KR100782615B1 - 선박 추진장치 - Google Patents

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베른트 바커
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Abstract

본 발명은 하나 이상의 프로펠러(8), 상기 하나 이상의 프로펠러를 구동시킬 수 있는 하나 이상의 전동기(7) 및 하나의 컨버터 구동 전원 유닛을 포함하는 선박 추진장치에 관한 것이다. 상기 하나 이상의 전동기(7)는 하나 이상의 원동기 및 상기 원동기에 의해 구동되는 하나 이상의 발전기를 포함하는 상기 전원 유닛에 의해 전력을 공급받을 수 있다. 하나 이상의 전동기 및 상기 전원 유닛의 하나 이상의 발전기는 3상 동기기로서 구현된다. 그러한 선박 추진장치의 효율은 높이면서 부피와 중량을 감소시키기 위해, 전원 유닛의 3상 동기기로서 형성된 하나 이상의 전동기(7) 및 3상 동기기로서 형성된 하나 이상의 발전기가 고온 초전도체 와이어로 만들어진 회전 계자 권선(10)을 가지며, 그러한 고온 초전도체 와이어로 만들어진 각각의 회전 계자 권선(10)은 진공 단열 크라이오스탯(14) 내에 배치되고, 상기 크라이오스탯(14)에 의해 15 내지 77 K의 저온으로 냉각될 수 있다.

Description

선박 추진장치{BOAT PROPULSION SYSTEM}
본 발명은 하나 이상의 프로펠러, 상기 하나 이상의 프로펠러를 구동시킬 수 있는 하나 이상의 전동기 및 하나의 컨버터 구동(converter-fed) 전원 유닛을 포함하는 선박 추진장치에 관한 것으로, 상기 하나 이상의 전동기는 하나 이상의 원동기 및 상기 원동기에 의해 구동되는 하나 이상의 발전기를 포함하는 전원 유닛에 의해 전력을 공급받을 수 있고, 하나 이상의 전동기 및 상기 전원 유닛의 하나 이상의 발전기는 3상 동기기로서 구현된다.
선체의 적절한 장소에 설치된 동기발전기들을 포함하는 전원 유닛을 가지며, 상기 전원 유닛에 의해 컨버터-구동 동기 전동기 또는 비동기 전동기에 전력이 공급되는 디젤 전기 선박 추진장치가 공지되어 있다. 선박 프로펠러를 구동하는 전동기들은 예컨대 인보드 모터(inboard motor)로서 설치되어 축계(shaft system)를 통해 선박 프로펠러를 구동할 수 있다.
또한 회전 가능한 모터 포드(motor pod) 내에 배치된 영구자석 여자 동기전동기를 포함하는 포드형 추진장치(pod drive)가 공지되어 있다. 모터 포드는 선체 외부에 배치되고, 1개 또는 2개의 선박 프로펠러를 갖도록 설계될 수 있다. 이 경우, 전동기의 손실열은 오직 모터 포드의 외부면을 통해서만 해수로 방출된다. 비 동기전동기 및 발전기는 공기/물-열 교환기를 포함한다.
또한 JP 63217969 및 JP 04304159로부터 2개의 선박 프로펠러용 선박 추진장치가 공지되어 있는데, 상기 선박 추진장치에는 직류 브러쉬를 통해 반대방향으로 관류하는 2개의 디스크 로터(disc rotor) 또는 실린더 로터(cylinder rotor)로 형성되는 소위 "단극 전동기(homopolar motor)"가 속하며, 상기 로터의 초전도 코일의 자계 내에서 토크가 발생한다.
전술한 종래 기술에 근거하여, 본 발명의 목적은 도입부에 기술한 범용형 선박 추진장치를 공간이 훨씬 절약되고 중량이 낮게 그리고 더욱 효율적으로 설계될 수 있도록 개선하는 것이다.
본 발명에 따라, 전력 공급을 위해 하나 이상의 (3상 동기기 형태의) 전동기 및/또는 하나 이상의 (3상 동기기 형태의) 발전기가 HTSL(고온 초전도체) 와이어로 이루어진 회전 계자 권선(field winding)을 가지고, HTSL 와이어로 이루어진 각각의 회전 계자 권선은 진공 단열 크라이오스탯(cryostat) 내에 배치되며, 상기 크라이오스탯에 의해 15 내지 77 K의 온도로 냉각됨으로써, 상기 목적이 달성된다.
