방향타 및 그것을 구비한 선박 document_id A220517010591

선박에는 선체의 조종을 위하여 방향타가 설치되는 것이 일반적이다. 방향타는 선체의 선미부에 설치되며, 선체에 연결된 회전축에 결합되어 선체에 대해 상대적으로 회전할 수 있게 설치된다. 도 1에는 일반적인 선박의 선미부가 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 선미부(1)의 하측에는 추진기(3)가 설치되고, 추진기(3)의 후방에는 방향타(5)가 설치된다. 방향타(5)에는 도시되지 않은 회전축이 결합되어, 회전축이 회전함에 따라 방향타(5)가 선체에 대하여 상대적으로 회전된다. 회전축은 도시되지 않은 방향타 구동부에 의해 회전이 조절되는데, 방향타 구동부로는 보통 유압장치가 사용된다. 도 2 및 도 3에는 방향타의 회전각에 따라 회전축에 가해지는 회전력을 설명하기 위한 도면 및 그래프가 도시되어 있다. 방향타(5)는 선박의 속도 성능을 저하시키지 않으면서 양력을 최대한 얻기 위해 횡단면이 유선형을 갖도록 제작된다. 방향타(5)에는 축공(6)이 형성되고, 축공(6)에는 선체(도시되지 않음)에 연결된 회전축(7)이 결합된다. 따라서, 회전축(7)이 회전하면 방향타(5)도 회전하여 각도가 변경된다. 도 2를 참조하면, 방향타(5)가 선체의 길이방향과 나란한 각도를 유지하고 있는 모습(a)으로부터 최대 회전각(Amax)까지 일측으로 회전된다. 상술한 바와 같이, 방향타(5)는 회전축(7)을 중심으로 회전한다. 선박의 조타를 위하여 방향타(5)를 소정의 각도로 회전시키면, 선박의 진행방향으로부터 유입되는 물에 의해 방향타(5)에 힘이 가해지게 된다. 그리고, 이 힘에 의해 회전축(7)에는 회전력이 가해지게 된다. 도 3을 참조하면, 방향타(5)가 회전된 각도에 따라 회전축(7)에 가해지는 회전력의 크기가 그래프로 도시되어 있다. 여기서, 도 3에 표시된 ''타각''은 방향타(5)가 원위치, 즉 선박이 직진하게 하는 위치로부터 회전된 각도를 의미하며, ''토크''는 회전축(7)에 가해지는 회전력(torque)을 의미한다. 방향타(5)가 선체의 길이방향과 나란한 경우, 즉 도 2의 (a)와 같이 방향타(5)가 회전되지 않은 경우에는 회전축(7)에 회전력이 가해지지 않는다. 선체의 조타를 위하여 방향타(5)를 회전시키면, 즉 도 2의 (b)와 같이 방향타(5)를 소정의 각도로 회전시킨 경우에는, 상술한 바와 같이 회전축(7)에 회전력이 가해진다. 이때, 회전력은, 도 2의 (c)와 같이 방향타(5)가 최대 회전각(Amax)에 이를 때까지 그 크기와 방향이 변한다. 방향타(5)가 회전되기 시작하면, 회전축(7)에는 방향타(5)를 더 회전시키려는 방향, 즉 도 3의 그래프 상에서 음의 방향으로 회전력이 가해진다. 방향타(5)의 회전각이 증가됨에 따라 회전축(7)에는 음의 방향으로 가해지는 회전력도 증가되다가, 특정한 각도 이후에는 점차 감소된다. 방향타(5)가 회전된 각도가 임계각(Ac)에 이르면, 방향타(5)에 유입되는 물에 의한 회전력이 평형을 이루어서, 회전축(7)에 회전력이 가해지지 않게 된다. 이후, 방향타(5)가 더 회전하여 최대 회전각(Amax)에 이를 때까지는 방향타(5)를 원위치로 되돌리려는 방향, 즉 도 3의 그래프 상에서 양의 방향인 회전력이 회전축(7)에 가해진다. 그리고, 최대 회전각(Amax)에 도달될 때까지 양의 방향의 회전력의 크기는 계속 증가된다. 이와 같이, 회전축(7)에 가해지는 최대 회전력(Tmax)은 일반적으로 최대 회전각(Amax)에서 발생된다. 따라서, 회전축(7)을 회전시키는 방향타 구동부는 이러한 최대 회전력(Tmax)를 고려하여 설계되어야 하며, 최대 회전력(Tmax)의 크기가 클수록 용량이 큰 방향타 구동부를 사용하여야 한다. 방향타 구동부의 용량이 커질수록 방향타 구동부의 가격 또한 증가되며, 따라서 선박의 건조비용 또한 증가된다. 방향타(5)와 회전축(7)이 결합되는 위치를 변경시키면, 방향타(5)의 밸런스가 변경되어 방향타(5)에 가해지는 회전력의 특성이 달라지게 된다. 예를 들면, 회전축(7)의 위치를 방향타(5)의 후방으로 배치시키면 최대 회전력(Tmax)이 감소되는 반면, 음의 방향의 회전력이 증가된다. 즉, 방향타(5)를 최대 회전력(Tmax)이 감소되도록 설계하면 방향타(5)의 회전각이 작은 영역일 때 회전축에 가해지는 회전력이 전반적으로 증가된다. 실제로 선박을 운행할 때에는 작은 각도 범위에서 방향타(5)를 회전시키는데, 회전축(7)에 회전력이 가해지더라도 방향타(5)가 일정한 각도를 유지시키는 데에는 에너지가 소모되므로, 최대 회전력(Tmax)이 감소되도록 설계하면 선박의 운항에 소요되는 전체적인 에너지 소비량은 오히려 증가된다는 문제가 있다.