KR20210132860A

KR20210132860A - 선박 중앙부에서 높은 공기체적분율을 갖는 선박의 공기윤활시스템 및 공기윤활방법

Info

Publication number: KR20210132860A
Application number: KR1020200051276A
Authority: KR
Inventors: 김성오; 장영훈; 김만환; 강중규; 최동규
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2020-04-28
Filing date: 2020-04-28
Publication date: 2021-11-05
Also published as: CN216140140U; SG10202104037SA; CN113562114A

Abstract

선박의 공기윤활시스템이 제공된다. 일 실시예에 있어서, 선박 저부에 에어버블(air bubble)을 발생시키는 공기윤활시스템이 적용된 선박에 있어서, 상기 선박의 선수부에 설치되는 전방 공기분사구; 및 상기 선박의 선수부에서, 상기 전방 공기분사구의 후방에 설치되는 후방 공기분사구;를 포함하고, 상기 전방 공기분사구와 상기 후방 공기분사구는 상기 선박의 폭 방향으로 소정 길이를 갖고 연장되되, 상기 전방 공기분사구가 설치된 영역과 상기 후방 공기분사구가 설치된 영역은 상기 선박의 길이방향에서 중첩된 영역을 포함할 수 있다.

Description

선박 중앙부에서 높은 공기체적분율을 갖는 선박의 공기윤활시스템 및 공기윤활방법{AIR LUBRICATION SYSTEM OF A SHIP HAVING HIGH VOLUME FRACTION OF AIR IN A CENTER PORTION OF THE SHIP AND AIR LUBRICATION METHOD USING THEREOF}

본 발명은 선박의 공기윤활시스템 및 공기윤활방법에 관한 것으로, 구체적으로는, 선박 중앙부에서 높은 공기체적분율을 갖는 선박의 공기윤활시스템 및 공기윤활방법에 관한 것이다.

운항 중인 선박은 물의 점성으로 인한 저항의 일종인 마찰저항의 영향을 받는다. 이와 같은 선박의 운항에 영향을 미치는 마찰 저항을 줄이기 위하여 공기 윤활법에 대한 연구가 진행되었다.

공기 윤활법은 물에 잠긴 선체 표면의 일부를 공기막으로 덮는 방법으로서 공기로 덮인 선체 표면에서는 물과의 접촉이 공기와의 접촉으로 바뀌게 되어 물의 점성으로 인한 선박의 마찰저항을 감소시킨다.

이러한 공기 윤활법이 적용된 공기윤활시스템은, 기본적으로 복수 개의 공기분사구를 통해 선저부의 표면으로 공기를 분사하여 에어버블을 형성하는 것이 목적이며, 이러한 에어버블을 통해 선체와 해수의 접촉에 의한 마찰을 저감할 수 있다.

그러나, 종래의 공기윤활시스템이 적용된 선박들은, 단순히 선박 저부로 공기를 분사하여 마찰저항을 감소시킨다는 개념을 달성하기 위해 공기윤활장치의 배치를 고려하지 않았거나, 단순히 선박 저부의 전영역에 공기층을 형성하기 위해 공기윤활장치를 배치하였다.

또한, 종래의 공기윤활시스템이 적용된 선박들은, 마찰저항을 감소시키는 효과를 달성할 수 있음은 별론으로, 추진기(프로펠러) 상부에 에어쿠션(air cushion)이 형성되고, 캐비테이션(cavitation)이 발생하여 추진기(프로펠러)로부터 발생하는 변동압력이 커짐에 따라, 추진기의 효율을 높이지 못하는 문제가 있었고, 추진기로부터 발생되는 소음이 크다는 문제가 있었으며, 거친 해상 환경에서는 공기윤활시스템에 의한 마찰저항이 저감되지 않게 되는 문제가 있었다.