종래 기술로부터 공지된 포드형 선박 추진장치와 본 발명에 따른 선박 추진장치의 출력 레벨 및 회전 속도값이 거의 동일할 때, 종래 기술의 경우 모터 하우징 직경과 프로펠러 외경의 비가 35% 내지 40%까지 감소되는 반면, 본 발명에 따른 선박 추진장치의 경우에는 30%로 감소될 수 있다. 종래 기술로부터 공지된, 예컨대 총 중량이 약 310t인 선박 추진장치와 비교해볼 때, 본 발명에 따른 선박 추진 장치를 사용하면 상기 중량이 100 내지 200t으로 감소될 수 있다. 또한 종래 기술로부터 공지된 선박 추진장치의 경우 전동기의 효율이 97.5%로 증가되는 반면, 본 발명에 따른 선박 추진장치용 전동기의 효율은 99%까지 증가될 수 있다. 물리적 부피와 총 중량에 있어서 대략 2배 이상에 달하는 상당한 감소가 발생함으로써 선체의 효용 공간이 증가되거나, 동일한 효용 공간에 대해 선체가 더 작게 설계될 수 있다. 기계 받침(machine base)이 덜 복잡하게 설계될 수 있기 때문에 상당한 경제적 이득이 발생한다. 전력 소모가 없는 여자(excitation)로 인해 효율은 더욱 증가되고 냉각 시스템의 복잡도는 감소된다.
본 발명에 따른 선박 추진장치의 한 바람직한 실시예에 따르면, 전력을 공급하기 위한 하나 이상의 (3상 동기기 형태의) 전동기 및/또는 하나 이상의 (3상 동기기 형태의) 발전기가 로터와 적층형 자기 요크(laminated magnetic iron yoke) 사이의 링형 갭 내에 배치된, 다중 구리 도체(multiple copper conductor)로 만들어진 에어 갭 3상 권선을 가진다. 상기 스테이터 에어 갭 권선의 경우, 소음원으로서 철 톱니(iron teeth)가 제공되지 않기 때문에 전동기와 발전기가 더 조용하게 구동된다. 로터의 중량이 감소됨에 따라 발생하는 진동도 현저히 감소된다. 동기 리액턴스가 적기 때문에 매우 높은 단기 토크 및 정동 토크(stalling torque)가 발생한다. 로터와 스테이터 사이에는 종래 기술에 비해 더 큰, 5 내지 50 mm의 에어 갭이 허용된다. 선박 프로펠러 힘으로 인한 샤프트 벤딩(shaft bending), 비틀림 등에 대한 더 높은 공차가 허용되기 때문에 조립 공정이 매우 간단하다.
회전 계자 권선이 실버 기지(matrix)나 실버 합금 기지 내에 함유된 Bi2 Ba2 SrCu2 Ox 또는 Bi2 Ba2 Sr2 Cu3 Ox, 강철 스트립, 니켈 스트립, 니켈을 함유한 합금으로 된 스트립 또는 실버 스트립 상에 놓이는 박막으로서의 YBa2 Cu3의 멀티필라멘트 리본 도체로 제조되거나 MgB2 초전도체로 제조되는 것이 특히 바람직한 것으로 밝혀졌다.
최대한 작은 외경을 가진 HTSL 타입의 전동기를 얻기 위해서는, 3상 동기기로서 형성된 하나 이상의 전동기 내지는 발전기의, HTSL 와이어로 형성된 회전 계자 권선을 포함하는 로터가 6 내지 12개, 바람직하게는 8개의 극을 갖는 것이 유리하다.
본 발명에 따른 선박 추진장치의 한 개선예에 따르면, 냉매 회로를 통해 각각의 크라이오스탯에 냉매가 공급될 수 있다.
냉각 장치의 작동 신뢰도를 높이기 위해 바람직하게는 2개 이상의 여분 냉매 회로를 통해 각각의 크라이오스탯에 냉매가 제공될 수 있다.
바람직하게는 크라이오스탯으로의 전달 커플링(transfer coupling)과 콜드 헤드(cold head) 사이의 냉매 회로에 냉매로서 저온 헬륨(cold helium) 가스 또는 수소 가스가 제공된다.
대안으로는, 크라이오스탯으로의 전달 커플링과 콜드 헤드 사이의 냉매 회로가 냉각 히트파이프(cryo heatpipe) 원리로 설계될 수 있으며, 이 때 전달 커플링에는 액체 네온, 액체 수소, 액체 질소 또는 액체 가스 혼합물과 같은 액체 냉매가 공급되고, 증발된 냉매는 다시 콜드 헤드로 복귀된다.
각 냉매 회로의 콜드 헤드는 재냉각된 압축 가스 회로에 의해 간단하게 작동될 수 있다.
콜드 헤드의 압축 가스 회로의 재냉각은 중앙 냉각수 공급장치, 해수 또는 간접적으로 열 교환기에 의해 이루어질 수 있으며, 상기 열 교환기는 그 자체가 해수에 젖는 선박 외부면에 열적으로 연결된다(thermally connected).
본 발명에 따른 선박 추진장치가 포드(pod)형 추진장치의 형태로 설계되고, 이 때 HTSL 와이어로 된 회전 계자 권선을 가진, 3상 동기기 형태의 하나 이상의 전동기가 선체 외부에 설치된 모터 포드 내에 장착되면, 그러한 경우에 달성될 수 있는 높은 출력 밀도에 의해 하나 이상의 전동기의 외경이 선박 프로펠러 외경의 32% 미만이 될 수 있다. 그 결과, 본 발명에 따라 설계된 포드형 추진장치의 수력 효율이 종래 기술에 비해 훨씬 더 증가된다.
