KR100545914B1

KR100545914B1 - 감쇠력 자동조절기능이 있는 질량이동형 횡동요 감쇠장치

Info

Publication number: KR100545914B1
Application number: KR1020040034827A
Authority: KR
Inventors: 이경중; 윤현규
Original assignee: 한국해양연구원
Priority date: 2004-05-17
Filing date: 2004-05-17
Publication date: 2006-01-24
Also published as: KR20050109809A

Abstract

본 발명은 곡선레일 혹은 스프링을 이용한 이동질량과 감쇠력제어기를 사용하여 해상에서 작업을 하거나 항해하는 부유식 해양구조물과 선박의 횡동요를 효과적으로 감쇠함으로써, 승선감과 작업성능을 향상시키고 나아가 운항안전성과 작업안전성을 도모하기 위한 감쇠력 자동조절기능이 있는 질량이동형 횡동요 감쇠장치에 관한 것이다.

본 발명은 선박의 내부 혹은 갑판위에 설치되는 곡선레일과, 상기 곡선레일의 상부에 설치되어 선박의 횡동요에너지에 의해 발생하는 운동에너지에 따라 곡선레일 곡률상에서 움직이는 이동질량과, 상기 이동질량의 일측에 구비되어 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전모터와, 상기 발전모터에서 발전된 전력을 제어하여 이동질량의 감쇠력을 제어하는 감쇠력제어기와, 상기 선박의 횡동요 각도, 각속도 및 이동질량의 위치를 측정하는 계측기에서 계측값을 전달받아 선박의 횡동요 주기와 이동질량의 주기를 얻어내어 최적의 감쇠력을 산정하는 횡동요 감쇠제어기와, 상기 발전모터 및 감쇠력제어기에서 발전된 전력이 축전되고, 축전된 전력을 이용하여 상기 감쇠력제어기, 횡동요 감쇠제어기 및 계측기에 전원을 공급하는 축전지로 구성된다.

이동질량, 횡동요 감쇠장치, 감쇠력제어기, 스프링, 곡선레일, 발전모터

Description

감쇠력 자동조절기능이 있는 질량이동형 횡동요 감쇠장치{MOVING WEIGHT TYPE ANTI-ROLL DEVICE WITH AUTOMATIC DAMPING CONTROL}

도 1은 곡선레일을 이용한 질량이동형 횡동요 감쇠장치의 원리를 도시한 개념도;

도 2는 스프링을 이용한 질량이동형 횡동요 감쇠장치의 원리를 도시한 개념도;

도 3은 본 발명에 따른 곡선레일을 이용한 질량이동형 횡동요 감쇠장치를 도시한 구성도;

도 4는 본 발명에 따른 스프링을 이용한 질량이동형 횡동요 감쇠장치를 도시한 구성도이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

10: 곡선레일 20: 이동질량

30: 발전모터 40: 감쇠력 제어기

50: 축전지 60: 계측기

70: 횡동요 감소제어기 80: 스프링

81: 스프링 조절나사 82: 스프링 지지대

90: 레일 91: 도르레

92: 레일 지지대

본 발명은 질량이동형 횡동요 감쇠장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 곡선레일 혹은 스프링을 이용한 이동질량과 감쇠력제어기를 사용하여 해상에서 작업을 하거나 항해하는 부유식 해양구조물과 선박의 횡동요를 효과적으로 감쇠함으로써, 승선감과 작업성능을 향상시키고 나아가 운항안전성과 작업안전성을 도모하기 위한 감쇠력 자동조절기능이 있는 질량이동형 횡동요 감쇠장치에 관한 것이다.

일반적으로, 해상을 항해하거나 해상작업을 위한 선박, 부유식 해상구조물은 파도로 인한 동요를 하게 되며 이러한 선박의 동요는 승객, 작업자의 승선감과 작업성능을 떨어뜨릴 뿐 아니라 심한 경우 전복에 이르는 경우도 있다. 선박의 동요는 그 움직임의 양상에 따라 선박의 길이 방향의 운동인 전후 동요(surging), 폭방향의 운동인 좌우동요(swaying), 상하방향의 운동인 상하동요(heaving)와 전후, 좌우, 상하동요 운동방향 축에 대한 회전운동인 횡동요(rolling), 종동요(pitching), 선수동요(yawing)등 6자유도운동의 조합으로 나타난다. 그 중에서도 횡동요는 해상파 주기와의 공진이 자주 발생하고 공진시의 그 응답이 매우 큰 특성을 가지고 있어 횡동요 저감장치가 많이 제안되었다.