따라서, 상기 추진기(프로펠러)에 발생하는 변동압력을 저감시켜 효율이 높은 추진기를 선박에 설치하고, 추진기(프로펠러)에서 발생하는 소음을 저감시키며, 거친 해상 환경 속에서도 마찰 저항 효과를 달성할 수 있는 선박의 공기윤활시스템의 개발이 시급하다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 공기윤활시스템이 적용된 선박에 있어서, 복수 개의 공기윤활장치를 최적의 위치에 배치함으로써, 추진기(프로펠러)에 발생하는 변동압력을 저감시켜 효율이 높은 추진기를 선박에 설치할 수 있고, 추진기(프로펠러)에서 발생하는 소음을 저감시킬 수 있으며, 거친 해상 환경 속에서도 마찰 저항 효과를 달성할 수 있는 선박의 공기윤활시스템을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 선박 저부에 에어버블(air bubble)을 발생시키는 공기윤활시스템이 적용된 선박의 공기윤활방법에 있어서, 복수 개의 공기윤활장치를 최적의 위치에 배치함으로써, 추진기(프로펠러)에 발생하는 변동압력을 저감시켜 효율이 높은 추진기를 선박에 설치할 수 있고, 추진기(프로펠러)에서 발생하는 소음을 저감시킬 수 있으며, 거친 해상 환경 속에서도 마찰 저항 효과를 달성할 수 있는 선박의 공기윤활방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예는, 선박 저부에 에어버블(air bubble)을 발생시키는 공기윤활시스템이 적용된 선박에 있어서, 상기 선박의 선수부에 설치되는 전방 공기분사구; 및 상기 선박의 선수부에서, 상기 전방 공기분사구의 후방에 설치되는 후방 공기분사구;를 포함하고, 상기 전방 공기분사구와 상기 후방 공기분사구는 상기 선박의 폭 방향으로 소정 길이를 갖고 연장되되, 상기 전방 공기분사구가 설치된 영역과 상기 후방 공기분사구가 설치된 영역은 상기 선박의 길이방향에서 중첩된 영역을 포함하는, 선박의 공기윤활시스템을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수 개의 공기윤활장치를 최적의 위치에 배치함으로써, 선박 중앙부에서 선미까지 높은 공기체적분율을 갖는 공기층을 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 추진기(프로펠러)에 발생하는 변동압력을 저감시켜 효율이 높은 추진기를 선박에 설치할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 추진기(프로펠러)에서 발생하는 소음을 저감시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 거친 해상 환경 속에서도 마찰 저항 효과를 달성할 수 있다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 공기윤활시스템을 나타낸 것으로, 도 2는 도 1에서 선수부를 도시한 것이며, 도 3은 공기분사구에서 분사되는 공기층이 형성되는 영역을 나타낸 것이다.
도 4 및 도 5는 선박의 공기윤활시스템의 공기체적분율(volume fraction of air)을 전산유체역학(computational fluid dynamics) 기반의 수치해석결과로 나타낸 것으로, 도 4는 비교예, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 공기윤활시스템의 수치해석 결과를 각각 나타낸 것이다.
도 6은 BF(Beaufort) scale 5 해상상태에서 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 공기윤활시스템의 유동해석 계산 결과를 나타낸 것이고, 도 7은 BF(Beaufort) scale 5 해상상태에서 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 공기윤활시스템의 마찰항력(friction drag)을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 공기윤활시스템의 작동 시 변동압력 저감 정도를 나타낸 것이고, 도 9는 BF(Beaufort) scale 5 내지 8 해상상태에서 본 발명의 일 실시에에 따른 선박의 공기윤활시스템의 순동력절감(net power saving) 정도를 나타낸 것이다.

이하, 본 발명의 실시예들이 상세하게 설명된다. 그러나 본 발명이 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 내용을 더 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.

본 명세서에서 일 요소가 다른 요소 '위' 또는 '아래'에 위치하는 것으로 언급되는 경우, 이는 상기 일 요소가 다른 요소 '위' 또는 '아래'에 바로 위치하거나 또는 그들 요소들 사이에 추가적인 요소가 개재될 수 있다는 의미를 모두 포함한다. 본 명세서에서, '상부' 또는 '하부' 라는 용어는 관찰자의 시점에서 설정된 상대적인 개념으로, 관찰자의 시점이 달라지면, '상부' 가 '하부'를 의미할 수도 있고, '하부'가 '상부'를 의미할 수도 있다.