각각의 냉매 회로의 콜드 헤드가 포드형 추진장치의 회전 가능한 방위(azimuth) 모듈 내에 배치되면, 상기 콜드 헤드에 접근하기가 쉽고, 그러한 경우 회전 커플링이 필요없을 수도 있다.
대안으로는 각 냉매 회로의 콜드 헤드가 포드형 추진장치의 스트러트 모듈(strut module) 내에 배치될 수도 있는데, 이 경우에도 역시 냉각 시스템으로의 손쉬운 접근 및 간편한 유지관리가 가능하다.
또한 적절한 요구가 있는 경우, 전달 커플링 가까이에 위치한 각 냉매 회로의 콜드 헤드를 포드형 추진장치의 모터 포드 내에 배치하는 것도 가능하며, 상기 전달 커플링을 통해 HTSL 와이어로 된 회전 계자 권선을 수용하는 크라이오스탯으 로 냉매가 유도될 수 있다.
압축 가스 회로가 콜드 헤드와 함께 포드형 추진장치의 회전 가능한 방위 모듈 상에 또는 상기 방위 모듈 내부에 배치되는 경우에도, 냉각 시스템으로의 접근성 및 유지관리의 편리성이 더욱 증가될 수 있다.
포드형 추진장치의 모터 포드 내에 배치된 단일 전동기의 크라이오스탯에 각각 관련 콜드 헤드를 가진 2개의 냉매 회로를 통해 냉매가 공급될 수 있는 경우, 전술한 방식으로 설계된 포드형 추진장치의 작동 신뢰도가 증대될 수 있다. 그러한 경우 전술한 방식으로 설계된 상기 두 냉매 회로는 크라이오스탯의 냉각과 관련하여 상호 예비 냉매 회로가 된다.
모터 포드 내에 배치된 2개의 독립 전동기 중 하나와 각각 연관되며, 같은 방향으로 또는 반대 방향으로 회전하는 2개의 선박 프로펠러가 제공되고, 상기 프로펠러의 2개의 로터가 각각 하나의 크라이오스탯 내에 배치되는 경우, 바람직하게는 종래 기술로부터 공지된 포드형 추진장치와 동일한 부피에서 더 높은 여유도(redundancy)가 달성될 수 있으며, 상기 두 선박 프로펠러의 엇회전력에 따라 더 높은 수력학적 효율이 달성될 수 있다.
모터 포드 내에 배치된 두 전동기의 작동 신뢰도를 증대시키기 위해, 2개의 크라이오스탯이 각각 하나의 냉매 회로를 통해 각각 하나의 콜드 헤드에 접속되는 것이 바람직하다.
2개의 크라이오스탯이 각각 하나의 냉매 회로를 통해 단 1개의 공통 콜드 헤드에 접속되면, 냉각 장치의 구성이 간단해질 수 있다.
각각의 콜드 헤드에 각각 하나의 압축 가스 회로가 할당되는 것이 바람직하다.
압축 가스 회로는 예컨대 통합 해수 냉각 회로에 의해 냉각될 수 있다.
대안으로는 각각의 압축 가스 회로가 하나의 통합 담수 회로에 의해 냉각될 수 있고, 이 때 압축 가스 회로로부터 통합 담수 회로로의 열 전달을 위해 가스/물 열 교환기가 제공된다.
통합 담수 회로로부터의 열 방출은 상기 회로가 추가의 열 교환기를 가짐으로써 간단하게 구현될 수 있으며, 상기 추가의 열 교환기에 의해 통합 담수 회로가 해수에 열적으로 연결된다.
상기 통합 담수 회로의 추가 열 교환기가 포드형 추진장치의 스트러트 모듈 벽 근처에 배치되어 상기 벽을 통해 해수에 의해 재냉각될 수 있는 경우, 통합 담수 회로로부터 주변 해수로의 열 에너지 전달이 물리적/공학적으로 덜 복잡하면서도 매우 효과적으로 수행될 수 있다.
또한 적절한 요구가 있는 경우, 각각의 압축 가스 회로에 통합 가스/물 열 교환기가 장착되는 구조가 유리할 수 있으며, 이 때 상기 열 교환기 자체는 포드형 추진장치의 스트러트 모듈 벽 근처에 배치되어 상기 벽과 열적으로 연결되고, 상기 벽을 통해 해수에 의해 냉각될 수 있다. 그로 인해 압축 가스 회로로부터 열량이 중간에 추가 회로를 통하지 않고 직접 해수로 방출될 수 있다.
본 발명에 따른 선박 추진장치의 또 다른 한 바람직한 실시예에서는 콜드 헤드들이 스트러트 모듈 내에 배치되고, 압축 가스 회로(들)는 포드형 추진장치의 회 전 가능한 방위 모듈 내에 또는 그 위에 배치된다.