대표적인 횡동요 저감장치는 빌지키일(bilge keel), 횡요감쇠 탱크(anti-rolling tank)와 안정핀 장치(fin-stabilizer)를 들 수 있다. 빌지 키일은 선체빌 지(bilge)에 길이방향으로 좁고 긴 판(plate)을 부착하여 횡동요시 빌지 키일(bilge keel)에서 와류를 발생시켜 횡동요 감쇠력(damping force)을 증가시킴으로써 공진시 횡동요 응답을 감소시켜 준다. 그러나, 이 방법은 가장 저렴하고 설치가 용이하나 그 효과는 가장 낮다.

횡동요 감쇠 탱크(anti-rolling tank)는 U자형 튜브구조를 선체 내부(주로 중앙부)에 설치하고 튜브 구조 속에 액체(물)를 채워 U자형 튜브내 액체유동 공진을 유발하여 횡동요의 공진점을 이동시키고, 아울러 횡동요 운동감쇠력을 발생시켜 횡동요 공진시의 응답을 낮춰주는 장치이다. 이 장치는 우선 설치 공간을 많이 차지하고 횡동요 주기가 짧을 때는 효율이 좋지 않으며 경우에 따라 오히려 동요가 증폭될 수 있다.

안정핀 장치(Fin-stabilizer)는 선체의 양현 빌지(bilge) 근처에 날개를 달고 횡동요의 각도와 회전율, 가속도를 측정하여 날개의 각도를 능동제어함으로써 부가적인 감쇠력, 복원력을 발생시켜 횡동요 응답수준을 대폭 감소시킬 수 있다.

그러나, 안정핀 장치(Fin-stabilizer)는 가장 효과가 좋은 것으로 알려 있으나 선속이 10-15노트이상인 경우에만 효과적이며 가장 고가이고 저항 증가로 인한 선속 감소 효과가 있으며 작동을 위한 추가 동력이 필요하다는 문제점이 있다.

또한, 종래에 질량이동을 이용하는 횡동요 감쇠장치에 대한 개념은 알려져 있으나 아직 기술적으로 완성되지 못하고 있다. 이와같은 질량이동을 이용하는 횡동요 감쇠장치는 이동질량의 위치 변경을 위하여 외부의 동력원을 사용하는가에 따라 수동형과 능동형으로 분류할 수 있는데, 수동형의 경우 장치의 감쇠력을 수동으 로 조절하여야 하므로 운항조건이나 선박의 변경에 따라 최적의 감쇠력을 얻을 수가 없고, 사용자가 최적의 감쇠력이 되도록 조절하기 힘든 문제점이 있다. 또한 능동형의 경우 그 크기가 커지고 전력을 많이 소모하는 문제점을 가지고 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명은 곡선레일 혹은 스프링을 이용한 이동질량과 감쇠력제어기를 사용함으로써, 선박의 크기와 운항조건에 상관없이 선박의 횡동요를 최적으로 감소시키고, 자체적으로 전력을 생산 및 공급하여 에너지 효율을 향상시키는 질량이동형 횡동요 감쇠장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 질량이동형 횡동요 감쇠장치는 선박의 내부 혹은 갑판위에 설치되는 곡선레일과, 상기 곡선레일의 상부에 설치되어 선박의 횡동요에너지에 의해 발생하는 운동에너지에 따라 곡선레일 곡률상에서 움직이는 이동질량과, 상기 이동질량의 일측에 구비되어 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전모터와, 상기 발전모터에서 발전된 전력을 제어하여 이동질량의 감쇠력을 제어하는 감쇠력제어기와, 상기 선박의 횡동요 각도, 각속도 및 이동질량의 위치를 측정하는 계측기에서 계측값을 전달받아 선박의 횡동요 주기와 이동질량의 주기를 얻어내어 최적의 감쇠력을 산정하는 횡동요 감쇠제어기와, 상기 발전모터 및 감쇠력제어기에서 발전된 전력이 축전되고, 축전된 전력을 이용하여 상기 감쇠력제어기, 횡동요 감쇠제어기 및 계측기에 전원을 공급하는 축전지로 구 성된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 질량이동형 횡동요 감쇠장치에 대한 일 실시 예로서는 다수개가 존재할 수 있으며, 이하에서는 가장 바람직한 실시 예에 대해 설명한다.

도 1은 곡선레일을 이용한 질량이동형 횡동요 감쇠장치의 원리를 도시한 개념도이고, 도 2는 스프링을 이용한 질량이동형 횡동요 감쇠장치의 원리를 도시한 개념도이고, 도 3은 본 발명에 따른 곡선레일을 이용한 질량이동형 횡동요 감쇠장치를 도시한 구성도이고, 도 4는 본 발명에 따른 스프링을 이용한 질량이동형 횡동요 감쇠장치를 도시한 구성도이다.

