각을 감소하는 것에 의해, 상기 캐비테이션이 가장 많이 발생하는 상기 추진기의 우측 상부(상기 프로펠러가 반시계 방향으로 회전 시는 좌측 상부)에서의 상기 캐비테이션의 발생을 감소하여 상기 추진기에 의한 소음 및 진동을 감소할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 추진기 소음 및 진동 저감을 위한 비대칭 반류 생성 와류 발생기가 제공된다.
여기서, 상기 와류 발생기는, 상기 제 1 와류생성판과 동일한 형태의 금속판 형태로 형성되어 상기 제 1 와류생성판의 맞은편인 상기 추진기 전방의 상기 선박의 좌현(상기 프로펠러가 반시계 방향으로 회전 시는 우현) 측에 부착되는 제 2 와류생성판을 더 포함하여 구성되고, 상기 제 1 와류생성판 및 상기 제 2 와류생성판은, 상기 선박의 좌우 측면의 동일한 위치에 각도를 각각 달리하여 부착됨으로써, 상기 캐비테이션이 가장 많이 발생하는 부분에 해당하는 상기 추진기의 우측 상부(상기 프로펠러가 반시계 방향으로 회전 시는 좌측 상부)에서 상기 추진기의 날개면으로 유입되는 유동의 유입속도를 더 빠르게 증가시키는 비대칭 반류(wake)를 생성하여 상기 추진기의 각 날개에 유입되는 유동의 받음각을 감소하는 것에 의해, 상기 캐비테이션이 가장 많이 발생하는 상기 추진기의 우측 상부에서의 상기 캐비테이션의 발생을 감소하여 상기 추진기에 의한 소음 및 진동을 감소할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 와류 발생기는, 상기 제 1 와류 발생기보다 상기 추진기 측에 더 가까운 위치에 상기 제 1 와류 발생기와 같은 높이로 상기 선박의 우현(상기 프로펠러가 반시계 방향으로 회전시는 좌현) 측에 부착되는 제 3 와류생성판을 더 포함하여 구성됨으로써, 상기 캐비테이션이 가장 많이 발생하는 상기 추진기의 우측(상기 프로펠러가 반시계 방향으로 회전시는 좌측) 상부에서 상기 추진기의 날개면으로 유입되는 유동의 유입속도를 더욱 빠르게 증가시켜 상기 추진기의 각 날개에 유입되는 유동의 받음각을 더 크게 감소하는 것에 의해 상기 캐비테이션의 발생을 더욱 크게 감소할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 와류생성판 및 상기 제 2 와류생성판은, 상기 선박의 선두부(FP)에서 선미부(AP)까지의 길이(AP ~ FP)를 상기 선박의 전체 길이(LBP)라 할 때, 상기 선미부(AP)에서부터 상기 전체 길이(LBP)의 12% ~ 18% 사이에 해당하는 위치에 각각 부착되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 제 3 와류생성판은, 상기 선미부(AP)에서부터 상기 전체 길이(LBP)의 8% ~ 15% 사이에 해당하는 위치에 부착되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 제 1 와류생성판 내지 상기 제 3 와류생성판은, 상기 선박의 선저면에서부터 상기 추진기의 축 높이까지의 범위 내에 설치되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 와류생성판 내지 상기 제 3 와류생성판은, 각각 5각형 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 제 1 와류생성판 내지 상기 제 3 와류생성판은, 상기 와류 생성판에 유입되는 유동과 상기 와류 생성판이 이루는 받음각이 5 ~ 15도 사이가 되도록 하는 각도로 설치되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 와류 발생기는, 상기 프로펠러가 시계 방향으로 회전시 상기 선박의 우현(상기 프로펠러가 반시계 방향으로 회전시는 좌현)에 설치되는 상기 제 1 와류생성판 및 상기 제 3 와류생성판과 상기 선박의 좌현(상기 프로펠러가 반시계 방향으로 회전시는 우현)에 설치되는 상기 제 2 와류생성판의 부착각도 차이가 0 ~ 10도 사이로 설치되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또는, 상기 와류 발생기는, 상기 프로펠러가 시계 방향으로 회전시 상기 선박의 우현(상기 프로펠러가 반시계 방향으로 회전시는 좌현)에 설치되는 상기 제 1 와류생성판 및 상기 제 3 와류생성판과 상기 선박의 좌현(상기 프로펠러가 반시계 방향으로 회전시는 우현)에 설치되는 상기 제 2 와류생성판의 부착각도 차이가 1 ~ 10도 사이로 설치되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또는, 상기 와류 발생기는, 상기 프로펠러가 시계 방향으로 회전시 상기 선박의 우현(상기 프로펠러가 반시계 방향으로 회전시는 좌현)에 설치되는 상기 제 1 와류생성판 및 상기 제 3 와류생성판과 상기 선박의 좌현(상기 프로펠러가 반시계 방향으로 회전시는 우현)에 설치되는 상기 제 2 와류생성판의 부착각도 차이가 1 ~ 5도 사이로 설치되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기에 기재된 추진기 소음 및 진동 저감을 위한 비대칭 반류 생성 와류 발생기를 이용하여 캐비테이션의 발생을 감소함으로써 선박의 소음 및 진동을 저감할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 추진기 소음 및 진동 저감방법이 제공된다.