대안으로 콜드 헤드들이 전달 커플링(들) 근처에 위치한 포드형 추진장치의 모터 포드 내에 배치되고, 압축 가스 회로(들)가 포드형 추진장치의 회전 가능한 방위 모듈 내에 또는 그 위에 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 선박 추진장치가 포드형 추진장치 형태로 설계되는 대신, HTSL 와이어로 만들어진 회전 계자 권선을 가지는 3상 동기기 형태의 하나 이상의 전동기가 선박의 한쪽 데크 상에 있는 스턴 튜브(stern tube) 내에 장착되는 것도 가능하다.
또한 3상 동기기로서 형성되고 HTSL 와이어로 만들어진 회전 계자 권선을 가지는 하나 이상의 전동기가 인보드 모터로서 설치될 수 있으며, 상기 인보드 모터에 의해 그에 할당된 선박 프로펠러가 축계(shaft system)를 통해 구동된다.
선박 추진장치의 전원은 바람직하게 원동기와 발전기로 형성될 수 있고, 상기 선박추진장치의 회전 계자 권선을 수용하는 크라이오스탯과 전동기의 크라이오스탯 모두 상기 두 크라이오스탯의 공통 냉매 회로에 의해 냉매를 공급받을 수 있다.
선박 추진장치의 작동 신뢰도를 증대시키기 위해서는, 발전기의 크라이오스탯과 전동기의 크라이오스탯 모두 상기 두 크라이오스탯이 공유하는 상호 예비 냉매 회로에 의해 냉매를 공급받을 수 있는 것이 유리하다.
냉매 공급이 중력에 의해 간단한 방법으로 이루어질 수 있도록 하기 위해서는, 수직 방향으로 가장 높은 곳에 배치되어 상기 냉매 회로로부터 냉매를 공급받 는 크라이오스탯의 상부에 각 냉매 회로의 콜드 헤드가 배치되는 것이 유리하다.
본 발명의 또 다른 한 바람직한 실시예에 따르면 포드형 추진장치의 모터 포드 내에 있는, 전용 냉매 공급장치를 구비한 각각의 전동기가 전용 전원을 갖는다.
하기에는 도면과 관련된 실시예들을 참고로 본 발명이 더 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 포드형 추진장치 형태의 선박 추진장치의 제 1 실시예의 횡단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 포드형 추진장치 형태의 선박 추진장치의 제 2 실시예의 종단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 포드형 추진장치 형태의 선박 추진장치의 제 3 실시예의 종단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 포드형 추진장치 형태의 선박 추진장치의 제 4 실시예의 종단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 포드형 추진장치 형태의 선박 추진장치의 제 5 실시예의 종단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 포드형 추진장치 형태의 선박 추진장치의 제 6 실시예의 종단면도이다.
도 7은 도 6에 도시된 본 발명에 따른 포드형 추진장치 형태의 선박 추진장치의 제 6 실시예의 횡단면도이다.
도 8은 선미에 놓인 스턴 튜브 내에 배치된 본 발명에 따른 선박 추진장치의 종단면도이다.
도 9는 선미에 놓인 스턴 튜브 내에 배치된 본 발명에 따른 선박 추진장치의 또 다른 실시예의 종단면도이다.
도 10은 인보드 모터가 장착된 본 발명에 따른 선박 추진장치의 종단면도이다.
도 1에 횡단면도로 도시된, 포드형 추진장치(1) 형태의 선박 추진장치의 제 1 실시예는 선체(3)의 하부에 배치된 모터 포드(2)를 가지며, 상기 선체(3)의 일부만이 도 1 내지 도 7에 점선으로 표시되어 있다.
포드형 추진장치(1)는 선체(3) 내부에 방위 모듈(4)을 가지며, 상기 방위 모듈(4)은 선체(3)를 관통하여 스트러트 모듈(5)에 의해 모터 포드와 단단하게 연결되어 있다.
포드형 추진장치(1)는, 도 2 내지 도 6에 회전 화살표(6)로 표시된 것처럼, 선체(3)에 대하여 수직축을 중심으로 회전할 수 있다.
도 1에 도시된 포드형 추진장치(1)는 모터 포드(2) 내에 배치된 전동기(7)를 갖는다. 상기 전동기(7)에 의해 모터 포드(2)의 후미 단부에 회전 가능하게 설치된 선박 프로펠러(8)가 구동된다.
이를 위해 3상 동기기로서 형성된 전동기(7)가 8극 로터(9)를 가지며, 상기 로터(9)에는 HTSL(고온 초전도체) 와이어로 제조된 회전 계자 권선(10)이 장착된다.