복수의 도면들 상에서 동일 부호는 실질적으로 서로 동일한 요소를 지칭한다. 또한, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 기술되는 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예는, 선박 저부에 에어버블(air bubble)을 발생시키는 공기윤활시스템이 적용된 선박에 있어서, 상기 선박의 선수부에 설치되는 전방 공기분사구; 및 상기 선박의 선수부에서, 상기 전방 공기분사구의 후방에 설치되는 후방 공기분사구;를 포함하고, 상기 전방 공기분사구와 상기 후방 공기분사구는 상기 선박의 폭 방향으로 소정 길이를 갖고 연장되되, 상기 전방 공기분사구가 설치된 영역과 상기 후방 공기분사구가 설치된 영역은 상기 선박의 길이방향에서 중첩된 영역을 포함하는, 선박의 공기윤활시스템을 제공한다.

이때, 상기 선박의 길이방향에서, 상기 전방 공기분사구가 설치된 영역은 상기 후방 공기분사구가 설치된 영역에 포함될 수 있다.

이때, 상기 선박의 폭을 B라고 할 때, 상기 후방 공기분사구가 설치된 영역은, 0.5B 이내일 수 있다.

또한, 상기 선박의 전방 공기분사구의 중심과 상기 후방 공기분사구의 중심은 상기 선박의 길이방향에서 동일한 선 상에 위치할 수 있다.

이때, 상기 동일한 선은, 상기 선박의 두께의 중심을 상기 선박의 길이방향을 따라 연장한 상기 선박의 중심선 일 수 있다.

한편, 상기 선박의 전장길이를 기준으로 선미를 0 LOA, 선수를 1.0 LOA이라 할 때, 상기 후방 공기분사구와 상기 전방 공기분사구는 0.1 LOA 이하의 거리로 이격될 수 있다.

이때, 상기 전방 공기분사구는 0.7 LOA 내지 0.85 LOA 이내에 설치될 수 있다.

본 발명의 또 다른 일 실시예는, 선박 저부에 에어버블(air bubble)을 발생시키는 공기윤활시스템이 적용된 선박의 공기윤활방법에 있어서, 상기 선박의 선수부에 설치되는 전방 공기분사구 및 상기 선박의 선수부에서, 상기 전방 공기분사구의 후방에 설치되는 후방 공기분사구에서 공기를 분사하되, 상기 전방 공기분사구에서 분사된 공기에 의해 형성된 전방 공기분사구 공기층은 상기 후방 공기분사구에서 분사된 공기에 의해 형성된 후방 공기분사구 공기층에 포함되도록 하여, 상기 선박의 길이방향을 따라 연장되는 상기 선박의 중앙부 공기층의 공기체적분율을 높이는, 공기윤활시스템이 적용된 선박의 공기윤활방법을 제공한다.

이때, 상기 전방 공기분사구와 상기 후방 공기분사구의 중심은, 상기 선박의 두께 방향 중심을 기준으로, 상기 선박의 길이방향을 따라 연장되는 상기 선박의 중심선 상에 위치하여, 상기 선박의 길이방향을 따라 연장되는 상기 선박의 중앙부 공기층의 공기체적분율을 높일 수 있다.

이때, 상기 후방 공기분사구와 상기 전방 공기분사구는 0.1 LOA 이하의 거리로 이격되고, 상기 선박의 폭을 B라고 할 때, 상기 후방 공기분사구에 의해 형성되는 공기층의 시점이 0.5B 이내가 되도록 상기 후방 공기분사구에서 공기를 분사하고, 상기 선박의 전장길이를 기준으로 선미를 0 LOA, 선수를 1.0 LOA이라 할 때, 상기 전방 공기분사구에 의해 형성되는 공기층의 시점이 0.7 LOA 내지 0.85 LOA 이내가 되도록 상기 전방 공기분사구에서 공기를 분사할 수 있다.

이하, 도면을 들어 구체적으로 설명한다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 공기윤활시스템을 나타낸 것으로, 도 2는 도 1에서 선수부를 도시한 것이며, 도 3은 공기분사구에서 분사되는 공기층이 형성되는 영역을 나타낸 것이다.

도 1을 참조하면, 선박 저부(1)에 에어버블(air bubble)을 발생시키는 선박의 공기윤활시스템은, 전방 공기분사구(10), 및 후방 공기분사구(20)를 포함한다.

여기에서, 본 발명에서 추진기(프로펠러)는 선미부, 즉, 0 OLA 부근에 배치되며, 도 1에서 이의 도시는 생략하였다.