아울러, 본 발명에 따르면, 상기에 기재된 추진기 소음 및 진동 저감을 위한 비대칭 반류 생성 와류 발생기를 부착하는 것에 의해 캐비테이션의 발생을 감소함으로써 소음 및 진동을 저감할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 선박이 제공된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 비대칭 와류 발생에 의한 축(axial) 방향의 속도 변화를 통해 날개면에 유입되는 받음각을 감소하는 것에 의해 프로펠러 회전 방향이 선미 측에서 선수 측으로 바라보았을 때 시계 방향인 경우 캐비테이션이 가장 많이 발생하는 프로펠러면 1 사분면(프로펠러 회전방향이 반시계 방향인 경우는 2 사분면) 쪽의 유동을 특히 빠르게 만드는 비대칭적 반류(wake) 분포를 생성하여 캐비테이션 소음 및 진동을 최소화할 수 있도록 구성되는 추진기 소음 및 진동 저감을 위한 비대칭 반류 생성 와류 발생기가 제공됨으로써, 추진기 전방의 선체 표면에 부착되어 추진기에 유입되는 유동을 제어하기 위해 날개 형상의 구조물이 유입 유동과의 받음각을 가지게 하여 유체 힘에 의한 유속 및 유동 방향을 제어하도록 구성되어 대형 구조물이 되어야 효과를 볼 수 있는 단점이 있었던 종래기술의 날개 형상의 부가물 또는 유동 제어 핀(flow control fin) 및 추진기 전방의 선체 표면에 부착되어 수평(tangential) 방향의 속도를 변화시키는 것에 의해 전류(Pre-swirl) 효과에 의한 추진기 효율 향상의 효과가 있는 반면, 캐비테이션 증가에 의해 추진기 소음 및 진동이 증가하는 부작용이 있었던 종래기술의 날개 형상의 부가물 또는 유동 제어 핀(flow control fin)의 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 비대칭 와류 발생에 의한 축(axial) 방향의 속도 변화를 통해 날개면에 유입되는 받음각을 감소하는 것에 의해 프로펠러 회전 방향이 선미 측에서 선수 측으로 바라보았을 때 시계 방향인 경우 캐비테이션이 가장 많이 발생하는 프로펠러면 1 사분면(프로펠러 회전방향이 반시계 방향인 경우는 2 사분면) 쪽의 유동을 특히 빠르게 만드는 비대칭적 반류(wake) 분포를 생성하여 캐비테이션 소음 및 진동을 최소화할 수 있도록 구성되는 추진기 소음 및 진동 저감을 위한 비대칭 반류 생성 와류 발생기가 제공됨으로써, 선체의 좌우 측면에 비대칭으로 부착되는 와류 발생기에 의해 추진기 날개면의 유동과 이루는 받음각이 평준화되고, 추진기 면에 유입되는 반류의 균일화를 통해 유동 정류 성능이 향상되어 캐비테이션 소음 및 진동을 감소할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따른 추진기 소음 및 진동 저감을 위한 비대칭 반류 생성 와류 발생기의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 추진기 소음 및 진동 저감을 위한 비대칭 반류 생성 와류 발생기의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 와류 발생기에 대한 유동과의 받음각을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 추진기 날개면에 대한 유동과의 받음각을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 와류 발생기를 부착하지 않은 경우 추진기 면에 유입되는 반류를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 와류 발생기를 부착한 경우와 부착하지 않은 경우를 비교하여 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 와류 발생기를 부착한 경우와 부착하지 않은 경우를 비교하여 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 와류 발생기를 부착한 경우와 부착하지 않은 경우를 비교하여 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 와류 발생기를 사각형 형상으로 형성하여 부착한 경우와 오각형 형상으로 형성하여 부착한 경우를 각각 비교하여 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 와류 발생기를 사각형 형상으로 형성하여 부착한 경우와 오각형 형상으로 형성하여 부착한 경우의 유속 분포를 각각 비교하여 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 와류 발생기를 사각형 형상으로 형성하여 부착한 경우와 오각형 형상으로 형성하여 부착한 경우 발생하는 와류 강도를 각각 비교하여 나타낸 도면이다.
도 12는 와류 발생기를 부착한 경우와 부착하지 않은 경우에 프로펠러 표면에서 발생하는 캐비테이션의 발생량을 수치 해석으로 추정한 결과를 각각 비교하여 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 추진기 소음 및 진동 저감을 위한 비대칭 반류 생성 와류 발생기의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.