상기 HTSL 와이어는 실버 기지(matrix)나 실버 합금 기지 내에 함유된 Bi2 Ba2 SrCu2 Ox 또는 Bi2 Ba2 Sr2 Cu3 Ox, 강철 스트립, 니켈 스트립, 니켈을 함유한 합금으로 된 스트립 또는 실버 스트립 상에 놓이는 박막으로서의 YBa2 Cu3의 멀티필라멘트 리본 도체로 제조되거나 MgB2 초전도체로 제조될 수 있다.
또한 3상 동기기 형태의 전동기(7)는 다중 구리 도체로 이루어진 에어 갭 3상 권선 또는 스테이터 권선(11)을 가지며, 상기 권선(11)은 HTSL 와이어로 이루어진 회전 계자 권선(10)을 구비한 8극 로터(9)와 적층형 자기 요크(laminated magnetic iron yoke, 13) 사이의 링형 갭 내에 배치된다.
HTSL 와이어로 이루어진 회전 계자 권선(10)을 구비한 8극 로터(9)는 진공 단열 방식으로 설계된 크라이오스탯(14)의 내부에 수용되며, 상기 크라이오스탯(14)에 의해 HTSL 와이어로 이루어진 회전 계자 권선(10)이 15 내지 77 K의 온도로 극저온 냉각될 수 있다.
크라이오스탯(14)은 8극 로터(9)의 세로 중심축과 동심으로 배치된 전달 커플링(15)을 통해 냉매 회로(16)에 포함된다. 냉매 회로(16)에는 컴프레서(19) 및 가스/물 열 교환기 내지는 냉각기(20)를 포함하는 압축 가스 회로(18)에 의해 Gifford-MacMahon 원리, Stirling 원리 또는 Pulsetube 원리에 따라 냉각되는 콜드 헤드(17)가 통합되어 있다.
한 편으로 콜드 헤드(17)와 다른 한편으로 로터측 또는 크라이오스탯측 전달 커플링(15) 사이에 제공된 냉매 회로(16)는 냉매로서 저온 헬륨 또는 수소 가스를 운반할 수 있다. 또한 상기 냉매 회로(16)는 냉각 히트파이프(cryo heatpipe) 원리에 따라 설계될 수 있으며, 이 때 상기 냉매 회로(16)는 냉매로서 액체 네온, 액체 수소, 액체 질소 또는 액체 가스 혼합물을 크라이오스탯(14) 내지는 전달 커플링(15)으로 공급하고, 상기 크라이오스탯(14) 내지는 전달 커플링(15)으로부터 증발된 네온, 수소, 질소 또는 가스 혼합물을 다시 콜드 헤드(17)로 돌려보낸다.
도 1에 도시된 실시예에서 콜드 헤드(17)를 포함한 압축 가스 회로(18)는 포드형 추진장치의 회전 가능한 방위 모듈(4) 내부 또는 상기 방위 모듈(4) 위에 접근이 용이하게 장착되어 있고, 그로 인해 회전 커플링이 생략될 수 있다.
도 2에 종단면도로 도시된 포드형 추진장치(1)의 한 실시예에서는 상호 독립적인 2개의 전동기(21, 22)가 모터 포드(2)의 앞쪽 단부와 뒷쪽 단부에 회전 가능하게 장착된 2개의 선박 프로펠러(23, 24)에 의해 구동될 수 있다. 선박 프로펠러(23, 24)는 서로 엇회전하도록 배향될 수 있다. 도 2에는 상기 두 전동기(21, 22)의 2개의 3상 전원 라인들(25, 26)도 도시되어 있다. 각각의 전동기(21, 22)는 별도의 크라이오스탯(27, 28)을 가질 수 있다. 전달 커플링(15)을 통해 각각의 크라이오스탯(27, 28)이 냉매 회로(29, 30)에 접속되고, 이 때 냉매 회로(29 및 30) 내에는 각각 하나의 콜드 헤드(31 및 32)가 배치된다. 또한 각각의 콜드 헤드(31 및 32)에는 압축 가스 회로(33 및 34)가 할당된다.
상기 두 압축 가스 회로(33 및 34)는 방위 모듈(4) 내에 배치되고, 상기 두 콜드 헤드(31, 32)는 포드형 추진장치(1)의 스트러트 모듈 내에 배치됨에 따라, 상기 부품들에 접근하기가 용이하고 유지관리가 간편하다. 서로 독립적으로 냉매를 공급받는 8극 로터(9)를 구비한 2개의 전동기(21, 22)가 존재함으로 인해 도 1의 실시예에 비해 포드형 추진장치(1)의 가용도(availability)가 더욱 증가된다.
각각의 전동기(21, 22)에 각각 별도의 슬립 링 또는 별도의 컨버터를 통해 개별적으로 전원이 공급되는 경우 상기 가용도가 증가될 수 있다. 도 2에는 2개의 전동기(21, 22)에 동시에 전원을 공급하는 단 1개의 싱글 컨버터 전원이 도시되어 있다.