전방 공기분사구(10) 및 후방 공기분사구(20는, 선박 저부(1), 예를 들어, 선박의 기저부에 에어버블을 발생시키기 위한 것으로, 선박 선수부(2)에 설치될 수 있고, 전방 공기분사구(10)는 후방 공기분사구(20) 보다 선수에 인접하도록 설치될 수 있다. 이때, 선박 선수부(2)는 선박의 전장길이를 기준으로 선미를 0 LOA, 선수를 1.0 LOA이라 할 때, 0.5 LOA 내지 1.0 LOA 범위를 지칭할 수 있다.

전방 공기분사구(10) 및 후방 공기분사구(20)는, 공기분사장치(미도시)에서 공기가 선박 외부로 토출되는 곳으로, 선수부 제어부(미도시)에 의해 공기분사 작동이 구동될 수 있으며, 예를 들어, 콤프레서(미도시)에서 형성된 압축공기가 공기분사장치(미도시)로 공급된 후, 전방 공기분사구(10) 및 후방 공기분사구(20)를 통해 선박 저부(1)로 공기가 배출될 수 있다. 예를 들어, 전방 공기분사구(10) 및 후방 공기분사구(20)는 단일한 공기분사장치에 연결되는 구조일 수 있다. 예를 들어, 전방 공기분사구(10)는 전방 공기분사장치(미도시)에 마련되고, 후방 공기분사구(20)는 후방 공기분사장치(미도시)에 마련되는 구조일 수 있다. 예를 들어, 상기 전방 공기분사장치(미도시) 및 상기 후방 공기분사장치(미도시) 각각을 제어하는 전방 제어부(미도시) 및 후방 제어부(미도시)가 포함될 수 있고, 이에 따라 전방 콤프레서(미도시) 및 후방 콤프레서(미도시)가 포함될 수 있다. 예를 들어, 상기 전방 공기분사장치(미도시) 및 상기 후방 공기분사장치(미도시)를 모두 제어하는 제어부(미도시)가 포함될 수 있고, 이에 따라 콤프레서(미도시)에서 형성된 압축공기가 상기 전방 공기분사장치(미도시) 및 상기 후방 공기분사장치(미도시)로 공급될 수 있거나, 또는 전방 콤프레서(미도시)에서 형성된 압축공기는 상기 전방 공기분사장치(미도시)로 공급되고, 후방 콤프레서(미도시)에서 형성된 압축공기는 상기 후방 공기분사장치(미도시)로 공급될 수 있다.

전방 공기분사구(10)와 후방 공기분사구(20)는 선박의 폭 방향으로 소정 길이를 갖고 연장되되, 전방 공기분사구(10)가 설치된 영역과 후방 공기분사구(20)가 설치된 영역은 선박의 길이방향에서 중첩된 영역을 포함할 수 있다. 즉, 전방 공기분사구의 폭과 후방 공기분사구의 폭은 선박의 길이방향에서 바라볼 때 중첩되는 영역을 가질 수 있다.

이에 따라, 상기 중첩된 영역에서 공기체적분율을 높일 수 있다.

선박의 길이방향에서, 전방 공기분사구(10)가 설치된 영역은 후방 공기분사구(20)가 설치된 영역에 포함될 수 있다.

이에 따라, 선박 저부(1)에서 공기체적분율을 높일 필요가 있는 영역에 전방 공기분사구(10)가 선박의 폭 방향을 따라 소정 길이를 갖고 설치될 수 있으며, 공기분사구의 설치 개수를 최소화하면서 공기체적분율이 높아지는 선박 저부(1) 영역을 최대로 확보할 수 있다.

선박의 전방 공기분사구(10)의 중심과 후방 공기분사구(20)의 중심은 선박의 길이방향에서 동일한 선 상에 위치하고, 예를 들어, 상기 동일한 선은, 선박의 두께의 중심을 선박의 길이방향을 따라 연장한 선박 중심선(3) 일 수 있다.

즉, 전방 공기분사구(10)와 후방 공기분사구(20)는 그 중심이 선박 중심선(3) 상에 위치하도록 설치됨으로써, 선박 저부(1)에서 형성되는 공기층이 선박 중심선(3)을 기준으로 대칭이 되도록 하여, 선박 운항에 불필요한 저항이 발생하지 않도록 하며, 선박이 선미까지 공기층이 높은 공기체적분율을 갖고 형성되도록 할 수 있다.