도 1과 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 질량이동형 횡동요 감쇠장치의 구성은 다음과 같다.

선박의 내부 혹은 갑판위에 곡선레일(10)이 설치되고, 상기 곡선레일(10)의 상부에는 선박의 횡동요에너지에 의해 발생하는 운동에너지에 따라 곡선레일(10) 곡률상에서 움직이는 이동질량(20)이 구비되고, 상기 이동질량(20)의 일측에는 선박의 요동에 의해 발생하는 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전모터(30)가 구비된다.

이때, 상기 곡선레일(10)의 곡률은 선박의 횡동요 고유진동수와 이동질량(20)의 고유진동수가 일치하도록 설정하는 것이 바람직하다.

상기 발전모터(30)의 일측에는 상기 발전모터(30)에서 발전된 전력을 제어하여 이동질량(20)의 감쇠력을 제어하는 감쇠력제어기(40)가 설치되고, 상기 감쇠력 제어기(40)의 일측에는 상기 감쇠력제어기(40)와 연결되어 상기 선박의 횡동요 각도, 각속도 및 이동질량의 위치를 측정하는 계측기(60)에서 계측값을 전달받아 선박의 횡동요 주기와 이동질량의 주기를 얻어내어 최적의 감쇠력을 산정하는 횡동요 감쇠제어기(70)가 구비된다.

또한, 상기 감쇠력 제어기(40)와 횡동요 감쇠제어기(70) 사이에는 상기 발전모터(30) 및 감쇠력제어기(40)에서 발전된 전력이 축전되고, 축전된 전력을 이용하여 상기 감쇠력제어기(40), 횡동요 감쇠제어기(70) 및 계측기(60)에 전원을 공급하는 축전지(50)가 구비된다.

따라서, 본 발명은 선박의 하중상태 변화에도 자동적으로 최적의 제어효과를 낼 수 있으며, 제어기의 전원을 자체적으로 만들어 사용할 수 있다.

상기와 같은 구성을 갖는 질량이동형 횡동요 감쇠장치의 작용을 살펴보면 다음과 같다.

우선, 선박의 횡동요에 의해 발생한 운동에너지에 따라 곡선레일(10)상에 있는 이동질량(20)이 움직이게 되면, 상기 이동질량(20)의 일측에 구비된 발전모터(30)에서는 상기 이동질량(20)의 운동에너지를 전기에너지로 변환시키게 된다.

상기 발전모터(30)에서 발생된 전기에너지는 감쇠력 제어기(40)로 전달되고, 상기 감쇠력 제어기(40)는 전력을 제어하면서 이동질량(20)의 감쇠력을 제어한다.

그리고, 계측기(60)에서는 상기 선박의 횡동요 각도, 각속도 및 이동질량의 위치를 측정하고, 횡동요 감쇠제어기(70)에서는 계측기(60)로부터 계측값을 전달받 아 선박의 횡동요 주기와 이동질량의 주기를 얻어내어 최적의 감쇠력을 산정한다.

상기 횡동요 감쇠제어기(70)에서 산정된 최적의 감쇠력을 이용하여 감쇠력 제어기(40)에서는 이동질량(20)의 감쇠력을 제어함에 따라 선박의 횡동요가 감소하게 된다.

한편, 축전지(50)는 상기 발전모터(30)에서 발전된 전력을 이용하여 상기 감쇠력제어기(40), 횡동요 감쇠제어기(70) 및 계측기(60)에 전원을 공급하게 되므로 따로 외부전원이 필요없게 된다.

본 발명에 따른 질량이동형 횡동요 감쇠장치의 또 다른 실시예를 살펴보면 다음과 같다.

도 2와 도4에 도시된 바와같이, 스프링을 이용한 질량이동형 횡동요 감쇠장치는 선박의 내부 혹은 갑판위에 레일(90)이 구비되고, 상기 레일(90)의 상부에는 선박의 횡동요에너지에 의해 발생하는 운동에너지에 따라 레일(10) 상에서 움직이는 이동질량(20)이 설치된다.

상기 이동질량(20)의 상부에는 스프링 지지대(82)가 부착되고, 상기 스프링 지지대(82)의 양측에는 이동질량(20)의 고유진동수를 결정하는 스프링(80)이 설치된다.

상기 스프링(80)은 그 양측으로 도르레(91)에 연결되어 스프링(80)의 세기를 조절하는 스프링 조절나사(81)에 부착되고, 상기 스프링 조절나사(81)의 일측에는 스프링 조절나사(81)를 작동하는 스프링 조절 모터(31)가 구비되고, 상기 스프링 조절 모터(31)는 후술되는 감쇠력제어기(40)에 의해 제어된다.