또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
아울러, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는, 설명을 간략히 하기 위해 동일한 참조부호를 붙이고 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 추진기 전방의 선체 표면에 부착되어 추진기에 유입되는 유동을 제어하기 위해 날개 형상의 구조물이 유입 유동과의 받음각을 가지게 하여 유체 힘에 의한 유속 및 유동 방향을 제어하도록 구성되어 대형 구조물이 되어야 효과를 볼 수 있는 단점이 있었던 종래기술의 날개 형상의 부가물 또는 유동 제어 핀(flow control fin) 및 추진기 전방의 선체 표면에 부착되어 수평(tangential) 방향의 속도를 변화시키는 것에 의해 전류(Pre-swirl) 효과에 의한 추진기 효율 향상의 효과가 있는 반면, 캐비테이션 증가에 의해 추진기 소음 및 진동이 증가하는 부작용이 있었던 종래기술의 날개 형상의 부가물 또는 유동 제어 핀(flow control fin)의 문제점을 해결하기 위해, 비대칭 와류 발생에 의한 축(axial) 방향의 속도 변화를 통해 날개면에 유입되는 받음각을 감소함으로써 프로펠러를 선미 측에서 선수 측으로 바라보았을 때 시계 방향으로 회전하는 경우 캐비테이션이 가장 많이 발생하는 프로펠러면 1 사분면 쪽의 유동을 특히 빠르게 만드는 비대칭적 반류(wake) 분포를 생성하여 캐비테이션 소음 발생을 최소화할 수 있도록 구성되는 추진기 소음 및 진동 저감을 위한 비대칭 반류 생성 와류 발생기를 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 선체의 좌우 측면에 비대칭으로 부착되는 와류 발생기에 의해 비대칭 와류 발생에 의한 축(axial) 방향의 속도 변화를 유도하고 캐비테이션이 가장 많이 발생하는 프로펠러면 1 사분면 쪽의 유동을 특히 빠르게 만드는 비대칭적 반류(wake) 분포를 생성하여 1 사분면을 지나는 날개 면에 유입되는 받음각을 감소시키고 추진기 날개면의 유동과 이루는 받음각이 평준화되며, 추진기 면에 유입되는 반류의 균일화를 통해 유동 정류 성능을 향상시킴으로써, 캐비테이션 소음 및 진동을 감소할 수 있도록 구성되는 추진기 소음 및 진동 저감을 위한 비대칭 반류 생성 와류 발생기에 관한 것이다.
계속해서, 도면을 참조하여, 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명에 따른 추진기 소음 및 진동 저감을 위한 비대칭 반류 생성 와류 발생기의 구체적인 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따른 추진기 소음 및 진동 저감을 위한 비대칭 반류 생성 와류 발생기의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 추진기 소음 및 진동 저감을 위한 비대칭 반류 생성 와류 발생기(10)는, 금속판 형태로 형성되어, 프로펠러가 시계방향으로 회전시 프로펠러 전방 측의 선박의 우측면(프로펠러가 반시계 방향으로 회전시는 좌측면)에 프로펠러를 기준으로 1개가 부착된다.
즉, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 와류 발생기(10)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 프로펠러의 회전방향에 따라 금속판 형태로 형성되는 와류 발생기(10)를 선박 좌측 또는 우측 면에 단독으로 부착하는 것에 의해 프로펠러 면과 유입 유동이 이루는 받음각이 가장 크게 발생하는 1 사분면 또는 2 사분면의 유동을 빠르게 만들도록 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 추진기 소음 및 진동 저감을 위한 비대칭 반류 생성 와류 발생기(10)는, 도 1에 나타낸 바와 같이 금속판 형태로 형성되는 와류 발생기(10)를 프로펠러 전방 측의 선박의 좌우 측면에 프로펠러를 기준으로 비대칭인 형태로 각각 부착하도록 구성된다.
즉, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 와류 발생기(10)는, 도 1에 나타낸 바와 같이 금속판 형태로 형성되는 와류 발생기(10)를 선박 좌우 측면의 동일한 위치에 각도를 각각 달리하여 비대칭 형태로 부착하는 것에 의해, 프로펠러 면과 유입 유동과 이루는 받음각이 가장 크게 발생하는 1 사분면 또는 2 사분면의 유동을 더욱 빠르게 만들도록 구성될 수 있다.
계속해서, 도 2를 참조하면, 도 2는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 추진기 소음 및 진동 저감을 위한 비대칭 반류 생성 와류 발생기의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
즉, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 와류 발생기(20)는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기한 제 2 실시예와 마찬가지로 하여 선박 좌우 측면의 동일한 위치에 와류 발생기(10)를 각도를 달리하여 각각 부착하고, 여기에 추가적인 와류 발생기(20)를, 프로펠러가 시계방향으로 회전시는 우현 측에, 프로펠러가 반시계 방향으로 회전시는 좌현 측에 하나 더 부착하여, 1 사분면의 유동을 더욱 빠르게 만들도록 구성되는 것이며, 이때, 추가되는 와류 발생기(20)는, 기존의 와류 발생기(10)와 같은 높이에, 추진기 쪽 방향으로 좀 더 이동한 위치에 부착한다.
더 상세하게는, 상기한 제 1 및 제 2 실시예에서 와류 발생기(10)의 구체적인 부착 위치는, 선두부(FP)에서 선미부(AP)까지의 길이(AP ~ FP)를 선박의 전체 길이(LBP)라 할 때, 선미부(AP)에서부터 전체 길이(LBP)의 12% ~ 18% 사이에 해당하는 위치에 선박의 좌현 및 우현에 각각 부착되도록 구성될 수 있다.
아울러, 상기한 제 3 실시예에서 추가적인 와류 발생기(20)의 구체적인 부착 위치는, 프로펠러의 회전방향에 따라 선박의 우현 또는 좌현 측에, 선미부(AP)에서부터 전체 길이(LBP)의 8% ~ 15% 사이에 해당하는 위치에 부착되도록 구성될 수 있다.
더욱이, 상기한 와류 발생기(10, 20)의 설치 높이는, 선저면에서부터 추진기 축까지의 높이 사이의 범위 내에 설치될 수 있다.