도 2를 참조하면, 선박의 폭을 B라고 할 때, 후방 공기분사구(20)가 설치된 영역은, 0.5B 이내일 수 있고, 예를 들어, 0.3B 이내일 수 있다. 예를 들어, 전방 공기분사구(10)가 설치된 영역은 후방 공기분사구(20)가 설치된 영역의 0.2배 내지 0.6배 일 수 있다.

상기 수치 범위 내에서, 공기분사구의 길이를 최소화시키고, 분사되는 공기량을 최소화시키면서도, 선박 중앙부에서 선미까지 형성되는 공기층의 공기체적분율을 높여서 거친 해상 환경 속에서도 마찰 저항 효과를 달성할 수 있고, 추진기(프로펠러)에 발생하는 변동압력을 저감시키며, 추진기(프로펠러)에서 발생하는 소음을 저감시킬 수 있다 이때, 상기 선박 중앙부는 상기 선박의 길이방향에서 도 1 및 도 2를 들어 전술한 선박의 중심선과 그 인근 영역을 지칭할 수 있다.

선박의 전장길이를 기준으로 선미를 0 LOA, 선수를 1.0 LOA이라 할 때, 후방 공기분사구(20)와 전방 공기분사구(10)는 0.1 LOA 이하의 거리(d)로 이격될 수 있다.

상기 수치 범위 내에서, 전방 공기분사구(10)가 설치된 영역과 중첩되는 후방 공기분사구(20)가 설치된 영역에서 형성되는 공기층의 공기체적분율을 효과적으로 높일 수 있다.

이때, 전방 공기분사구(10)는 0.7 LOA 내지 0.85 LOA 이내에 설치될 수 있다.

상기 수치 범위 내에서, 선박 중앙부에서 선미까지 형성되는 공기층의 공기체적분율을 효과적으로 높일 수 있게 되어, 공기분사구의 길이와 분사되는 공기량을 최소화시키면서도 거친 해상 환경 속에서도 마찰 저항 효과를 달성할 수 있고, 추진기(프로펠러)에 발생하는 변동압력을 저감시키며, 추진기(프로펠러)에서 발생하는 소음을 저감시킬 수 있다.

도 3을 참조하면, 전술한 전방 공기분사구(10) 및 후방 공기분사구(20)의 최적 배치를 통해, 전방 공기분사구(10)에서 분사된 공기에 의해 형성된 전방 공기분사구 공기층(12) 은 후방 공기분사구(20)에서 분사된 공기에 의해 형성된 후방 공기분사구 공기층(22)에 포함되도록 하여, 선박의 길이방향을 따라 연장되는 선박의 중앙부 공기층의 공기체적분율을 높일 수 있다.

본 발명은 또한, 선박 저부(1)에 에어버블(air bubble)을 발생시키는 공기윤활시스템이 적용된 선박의 공기윤활방법에 있어서, 선박의 길이방향을 따라 연장되는 선박의 중앙부 공기층의 공기체적분율을 높이는, 공기윤활시스템이 적용된 선박의 공기윤활방법을 제공한다. 도 1 내지 도 3을 들어 설명한 선박의 공기윤활시스템의 각 구성 및 효과가 그대로 적용될 수 있으며, 전술한 바와 중복되는 설명은 생략한다.

선박 선수부(2)에 설치되는 전방 공기분사구(10) 및 선박 선수부(2)에서, 전방 공기분사구(10)의 후방에 설치되는 후방 공기분사구(20)에서 공기를 분사하되, 전방 공기분사구(10)에서 분사된 공기에 의해 형성된 공기층은 후방 공기분사구(20)에서 분사된 공기에 의해 형성된 공기층에 포함되도록 할 수 있다.

예를 들어, 전방 공기분사구(10) 및 후방 공기분사구(20)는 선박의 운항 중 상시 구동, 즉, 상시 공기가 분사되도록 할 수 있다. 본 발명에서 상기 구동은, 공기분사구를 통해 공기가 배출되도록 작동하는 것을 지칭할 수 있다.