도 3에는 도 2에 도시된 포드형 추진장치(1)의 한 변형예의 종단면도가 도시되어 있으며, 여기서는 2개의 전동기(21, 22)의 크라이오스탯(27, 28)이 2개의 냉매 회로(29, 30)를 통해 냉매를 공급받는다. 그러나 상기 두 냉매 회로(29, 30)는 도 2와 달리 하나의 공용 콜드 헤드(35)에 접속되고, 상기 콜드 헤드(35)는 포드형 추진장치(1)의 모터 포드(2) 내에서 크라이오스탯(27, 28)의 2개의 전달 커플링(15) 가까이에 배치된다.
콜드 헤드(35) 자체는 압축 가스 회로(36)를 통해 냉각되고, 상기 압축 가스 회로(36)의 주요 부품들은 포드형 추진장치(1)의 방위 모듈(4) 내부에 배치되거나 상기 방위 모듈(4)에 고정된다.
압축 가스 회로(36)의 냉각은 상기 압축 가스 회로(36)로부터 열 교환기 유닛(38)을 통해 열 에너지를 방출해가는 통합 해수 냉각 회로(37)에 의해 이루어진다. 상기 통합 해수 냉각 회로(37)의 주요 부품들도 역시 포드형 추진장치(1)의 방위 모듈(4) 내부 또는 상기 방위 모듈(4) 상에 배치된다.
크라이오스탯(27, 28)에 할당된 냉매 회로들(29, 30)에 전원을 공급하기 위 해 제공된 부품들은 도 3에 따른 실시예의 경우 작동 신뢰도를 높이기 위해 여분으로 또는 중복 형태로 설계될 수도 있다.
도 4에 도시된 포드형 추진장치의 실시예에서도 마찬가지로, 콜드 헤드(35)가 모터 포드(2) 내에서 두 전동기(21, 22)의 로터(9)의 로터 축(39)과 동심으로 놓인 전달 커플링(15) 가까이에 배치된다. 콜드 헤드(35)에 할당된 압축 가스 회로(36)의 재냉각은 상기 압축 가스 회로(36) 내에 배치된 가스/물 열 교환기(40)에 의해 이루어지며, 상기 가스/물 열 교환기(40)는 통합 담수 회로(41)의 부품이기도 하다.
통합 담수 회로(41)의 냉각은 포드형 추진장치(1)의 스트러트 모듈(5) 벽(43)과 열적으로 연결된 추가의 열 교환기(42)에 의해 이루어진다. 따라서 통합 담수 회로(41)의 추가 열 교환기(42)의 재냉각은 포드형 추진장치(1)의 스트러트 모듈(5) 벽(43)을 통하여 해수에 의해 이루어진다.
압축 가스 회로(36) 및 통합 담수 회로(41)의 주요 부품들은 유지관리가 간편하도록 포드형 추진장치(1)의 방위 모듈(4) 내에 배치되는 반면, 콜드 헤드(35)는 이미 전술한 것처럼 포드형 추진장치(1)의 모터 포드(2) 내에 놓인다.
대안으로 2개의 전동기(21, 22) 중 하나에 각각 할당되고, 모두 압축 가스 회로(36)에 의해 재냉각될 수 있는 2개의 콜드 헤드(35)가 제공될 수 있다.
도 5에 도시된 포드형 추진장치(1)는, 상기 포드형 추진장치(1)의 단일 선박 프로펠러(8)를 구동하는 전동기(7)를 가지며, 상기 전동기(7)는 상기 포드형 추진장치(1)의 전체적으로 일정한 직경을 가진 모터 포드(2) 내부 공간의 거의 전체를 점유한다. 도 5에 따른 실시예의 경우 도 2 내지 도 4에 따른, 2개의 전동기를 구비한 포드형 추진장치에 비해 더 높은 모터 출력의 설치를 위해 모터 포드(2)의 길이가 더 잘 이용된다.
전동기(7)의 크라이오스탯(14)은 전달 커플링(15)에 의해 냉각 히트파이프 원리를 기초로 하는 2개의 냉매 회로(44, 45)에 접속되고, 상기 냉매 회로들(44, 45)에는 각각 하나의 콜드 헤드(46, 47)가 속해 있다. 상기 두 콜드 헤드(46, 47)는 포드형 추진장치의 방위 모듈(4) 내에 배치되고, 마찬가지로 방위 모듈(4) 내에 제공된 압축 가스 회로(33, 34)를 통해 재냉각된다. 전동기(7)의 냉각을 담당하는 부품들이 중복 구현됨으로써 제공되는 여유도로 인해 포드형 추진장치(1)의 작동 신뢰도가 증대된다.