또한, 도 3을 참조하면, 도 3은 와류 발생기에 대한 유동과의 받음각을 설명하기 위한 도면이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 상기한 와류 발생기(10, 20)의 부착각도는, 와류 발생기에 유입되는 유동 속도 벡터와 와류 발생기가 이루는 받음각(β)에 의해 정해지며, 바람직하게는, 상기 와류 발생기에 유입되는 유동과 와류 발생기가 이루는 받음각(β)이 5 ~ 15도 사이가 되도록 설정하며, 이때, 좌현과 우현의 부착각도 차이는, 0 ~ 10도 사이로 설정하거나, 필요에 따라, 1 ~ 10도 사이, 또는, 1 ~ 5도 사이로 설정할 수 있다.
아울러, 상기한 와류 발생기(10, 20)는, 예를 들면, 삼각형이나 사각형 등 여러 가지 형상으로 형성하는 것이 가능하나, 바람직하게는, 5각형 형상의 금속판으로 형성하여 부착하는 것이 가장 효과적이다.
따라서 상기한 바와 같은 구성에 의해, 와류 발생기(10, 20)에서 발생한 와류(vortex)가 선체 표면을 지나면서 기존의 유동 패턴을 변화시켜 추진기 면으로 유입되는 느린 물들을 추진기 바깥으로 밀어내고, 추진기 면에 빠른 속도의 유동이 유입되도록 하여 각 날개에 유입되는 유동의 받음각을 작게 함으로써 추진기 면의 부하를 낮추어 캐비테이션 발생을 억제하게 된다.
특히, 프로펠러가 시계방향으로 회전할 때 캐비테이션이 가장 많이 발생하는 1 사분면(프로펠러가 반시계 방향으로 회전시는 2 사분면)에서의 유동이 빨라짐으로 인해, 추진기 면과 유동과의 받음각이 줄어들어 캐비테이션의 발생이 크게 감소하며, 그것에 의해, 추진기 주 소음원인 캐비테이션에 의한 소음이 크게 감소하여 추진기에 의한 소음 및 진동을 감소할 수 있다.
여기서, 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 와류 발생기(10, 20)에 의한 추진기 소음 및 진동 감소 원리에 대하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명에 있어서, 1 사분면이란, 선미 측에서 선수 측을 바라보았을 때의 프로펠러 면을 프로펠러 축의 중심을 기준으로 90도씩 4 등분하여 우측 상단의 영역을 1 사분면으로 하고, 나머지 영역은 반시계 방향으로 돌아가면서 차례로 2, 3, 4 분면으로 정의하며, 이때, 프로펠러의 회전방향은 시계 방향인 것으로 가정한다.
또한, 도 4 및 도 5를 참조하면, 도 4는 추진기 날개면에 대한 유동과의 받음각을 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 와류 발생기를 부착하지 않은 경우 추진기 면에 유입되는 반류를 나타낸 도면이다.
도 4에 있어서, 선박 후미의 프로펠러 부분을 고정 좌표계로 두고 위에서 바라본 평면을 상정하면, 도 4에 나타낸 바와 같이, 프로펠러에 유입되는 유동 중 프로펠러 수직축 방향의 속도(axial velocity ; Va)는 선박의 이동(전진)속도와 선체 형상에 의해 유기되는 반류(wake)의 프로펠러 축 방향의 속도 성분의 합으로 나타내지며, 수평축 방향의 속도(tangential velocity ; Vt)는 프로펠러의 회전속도와 선체 형상에 의해 유기되는 반류(wake)의 수평축 방향의 속도 성분의 합으로 나타낼 수 있다.
즉, 도 4에 나타낸 바와 같이, 이러한 프로펠러 수직축 방향의 속도(Va)와 수평축 방향의 속도(Vt)의 합에 의해 생성되는 벡터와 프로펠러 날개의 중심선(chord line) 사이의 각도를 받음각(α)이라 하며, 따라서 프로펠러의 회전속도가 증가하거나 추진기면에 유입되는 반류의 수평축 방향의 속도가 추진기 회전속도와 반대 방향으로 증가하면 받음각(α)이 커지고, 이동속도, 다시 말해, 프로펠러 측으로 유입되는 유동의 유속(즉, Va)이 증가하면 받음각(α)이 작아지게 된다.
더 상세하게는, 받음각(α)이 커지면 프로펠러 날개의 윗면(suction 면)과 아래면(pressure 면)에 걸리는 압력 차이가 커져서 프로펠러 날개에 걸리는 힘이 커짐으로 인해 저압 영역인 윗면(suction 면)에서의 캐비테이션 발생이 증가하며, 여기서, 상기한 바와 같은 1 사분면(프로펠러가 시계방향으로 회전시)을 고려하면, 도 5에 나타낸 바와 같이, 1 사분면에서는 반류(wake)의 수평(tangential) 성분이 추진기의 회전방향(시계 방향)과 반대 방향이므로 프로펠러 회전 방향과 수평(tangential) 성분이 동일한 2 사분면에 비해 상대적으로 유속이 빨라져 받음각(α)이 커지게 되고, 이는, 상기한 바와 같이 프로펠러 날개의 윗면(suction 면)과 아래면(pressure 면)에 걸리는 압력 차이를 증가시키므로, 다른 부분에 비해 1 사분면에서 가장 강한 캐비테이션이 발생하게 되고 소음 및 진동 유발의 주요 원인이 된다.