예를 들어, 전방 공기분사구(10) 및 후방 공기분사구(20)는 선박이 운항하는 해상 환경에 따라 선택적으로 구동되도록 할 수 있다. 일 예로, 파도의 파고가 미리 설정된 수치 범위 이내인 완만한 해상 환경에서는 후방 공기분사구(20)만 구동되고, 파도의 파고가 미리 설정된 수치 범위 초과인 거친 해상 환경에서는 전방 공기분사구(10)도 추가로 구동되도록 하여, 에너지 효율을 향상시키고 분사되는 공기량을 최소화시키면서도, 거친 해상 환경 속에서도 마찰 저항 효과를 달성할 수 있고, 추진기(프로펠러)에 발생하는 변동압력을 저감시키며, 추진기(프로펠러)에서 발생하는 소음을 저감시킬 수 있다.

전방 공기분사구(10)와 후방 공기분사구(20)의 중심은, 선박의 두께 방향 중심을 기준으로, 선박의 길이방향을 따라 연장되는 선박의 중심선(3) 상에 위치하도록 한 상태에서 전방 공기분사구(10)와 후방 공기분사구(20)를 구동하여, 선박의 길이방향을 따라 연장되는 선박의 중앙부 공기층의 공기체적분율을 높일 수 있다.

후방 공기분사구(20)와 전방 공기분사구(10)는 0.1 LOA 이하의 거리로 이격되고, 선박의 폭을 B라고 할 때, 후방 공기분사구(20)에 의해 형성되는 공기층의 시점이 0.5B 이내가 되도록 후방 공기분사구(20)에서 공기를 분사하고, 선박의 전장길이를 기준으로 선미를 0 LOA, 선수를 1.0 LOA이라 할 때, 전방 공기분사구(10)에 의해 형성되는 공기층의 시점이 0.7 LOA 내지 0.85 LOA 이내가 되도록 전방 공기분사구(10)에서 공기를 분사하도록 전방 공기분사구(10)와 후방 공기분사구(20)를 구동하여, 선박의 길이방향을 따라 연장되는 선박의 중앙부 공기층의 공기체적분율을 높이고, 선미에 배치되는 추진기(프로펠러)까지 상기 공기층이 높은 공기체적분을 갖고 연장되도록 하여 추진기(프로펠러)에 발생하는 변동압력을 저감시키며, 추진기(프로펠러)에서 발생하는 소음을 저감시킬 수 있다.

예를 들어, 전방 공기분사구(10)와 후방 공기분사구(20)에 마련된 분사구멍은 개폐가 가능하고, 후방 공기분사구(20)에 의해 형성되는 공기층의 시점이 0.5B 이내가 되도록 후방 공기분사구(20)의 분사구멍의 개폐를 제어할 수 있다.

예를 들어, 전방 공기분사구(10)와 후방 공기분사구(20)는 선박 저부(1)에서 소정 길이와 폭을 갖고 마련되되, 전방 공기분사구(10)와 후방 공기분사구(20)에 마련된 분사구멍은 개폐가 가능하여, 전방 공기분사구(10)에 의해 형성되는 공기층의 시점이 0.7 LOA 내지 0.85 LOA 이내가 되도록 전방 공기분사구(10)의 분사구멍의 개폐를 제어할 수 있다.

도 4 및 도 5는 선박의 공기윤활시스템의 공기체적분율(volume fraction of air)을 전산유체역학(computational fluid dynamics) 기반의 수치해석결과로 나타낸 것으로, 도 4는 비교예에 따른 선박의 공기윤활시스템의 수치해석 결과를, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 공기윤활시스템의 수치해석 결과를 각각 나타낸 것이다.

여기에서, 상기 공기체적분율은, 공기가 차지하는 부피 비율 즉, 공기가 포함된 정도를 뜻하며 1의 경우 공기로 가득 차 있는 것을, 0의 경우 물로 가득 차 있는 것을 지칭한다.

도 4를 참조하면, 비교예에 따른 선박의 공기윤활시스템은, 공기분사구를 길이 방향으로 한 곳에만 배치하거나 또는 공기층이 중첩되지 않고 엇갈리게 배치하여, 공기체적분율을 특정 수준 이상 확보하기 어려움을 확인할 수 있다. 이에 따라, 비교예에 따른 선박의 공기윤활시스템은 공기체적분율이 적정 수준 이하로 내려감에 따라, 마찰저항저감 성능이 급격하게 열악해짐을 확인할 수 있다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 공기윤활시스템은, 선박 선수부에서 선박 중앙부에 공기분사구를 전방과 후방으로 중첩되도록 배치함으로써, 비교예에 따른 수치해석결과에 비해 중앙부에서 높은 공기체적분율을 확보할 수 있음을 확인할 수 있다.