상기 이동질량(20)의 일측에는 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전모터(30)가 구비되고, 상기 발전모터(30)의 일측에는 발전모터(30)에서 발전된 전력을 제어하여 이동질량(20)의 감쇠력을 제어하는 감쇠력제어기(40)가 구비되고, 상기 감쇠력제어기(40)의 일측에는 상기 선박의 횡동요 각도, 각속도 및 이동질량의 위치를 측정하는 계측기(60)에서 계측값을 전달받아 선박의 횡동요 주기와 이동질량의 주기를 얻어내어 최적의 감쇠력을 산정하는 횡동요 감쇠제어기(70)가 구비된다.

상기 횡동요 감쇠제어기(70)와 감쇠력 제어기(40) 사이에는 상기 발전모터(30) 및 감쇠력제어기(40)에서 발전된 전력이 축전되고, 축전된 전력을 이용하여 상기 감쇠력제어기(40), 횡동요 감쇠제어기(70) 및 계측기(60)에 전원을 공급하는 축전지(50)가 구비된다.

상기와 같은 구성을 갖는 스프링을 이용한 질량이동형 횡동요 감쇠장치의 작동원리는 앞에서 설명한 곡선레일을 이용한 질량이동형 횡동요 감쇠장치와 같고, 단지 곡선레일(10) 대신 스프링(80)을 이용하여 이동질량의 고유진동수를 결정한다는 것만 다른 것이다.

따라서, 본 발명은 이동질량의 감쇠력 뿐만아니라 고유진동수도 제어가능하고, 선박의 하중조건에 따른 변화가 많이 발생해도 감쇠력 및 스프링을 제어하여 최적의 횡동요 감소효율을 얻을 수 있고, 제작된 하나의 장비가 적용되는 선박의 범위도 상당히 넓어진다.

상기와 같은 구성과 작용을 갖는 본 발명에 따른 질량이동형 횡동요 감쇠장치는 선박의 횡동요에 의해 발생되는 이동질량의 운동에너지를 감쇠시키는데 있어서 감쇠력을 최적으로 제어하기 때문에 선박의 크기와 운항조건에 무관하게 선박의 횡동요를 최적으로 감소시키는 효과가 있다.

또한, 작동원리상 선박의 속도와 무관하기 때문에 정지시나 항해시 모두 감쇠효과가 발생하고, 감쇠장치의 크기가 감요 탱크와 비교하여 작기 때문에 새로 건조되는 선박은 물론 현재 운항중인 선박의 갑판에도 장착할 수 있는 장점을 가지고 있고, 동일한 장치로 대상선박의 변경에도 유연하게 적용할 수 있으므로 양산을 통하여 제조단가를 낮출 수 있으며, 축전지에 의해 자체적으로 전력이 공급되기 때문에 에너지 효율도 상당히 향상된다.

Claims

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선박의 내부 혹은 갑판위에 설치되는 레일(90)과;

상기 레일(90)의 상부에 설치되어 선박의 횡동요에너지에 의해 발생하는 운동에너지에 따라 레일(10) 상에서 움직이는 이동질량(20)과;

상기 이동질량(20)의 상부에 부착된 스프링 지지대(82)의 양측에 설치되어 이동질량(20)의 고유진동수를 결정하는 스프링(80)과;

상기 이동질량(20)의 일측에 구비되어 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전모터(30)와;

상기 발전모터(30)에서 발전된 전력을 제어하여 이동질량(20)의 감쇠력을 제어하는 감쇠력제어기(40)와;

상기 선박의 횡동요 각도, 각속도 및 이동질량의 위치를 측정하는 계측기(60)에서 계측값을 전달받아 선박의 횡동요 주기와 이동질량의 주기를 얻어내어 최적의 감쇠력을 산정하는 횡동요 감쇠제어기(70)와;

상기 발전모터(30) 및 감쇠력제어기(40)에서 발전된 전력이 축전되고, 축전된 전력을 이용하여 상기 감쇠력제어기(40), 횡동요 감쇠제어기(70) 및 계측기(60)에 전원을 공급하는 축전지(50)를 포함하는 구성되되;

상기 스프링(80)은 그 양측으로 도르레(91)에 연결되어 스프링(80)의 세기를 조절하는 스프링 조절나사(81)에 부착되고, 상기 스프링 조절나사(81)의 일측에는 스프링 조절나사(81)를 작동하는 스프링 조절 모터(31)가 구비되고, 상기 스프링 조절 모터(31)는 감쇠력제어기(40)에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 감쇠력 자동조절기능이 있는 질량이동형 횡동요 감쇠장치.
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