따라서 상기한 바와 같은 내용을 고려하여, 프로펠러가 시계방향으로 회전시 1 사분면에서의 받음각을 감소시키는 것이 전체적인 캐비테이션 감소의 측면에서 가장 효과적이며, 이를 위해, 상기한 본 발명의 실시예에 나타낸 바와 같이, 프로펠러의 전방에 와류 발생기를 부착하게 되면, 와류에 의해 수직축 방향의 속도(Va)가 증가하여 프로펠러 날개에 유입되는 유동의 받음각이 감소하게 되고, 그것에 의해, 프로펠러 날개면에 걸리는 힘이 감소하여 프로펠러 날개 윗면(suction 면)에서의 압력 저하가 완화됨으로써, 캐비테이션의 발생이 감소하여 추진기의 소음 및 진동을 감소할 수 있다.
더욱이, 상기한 제 3 실시예에서와 같이, 프로펠러가 시계방향으로 회전시 우현 측에 2개의 와류 발생기를 부착함으로써, 프로펠러 날개에 유입되는 유동의 속도를 더욱 증가시켜 상기한 바와 같은 받음각 감소에 의한 캐비테이션 발생의 감소 및 추진기 소음 및 진동 감소 효과를 더욱 증대시킬 수 있다.
상기한 바와 같이 하여 본 발명의 실시예에 따른 와류 발생기를 구현할 수 있으며, 즉, 추진기 전방의 선체 표면에 부착되어 추진기에 유입되는 유동을 제어하기 위해 날개 형상의 구조물이 유입 유동과의 받음각을 가지게 하여 유체 힘에 의한 유속 및 유동 방향을 제어하도록 구성되어 대형 구조물이 되어야 효과를 볼 수 있는 단점이 있었던 종래기술의 날개 형상의 부가물이나 유동 제어 핀(flow control fin) 및 추진기 전방의 선체 표면에 부착되어 수평(tangential) 방향의 속도를 변화시키는 것에 의해 전류(Pre-swirl) 효과에 의한 추진기 효율 향상의 효과가 있는 반면, 캐비테이션 증가에 의해 추진기 소음 및 진동이 증가하는 부작용이 있었던 종래기술의 날개 형상의 부가물이나 유동제어 핀에 비해, 본 발명의 실시예에 따른 와류 발생기는, 선체 측면에 작은 구조물을 부착하는 것만으로 수평(tangential) 방향의 속도변화보다는 와류에 의한 축(axial) 방향의 속도 변화를 통해 날개면에 유입되는 받음각을 줄여줌으로써, 전반적으로 유동을 빠르게 만들면서도 캐비테이션이 가장 많이 발생하는 프로펠러면 1 사분면(프로펠러가 시계방향 회전시) 또는 2 사분면(프로펠러가 반시계 방향 회전시) 쪽의 유동을 특히 빠르게 만드는 비대칭적 반류(wake) 분포를 생성함으로써 캐비테이션 소음 발생을 최소화할 수 있도록 구성되는 점에서 기존의 와류 발생기들과는 차별되는 특징을 가지는 것이다.
계속해서, 도 6 내지 도 12를 참조하면, 도 6 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 와류 발생기를 부착한 경우와 부착하지 않은 경우를 비교하여 나타낸 도면이고, 도 9 내지 도 11은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 와류 발생기를 사각형 형상으로 형성하여 부착한 경우와 오각형 형상으로 형성하여 부착한 경우를 각각 비교하여 나타낸 도면이며, 도 12는 와류 발생기를 부착한 경우와 부착하지 않은 경우에 프로펠러 표면에서 발생하는 캐비테이션의 발생량을 수치 해석으로 추정한 결과를 각각 비교하여 나타낸 도면이다.
여기서, 도 6 내지 도 12에 있어서, 프로펠러는 선미 측에서 선수 측을 바라볼 때 시계 방향으로 회전하는 것으로 가정한다.
또한, 도 6 내지 도 8에 있어서, 좌측(w/o VG)은 와류 발생기를 부착하지 않은 경우이고, 우측(w/ VG)은 본 발명의 실시예에 따른 와류 발생기를 좌현과 우현에 각각 부착한 경우에 선미 측에서 프로펠러 측을 바라본 평면상의 반류 분포(wake contour) 및 흐름(streamline)을 각각 나타내고 있으며, 아울러, 붉은 색에 가까울수록 유속이 빠른 것을 나타내고, 푸른 색에 가까울수록 유속이 느린 것을 나타낸다.
먼저, 도 6을 참조하면, 좌측(w/o VG)은 와류 발생기를 부착하지 않은 경우이고, 우측(w/ VG)은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 와류 발생기를 우현에 부착한 경우를 각각 나타내고 있다.
즉, 도 6에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따라 와류 발생기를 부착한 경우가 부착하지 않은 경우에 비하여 1 사분면에서의 유속이 증가하였음을 확인할 수 있다.
다음으로, 도 7을 참조하면, 도 7의 좌측(w/o VG)은 와류 발생기를 부착하지 않은 경우이고, 우측(w/ VG)은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 와류 발생기를 좌현과 우현에 각각 각도를 달리하여 비대칭으로 부착한 경우를 각각 나타내고 있다.
여기서, 도 7에 나타낸 결과는, 좌측의 와류 발생기의 각도를 8도로 하고 우측의 와류 발생기의 각도는 10도로 한 경우를 나타내고 있으나, 본 발명은 반드시 이러한 경우로만 한정되는 것은 아님에 유념해야 한다.
즉, 도 7에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 따라 와류 발생기를 부착한 경우가 부착하지 않은 경우에 비하여 전체적인 유속이 증가하는 것에 더하여, 우측의 와류 발생기의 각도를 더 크게 함으로써 1 사분면에 해당하는 우측 상부의 유속이 다른 부분에 비해 더욱 증가하였음을 확인할 수 있다.