이처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 공기윤활시스템은 공기체적분율이 높은 공기층이 선체바닥의 중앙부, 즉, 선박 중심선 근방에 형성되는 경우 실제 해상에 존재하는 조류, 해류, 파도 등과 같은 외란에도 불구하고 높은 수준의 공기체적분율을 확보하여 마찰저항저감 성능을 효과적으로 확보할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 공기윤활시스템은, 선박 중앙부에 공기를 집중 분사하여, 높은 공기체적분을 유지한 상태로 공기층이 선미까지 이동하도록 함으로써, 선미에 위치하는 프로펠러 상단부에서 상기 공기층이 에어 쿠션(air cushion) 역할을 하게 된다. 이에 따라, 프로펠러 날개면에서 발생하는 캐비테이션(cavitation)을 효과적으로 억제하게 되며, 캐비테이션의 생성 및 붕괴 과정에서 발생하는 변동압력 및 수중방사소음을 현저하게 저감할 수 있다. 이와 같이, 프로펠러 날개면에 작용하는 변동압력을 저감할 수 있게 됨으로써, 효율이 높은 추진기를 설치할 수 있게 되어, 선박 운항의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.

도 6은 BF(Beaufort) scale 5 해상상태에서 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 공기윤활시스템의 유동해석 계산 결과를 나타낸 것이고, 도 7은 BF(Beaufort) scale 5 해상상태에서 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 공기윤활시스템의 마찰항력(friction drag)을 나타낸 것이다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 공기윤활시스템은, 선체 횡동요(Roll motion)가 작용하는 가혹한 해상 환경에서도, 공기층이 선미까지 안정적으로 유지되면서 형성되는 것을 확인할 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 공기윤활시스템의 작동 시 변동압력 저감 정도를 나타낸 것이고, 도 9는 BF(Beaufort) scale 5 내지 8 해상상태에서 본 발명의 일 실시에에 따른 선박의 공기윤활시스템의 순동력절감(net power saving) 정도를 나타낸 것으로, 도 8은 시운전 계측 결과 상 공기윤활시스템(ALS) OFF&ON 시 변동압력 비교 그래프를 나타낸 것이며, 여기에서 PP1, PP2는 프로펠러 상단 트랜섬(transom) 근방 계측 포인트를 지칭한다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 공기윤활시스템은, 도 1 내지 도 3에 나타낸 바와 같이 전방 공기분사구(10)와 후방 공기분사구(20)를 선박 선수부(1)에서 선박 중앙부에 중첩되게 이중으로 배치함으로써, 종래 기술 대비 선박 중앙부에서 높은 공기체적분율을 유지한 상태로 선미까지 공기층이 형성되어, 프로펠러 상부에서의 에어 쿠션(air cushion)을 형성하고, 프로펠러면으로 유입되는 공기층에 의하여 캐비테이션이 억제되어 프로펠러로부터 발생하는 변동압력을 효과적으로 줄일 수 있음을 확인할 수 있다.

이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 공기윤활시스템은, 프로펠러면으로 유입되는 공기에 의하여 캐비테이션이 억제되어 프로펠러로부터 발생하는 수중방사소음을 감소시킬 수 있다.

또한, 선박 중앙부에 집중적으로 공기를 분사함으로써, 가혹한 해상환경, 즉, 강한 조류, 높은 파고 등의 상황에서도 분사된 공기가 선박 외측면으로 새어나가지 않도록 하여, 가혹한 해상환경에서도 마찰저항저감 성능을 크게 향상시킬 수 있다.

도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 공기윤활시스템을 작동시킬 경우, BF(Beaufort) scale 6 해상상태까지 순동력절감(net power saving)이 가능함을 확인할 수 있다.

위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이므로, 본 발명이 상기 실시예에만 국한되는 것으로 이해돼서는 안 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어야 할 것이다.

예를 들어, 도면은 이해를 돕기 위해 각각의 구성요소를 주체로 하여 모식적으로 나타낸 것으로, 도시된 각 구성요소의 두께, 길이, 개수 등은 도면 작성의 진행상, 실제와 다를 수 있다. 또한, 상기의 실시형태에서 나타낸 각 구성요소의 재질이나 형상, 치수 등은 한 예로서, 특별히 한정되지 않고, 본 발명의 효과에서 실질적으로 벗어나지 않는 범위에서 여러 가지 변경이 가능하다.