도 6 및 도 7에 종단면도 및 횡단면도로 도시된 포드형 추진장치(1)의 실시예에서는 모터 포드(2) 내에 배치된 단일 전동기(7)의 트라이오스탯(14)이 전달 커플링(15)을 통해 냉매 회로(16)로부터 냉매를 공급받는다. 상기 냉매 회로(16)에 할당된 콜드 헤드(17)가 도 6에 따른 실시예에서는 스트러트 모듈(5) 내에 배치되고, 도 7에 따른 실시예에서는 포드형 추진장치의 방위 모듈(4) 내에 배치된다. 상기 두 실시예에서는 콜드 헤드(17)가 압축 가스 회로(18)에 의해 재냉각되는데, 이 때 상기 압축 가스 회로(18)로부터 통합 가스/물 열 교환기(48)에 의해 열이 방출된다. 상기 가스/물 열 교환기(48)는, 특히 도 7에 도시된 것처럼, 스트러트 모듈(5)의 벽(43)에 설치된다. 그에 따라 상기 가스/물 열 교환기(48)가 스트러트 모듈(5)의 벽과 열적으로 연결되고, 그럼으로써 스트러트 모듈(5)을 둘러싸는 해수 와도 열적으로 연결된다. 도 6 및 도 7에 따른 실시예에서는 압축 가스 회로가 해수에 의해 직접 재냉각되고, 이 때 가스/물 열 교환기(48)의 열 교환기 파이프 코일(49)이 스트러트 모듈(5)의 벽(43)에 직접 설치될 수 있다.
도 8 및 도 9에 따른 실시예에서는 선박 추진장치의 전동기(7)가 선미(50)에 형성된 스턴 튜브(51) 내에 고정 설치된다. 전동기(7)의 크라이오스탯(14)은 전달 커플링(15)을 통해 2개의 냉매 회로(44, 45)에 접속되고, 상기 두 냉매 회로는 각각 하나의 콜드 헤드(46, 47)를 포함한다. 상기 두 콜드 헤드(46, 47)는 각각 압축 가스 회로(33, 34)에 의해 재냉각된다. 따라서 전동기(7)의 크라이오스탯(14)의 냉각이 중복 실시된다.
도 9에는 선박 추진장치의 전동기(7) 외에, 내연기관(53) 형태의 원동기에 의해 구동되는 발전기(52)를 이용한 전력 발생 장치도 도시되어 있다.
상기 발전기(52)는 HTSL 와이어로 제조된 회전 계자 권선을 가진 로터(도면들에는 상세히 도시되지 않음)를 구비하고 있으며, 이 때 발전기(52)의 크라이오스탯은, 도 9에 도시된 것처럼, 냉매 회로 (44) 및 (45)를 통해 냉매를 중복하여 공급받는다. 대안으로 단 1개의 냉매 회로 및 상기 냉매 회로의 부속 장치에 의해 발전기(52)와 전동기(7)에 전력이 공급될 수도 있다.
도 9에 도시된 콜드 헤드(46, 47)는 가장 높은 지점에 배치된 전력 부하(power load)보다 더 높은 데크 상에 배치되기 때문에, 냉각 히트파이프 원리를 기초로 하여 설계된 냉매 회로(44, 45)를 통해 중력에 의한 냉매 공급이 이루어질 수 있다.
대안으로 냉매 회로(44, 45)가 별도의 액체 및 냉각가스 라인 방식으로 구현될 수도 있다.
도 10에 도시된 본 발명에 따른 선박 추진장치의 실시예에서는 전동기(7)가 인보드 모터 방식으로 설계되어 있으며, 이 때 상기 전동기(7)의 출력측에서 축계(54)가 구동되고, 상기 축계(54) 자체가 선박 프로펠러(8)를 회전시킨다.
선박 추진장치의 원동기로서 내연기관(53)이 제공되고, 상기 내연기관(53)은 발전기(52)를 구동하며 디젤 엔진, 가스 터빈 또는 증기 터빈의 형태로 구현될 수 있다.
발전기(52) 및 전동기(7)는 각각 HTSL 와이어로 이루어진 회전 계자 권선을 구비한 로터를 포함한다. 상기 발전기(52)와 전동기(7) 2개의 크라이오스탯은 냉매 회로(16)를 통해 냉매를 공급받는데, 이 때 상기 냉매 회로(16)의 콜드 헤드(17)는 압축 가스 회로(18)를 통해 재냉각된다. 상기 콜드 헤드(17)는 가장 높은 지점에 위치한 냉매 부하의 상부에 배치되기 때문에, 도 9에 따른 실시예와 마찬가지로, 중력에 의한 냉매 공급이 이루어질 수 있다.
포드형 추진장치의 한 실시예에 따르면, HTSL 타입의 2개의 전동기를 구비한 포드형 추진장치(1)의 구동단(drive stage)이 130 rpm에서 20 MW의 정격 출력에 도달한다. 가용 회전 속도의 범위는 70 내지 160 rpm이다. 선박 프로펠러의 외경은 6,250 mm이다. 포드형 추진장치의 모터 하우징 내지는 모터 포드의 외경은 선박 프로펠러 외경의 30%이다. 포드형 추진장치의 총 길이는 약 11,000 mm이다. 선박 프로펠러 토크는 약 1,480 kNm이다. 전체 장치의 중량은 약 100 내지 200 t이고, 이 때 모터단(motor stage)의 효율은 약 99%이다.