다음으로, 도 8을 참조하면, 도 8의 좌측(w/o VG)은 와류 발생기를 부착하지 않은 경우이고, 우측(w/ VG)은 본 발명의 제 3 실시예에 따라 와류 발생기를 좌현과 우현에 각각 각도를 달리하여 비대칭으로 부착하는 동시에 우현 측에 추가적인 와류 발생기를 부착한 경우를 각각 나타내고 있다.
여기서, 도 8에 나타낸 결과는, 좌측의 와류 발생기의 각도를 8도로 하고 우측의 와류 발생기의 각도는 10도로 하며, 추가적인 와류 발생기는 우현 측에만 동일 높이에서 추진기 쪽으로 선박 길이(LBP)의 2.5%에 해당하는 길이만큼 이동한 위치에 부착한 경우를 나타내고 있으나, 본 발명은 반드시 이러한 경우로만 한정되는 것은 아님에 유념해야 한다.
즉, 도 8에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 제 3 실시예에 따라 와류 발생기를 부착한 경우가 부착하지 않은 경우에 비하여 전체적인 유속이 증가하는 것을 알 수 있으며, 이에 더하여, 우현 측에 추가적인 와류 발생기를 부착함으로써 상기한 도 7에 나타낸 경우에 비하여도 1 사분면에 해당하는 우측 상부의 유속이 더욱 증가하였음을 확인할 수 있다.
계속해서, 도 9를 참조하면, 도 9의 좌측은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 와류 발생기를 사각형 형상으로 형성하여 부착한 경우(w/ VG(rectangle))이고, 우측은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 와류 발생기를 오각형 형상으로 형성하여 부착한 경우(w/ VG(pentagon))를 각각 비교하여 나타낸 도면이다.
즉, 도 9에 나타낸 바와 같이, 사각형의 경우에 비해 오각형의 경우가 좀 더 유속이 빠르게 나타나는 것을 알 수 있으며, 이는, 5각형 형상의 와류 발생기가 4각형 형상의 와류 발생기에 비해 와류 발생기 전방에서부터 와류가 더욱 잘 발달하게 만들어 전체적으로 더 강한 와류를 발생시키고, 결과적으로 더 빠른 유속을 유도하게 되는 것에 기인한 것이다.
또한, 도 10을 참조하면, 도 10은 와류발생기가 없는 경우 및 도 9의 사각형 와류 발생기와 5각형 와류 발생기의 1사분면 중 특히 느린 유동이 지나가는 회전각 315 ~ 360도 사이의 영역에서의 프로펠러 면에서 반경 방향으로 0.5r/R 및 0.7r/R에서의 프로펠러 축 방향의 유속 분포를 나타내고 있다.
이때, 도 10에 있어서, 회전각의 기준점은 맨 위 가운데(12시 방향)를 0도로 하여 반시계 방향으로 회전하는 것을 양의 방향으로 하며, 이 경우, 1 사분면은 270 ~ 360도에 해당하게 된다.
아울러, 도 10에 있어서, Bare는 와류발생기가 없는 경우이고, R은 프로펠러 반경을 의미하며, RT는 4각형 형상의 와류발생기를, PT는 5각형 형상의 와류발생기를 각각 의미한다.
도 10에 나타낸 바와 같이, 4각형 형상의 와류발생기 및 5각형 형상의 와류발생기 모두 와류발생기가 없는 경우보다 유속이 빨라져 프로펠러 면에서의 캐비테이션의 발생을 줄여주는 것을 확인할 수 있다.
여기서, 5각형 와류발생기의 경우, 유속이 느린 315 ~ 360도 사이에서 4각형 와류발생기에 비해 휠씬 빠른 유동이 지나가며, 특히, 유속이 가장 느린 350 ~ 360도 부근에서는 약 12% 이상의 유속 증가를 보여준다.
즉, 이러한 결과는, 4각형 형상의 와류판이나 5각형 형상의 와류판 모두 와류발생기가 없는 경우보다는 유속이 빨라져 프로펠러 면에서의 캐비테이션의 발생을 줄여주는 것을 확인할 수 있으나, 5각형 형상의 와류발생기가 4각형 형상의 와류발생기에 비해 유속이 느린 영역에서 캐비테이션의 발생을 더욱 크게 감소시켜 소음 및 진동 현상을 보다 효과적으로 줄여줄 수 있음을 의미한다.
또한, 도 11를 참조하면, 도 11의 좌측은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 와류 발생기를 사각형 형상으로 형성하여 부착한 경우이고, 우측은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 와류 발생기를 오각형 형상으로 형성하여 부착한 경우 각각의 와류판이 발생시키는 와류 강도(vortex strenth)를 각각 비교하여 나타낸 도면이다.
도 11에 나타낸 바와 같이, 오각형 형상의 와류판이 사각형 형상의 와류판 보다 와류 강도가 최대 20% 이상 증가하여 사각형 형상의 와류판에 비해 와류를 이용한 유속 제어에 훨씬 효과적인 것을 확인할 수 있다.
이러한 결과를 바탕으로, 와류 발생기의 형상은 4각형보다 5각형 형상이 훨씬 효과적인 것을 알 수 있다.