1: 선박 저부
2: 선박 선수부
3: 선박 중심선
10: 전방 공기분사구
20: 후방 공기분사구
11: 전방 공기분사구 폭
21: 후방 공기분사구 폭
12: 전방 공기분사구 공기층
22: 후방 공기분사구 공기층

Claims

선박 저부에 에어버블(air bubble)을 발생시키는 공기윤활시스템이 적용된 선박에 있어서,
상기 선박의 선수부에 설치되는 전방 공기분사구; 및
상기 선박의 선수부에서, 상기 전방 공기분사구의 후방에 설치되는 후방 공기분사구;
를 포함하고,
상기 전방 공기분사구와 상기 후방 공기분사구는 상기 선박의 폭 방향으로 소정 길이를 갖고 연장되되,
상기 전방 공기분사구가 설치된 영역과 상기 후방 공기분사구가 설치된 영역은 상기 선박의 길이방향에서 중첩된 영역을 포함하는, 선박의 공기윤활시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 선박의 길이방향에서, 상기 전방 공기분사구가 설치된 영역은 상기 후방 공기분사구가 설치된 영역에 포함되는, 선박의 공기윤활시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 선박의 폭을 B라고 할 때, 상기 후방 공기분사구가 설치된 영역은, 0.5B 이내인, 선박의 공기윤활시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 선박의 전방 공기분사구의 중심과 상기 후방 공기분사구의 중심은 상기 선박의 길이방향에서 동일한 선 상에 위치하는, 선박의 공기윤활시스템.
청구항 4에 있어서,
상기 동일한 선은, 상기 선박의 두께의 중심을 상기 선박의 길이방향을 따라 연장한 상기 선박의 중심선 인, 선박의 공기윤활시스템.
청구항 3에 있어서,
상기 선박의 전장길이를 기준으로 선미를 0 LOA, 선수를 1.0 LOA이라 할 때,
상기 후방 공기분사구와 상기 전방 공기분사구는 0.1 LOA 이하의 거리로 이격된, 선박의 공기윤활시스템.
청구항 6에 있어서,
상기 전방 공기분사구는 0.7 LOA 내지 0.85 LOA 이내에 설치되는, 선박의 공기윤활시스템.
선박 저부에 에어버블(air bubble)을 발생시키는 공기윤활시스템이 적용된 선박의 공기윤활방법에 있어서,
상기 선박의 선수부에 설치되는 전방 공기분사구 및 상기 선박의 선수부에서, 상기 전방 공기분사구의 후방에 설치되는 후방 공기분사구에서 공기를 분사하되,
상기 전방 공기분사구에서 분사된 공기에 의해 형성된 전방 공기분사구 공기층은 상기 후방 공기분사구에서 분사된 공기에 의해 형성된 후방 공기분사구 공기층에 포함되도록 하여,
상기 선박의 길이방향을 따라 연장되는 상기 선박의 중앙부 공기층의 공기체적분율을 높이는, 공기윤활시스템이 적용된 선박의 공기윤활방법.
청구항 8에 있어서,
상기 전방 공기분사구와 상기 후방 공기분사구의 중심은, 상기 선박의 두께 방향 중심을 기준으로, 상기 선박의 길이방향을 따라 연장되는 상기 선박의 중심선 상에 위치하여,
상기 선박의 길이방향을 따라 연장되는 상기 선박의 중앙부 공기층의 공기체적분율을 높이는, 공기윤활시스템이 적용된 선박의 공기윤활방법.
청구항 9에 있어서,
상기 후방 공기분사구와 상기 전방 공기분사구는 0.1 LOA 이하의 거리로 이격되고,
상기 선박의 폭을 B라고 할 때, 상기 후방 공기분사구에 의해 형성되는 공기층의 시점이 0.5B 이내가 되도록 상기 후방 공기분사구에서 공기를 분사하고,
상기 선박의 전장길이를 기준으로 선미를 0 LOA, 선수를 1.0 LOA이라 할 때, 상기 전방 공기분사구에 의해 형성되는 공기층의 시점이 0.7 LOA 내지 0.85 LOA 이내가 되도록 상기 전방 공기분사구에서 공기를 분사하는, 공기윤활시스템이 적용된 선박의 공기윤활방법.