여기서, 상기한 본 발명의 실시예에서는, 설명을 간략히 하기 위해 본 발명에 따른 와류발생기의 형태가 5각형 형상인 것으로 나타내었으나, 5각형 형상의 와류판의 경우, 실제로 선박에 부착시, 바람직하게는, 구조 안정성을 위해 용접시 판을 덧대고, 와류판과 선체가 만나는 부분 및 와류판의 각진 부분에서는 모따기(chamfering), 모깍기(fillet) 및 필렛 가공 등을 통하여 날카로운 직각 부분이 라운드지도록 가공하여 와류판을 제작하도록 구성될 수 있다.
계속해서, 도 12를 참조하면, 도 12a는 와류 발생기를 부착하지 않은 경우이고, 도 12b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 와류 발생기를 부착한 경우 프로펠러 표면에서의 캐비테이션 분포를 각각 비교하여 나타낸 도면이다.
즉, 도 12에 나타낸 바와 같이, 와류 발생기를 부착한 경우 프로펠러 표면에서 발생하는 캐비테이션 부피가 크게 줄어드는 것을 알 수 있으며, 이는 결과적으로 캐비테이션에 의한 추진기 소음 및 진동을 크게 줄일 수 있음을 의미한다.
따라서 상기한 바와 같이 하여, 본 발명에 따른 추진기 소음 및 진동 저감을 위한 비대칭 반류 생성 와류 발생기를 구현할 수 있다.
또한, 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 추진기 소음 및 진동 저감을 위한 비대칭 반류 생성 와류 발생기를 구현하는 것에 의해, 본 발명에 따르면, 비대칭 와류 발생에 의한 축(axial) 방향의 속도 변화를 통해 날개면에 유입되는 받음각을 감소하는 것에 의해 프로펠러 회전 방향이 선미 측에서 선수 측으로 바라보았을 때 시계 방향인 경우 캐비테이션이 가장 많이 발생하는 프로펠러면 1 사분면(프로펠러 회전방향이 반시계 방향인 경우는 2 사분면) 쪽의 유동을 특히 빠르게 만드는 비대칭적 반류(wake) 분포를 생성하여 캐비테이션 소음 및 진동을 최소화할 수 있도록 구성되는 추진기 소음 및 진동 저감을 위한 비대칭 반류 생성 와류 발생기가 제공됨으로써, 추진기 전방의 선체 표면에 부착되어 추진기에 유입되는 유동을 제어하기 위해 날개 형상의 구조물이 유입 유동과의 받음각을 가지게 하여 유체 힘에 의한 유속 및 유동 방향을 제어하도록 구성되어 대형 구조물이 되어야 효과를 볼 수 있는 단점이 있었던 종래기술의 날개 형상의 부가물 또는 유동 제어 핀(flow control fin) 및 추진기 전방의 선체 표면에 부착되어 수평(tangential) 방향의 속도를 변화시키는 것에 의해 전류(Pre-swirl) 효과에 의한 추진기 효율 향상의 효과가 있는 반면, 캐비테이션 증가에 의해 추진기 소음 및 진동이 증가하는 부작용이 있었던 종래기술의 날개 형상의 부가물 또는 유동 제어 핀(flow control fin)의 문제점을 해결할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 비대칭 와류 발생에 의한 축(axial) 방향의 속도 변화를 통해 날개면에 유입되는 받음각을 감소하는 것에 의해 프로펠러 회전 방향이 선미 측에서 선수 측으로 바라보았을 때 시계 방향인 경우 캐비테이션이 가장 많이 발생하는 프로펠러면 1 사분면(프로펠러 회전방향이 반시계 방향인 경우는 2 사분면) 쪽의 유동을 특히 빠르게 만드는 비대칭적 반류(wake) 분포를 생성하여 캐비테이션 소음 및 진동을 최소화할 수 있도록 구성되는 추진기 소음 및 진동 저감을 위한 비대칭 반류 생성 와류 발생기가 제공됨으로써, 선체의 좌우 측면에 비대칭으로 부착되는 와류 발생기에 의해 추진기 날개면의 유동과 이루는 받음각이 평준화되고, 추진기 면에 유입되는 반류의 균일화를 통해 유동 정류 성능이 향상되어 캐비테이션 소음 및 진동을 감소할 수 있다.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 추진기 소음 및 진동 저감을 위한 비대칭 반류 생성 와류 발생기의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.
10. 와류 발생기 20. 와류 발생기

Claims (13)

  1. 추진기 소음 및 진동 저감을 위한 비대칭 반류 생성 와류 발생기에 있어서,
    프로펠러가 시계방향으로 회전할 시, 금속판 형태로 형성되어 상기 추진기 전방의 선박의 우현(상기 프로펠러가 반시계 방향으로 회전시는 좌현) 측에 부착되는 제 1 와류생성판을 포함하여 구성되고,
    상기 제 1 와류생성판은,
    5각형 형상으로 형성되어 상기 선박의 선저면에서부터 상기 추진기의 축 높이까지의 범위 내에 설치되며,
    상기 선박의 선두부(FP)에서 선미부(AP)까지의 길이(AP ~ FP)를 상기 선박의 전체 길이(LBP)라 할 때, 상기 선미부(AP)에서부터 상기 전체 길이(LBP)의 12% ~ 18% 사이에 해당하는 위치에 부착되고,
    상기 제 1 와류 생성판에 유입되는 유동과 상기 제 1 와류 생성판이 이루는 받음각이 5 ~ 15도 사이가 되도록 하는 각도로 설치되도록 구성됨으로써,
    상기 추진기의 우측 상부(상기 프로펠러가 반시계 방향으로 회전 시는 좌측 상부)에서 상기 추진기의 날개면으로 유입되는 유동의 유입속도를 더욱 빠르게 증가시키는 비대칭 반류(wake)를 생성하여 상기 추진기의 각 날개에 유입되는 유동의 받음각을 감소하는 것에 의해, 캐비테이션이 가장 많이 발생하는 상기 추진기의 우측 상부(상기 프로펠러가 반시계 방향으로 회전 시는 좌측 상부)에서의 상기 캐비테이션의 발생을 감소하여 상기 추진기에 의한 소음 및 진동을 감소할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 추진기 소음 및 진동 저감을 위한 비대칭 반류 생성 와류 발생기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 와류 발생기는,
    상기 제 1 와류생성판과 동일한 형태의 금속판 형태로 형성되어 상기 제 1 와류생성판의 맞은편인 상기 추진기 전방의 상기 선박의 좌현(상기 프로펠러가 반시계 방향으로 회전 시는 우현) 측에 부착되는 제 2 와류생성판을 더 포함하여 구성되고,
    상기 제 1 와류생성판 및 상기 제 2 와류생성판은,
    상기 선박의 좌우 측면의 동일한 위치에 각도를 각각 달리하여 부착되는 것을 특징으로 하는 추진기 소음 및 진동 저감을 위한 비대칭 반류 생성 와류 발생기.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 와류 발생기는,
    상기 제 1 와류생성판보다 상기 추진기 측에 더 가까운 위치에 상기 제 1 와류생성판과 같은 높이로 상기 선박의 우현(상기 프로펠러가 반시계 방향으로 회전시는 좌현) 측에 부착되는 제 3 와류생성판을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 추진기 소음 및 진동 저감을 위한 비대칭 반류 생성 와류 발생기.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제 2 와류생성판은,
    상기 선미부(AP)에서부터 상기 전체 길이(LBP)의 12% ~ 18% 사이에 해당하는 위치에 부착되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 추진기 소음 및 진동 저감을 위한 비대칭 반류 생성 와류 발생기.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제 3 와류생성판은,
    상기 선미부(AP)에서부터 상기 전체 길이(LBP)의 8% ~ 15% 사이에 해당하는 위치에 부착되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 추진기 소음 및 진동 저감을 위한 비대칭 반류 생성 와류 발생기.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제 2 와류생성판 및 상기 제 3 와류생성판은,
    상기 선박의 선저면에서부터 상기 추진기의 축 높이까지의 범위 내에 설치되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 추진기 소음 및 진동 저감을 위한 비대칭 반류 생성 와류 발생기.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제 2 와류생성판 및 상기 제 3 와류생성판은,
    각각 5각형 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 추진기 소음 및 진동 저감을 위한 비대칭 반류 생성 와류 발생기.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제 2 와류생성판 및 상기 제 3 와류생성판은,
    상기 와류 생성판에 유입되는 유동과 상기 와류 생성판이 이루는 받음각이 5 ~ 15도 사이가 되도록 하는 각도로 설치되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 추진기 소음 및 진동 저감을 위한 비대칭 반류 생성 와류 발생기.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 와류 발생기는,
    상기 프로펠러가 시계 방향으로 회전시 상기 선박의 우현(상기 프로펠러가 반시계 방향으로 회전시는 좌현)에 설치되는 상기 제 1 와류생성판 및 상기 제 3 와류생성판과 상기 선박의 좌현(상기 프로펠러가 반시계 방향으로 회전시는 우현)에 설치되는 상기 제 2 와류생성판의 부착각도 차이가 0 ~ 10도 사이로 설치되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 추진기 소음 및 진동 저감을 위한 비대칭 반류 생성 와류 발생기.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 와류 발생기는,
    상기 프로펠러가 시계 방향으로 회전시 상기 선박의 우현(상기 프로펠러가 반시계 방향으로 회전시는 좌현)에 설치되는 상기 제 1 와류생성판 및 상기 제 3 와류생성판과 상기 선박의 좌현(상기 프로펠러가 반시계 방향으로 회전시는 우현)에 설치되는 상기 제 2 와류생성판의 부착각도 차이가 1 ~ 10도 사이로 설치되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 추진기 소음 및 진동 저감을 위한 비대칭 반류 생성 와류 발생기.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 와류 발생기는,
    상기 프로펠러가 시계 방향으로 회전시 상기 선박의 우현(상기 프로펠러가 반시계 방향으로 회전시는 좌현)에 설치되는 상기 제 1 와류생성판 및 상기 제 3 와류생성판과 상기 선박의 좌현(상기 프로펠러가 반시계 방향으로 회전시는 우현)에 설치되는 상기 제 2 와류생성판의 부착각도 차이가 1 ~ 5도 사이로 설치되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 추진기 소음 및 진동 저감을 위한 비대칭 반류 생성 와류 발생기.
  12. 청구항 1항 내지 11항 중 어느 한 항에 기재된 추진기 소음 및 진동 저감을 위한 비대칭 반류 생성 와류 발생기를 이용하여 구성되는 것을 특징으로 하는 추진기 소음 및 진동 저감방법.
  13. 청구항 1항 내지 11항 중 어느 한 항에 기재된 추진기 소음 및 진동 저감을 위한 비대칭 반류 생성 와류 발생기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 선박.
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