Claims (33)

  1. 하나 이상의 선박 프로펠러(8; 23, 24), 상기 하나 이상의 선박 프로펠러(8; 23, 24)를 구동시킬 수 있는 하나 이상의 전동기(7; 21, 22) 및 하나의 컨버터 구동 전원 유닛을 포함하고, 상기 하나 이상의 전동기(7; 21, 22)는 하나 이상의 원동기(53) 및 상기 원동기에 의해 구동되는 하나 이상의 발전기(52)를 포함하는 상기 전원 유닛에 의해 전력을 공급받을 수 있고, 상기 하나 이상의 전동기(7; 21, 22) 및 상기 전원 유닛의 하나 이상의 발전기(52)가 3상 동기기로서 구현되는 선박 추진장치로서,
    3상 동기기로서 형성된 상기 하나 이상의 상기 전동기(7; 21, 22) 및 3상 동기기로서 형성된 상기 전원 유닛의 하나 이상의 발전기(52) 또는 이들 중 어느 하나가 HTSL(고온 초전도체) 와이어로 만들어진 회전 계자 권선(10)을 가지며, HTSL 와이어로 만들어진 상기 각각의 회전 계자 권선(10)은 진공 단열 크라이오스탯(cryostat, 14; 27, 28) 내에 배치되고 상기 크라이오스탯(14; 27, 28)에 의해 15 내지 77 K의 저온으로 냉각될 수 있는 것을 특징으로 하는 선박 추진장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    3상 동기기로서 형성된 하나 이상의 상기 전동기(7; 21, 22) 및 3상 동기기로서 형성된 상기 전원 유닛의 하나 이상의 발전기(52) 또는 이들 중 어느 하나가 다중 구리 도체로 이루어진 에어 갭 3상 권선(11)을 가지며, 상기 권선(11)은 로터(9)와 적층형 자기 요크(laminated magnetic iron yoke, 13) 사이의 링형 갭(12) 내에 배치되는 선박 추진장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 회전 계자 권선(10)의 HTSL 와이어가 실버 기지(matrix)나 실버 합금 기지 내에 함유된 Bi2 Ba2 SrCu2 Ox 또는 Bi2 Ba2 Sr2 Cu3 Ox; 강철 스트립, 니켈 스트립, 니켈을 함유한 합금으로 된 스트립 또는 실버 스트립 상에 놓이는 박막으로서의 YBa2 Cu3 Ox의 멀티필라멘트 리본 도체로 제조되거나 MgB2 초전도체로 제조되는 선박 추진장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2항에 있어서,
    3상 동기기로서 형성된 하나 이상의 상기 전동기(7; 21, 22) 또는 발전기(52)의, HTSL 와이어로 된 회전 계자 권선(10)을 구비한 로터가 6 내지 12개, 바람직하게는 8개의 극을 갖는 선박 추진장치.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 각각의 크라이오스탯(14; 27, 28)이 냉매 회로(16; 29, 30; 44, 45)에 의해 냉매를 공급받을 수 있는 선박 추진장치.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 각각의 크라이오스탯(14; 27, 28)이 2개 이상의 여분 냉매 회로(44, 45)에 의해 냉매를 공급받을 수 있는 선박 추진장치.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 크라이오스탯(14; 27, 28)으로의 전달 커플링(15)과 콜드 헤드(cold head, 17; 31, 32; 35; 46, 47) 사이의 냉매 회로(16; 29, 30; 44, 45) 내에 냉매로서 냉각 헬륨 가스 또는 수소 가스가 제공되는 선박 추진장치.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 크라이오스탯(14; 27, 28)으로의 전달 커플링(15)과 콜드 헤드(17; 31, 32; 35; 46, 47) 사이의 냉매 회로(16; 29, 30; 44, 45)가 냉각 히트파이프(cryo heatpipe) 원리에 따라 설계됨으로써 상기 전달 커플링(15)에 액체 네온, 액체 수소, 액체 질소 또는 액체 가스 혼합물과 같은 액체 냉매가 공급되고, 증발된 냉매는 다시 상기 콜드 헤드(17; 31, 32; 35; 46, 47)로 복귀되는 선박 추진장치.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 각각의 냉매 회로(16; 29, 30; 44, 45)의 콜드 헤드(17; 31, 32; 35; 46, 47)가 재냉각된 압축 가스 회로(18; 33, 34; 36)에 의해 구동될 수 있는 선박 추진장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 콜드 헤드(17; 31, 32; 35; 46, 47)의 압축 가스 회로(18; 33, 34; 36)의 재냉각은 중앙 냉각수 공급장치, 해수 또는 간접적으로 열 교환기에 의해 이루어질 수 있으며, 상기 열 교환기 자체가 해수에 젖는 선박 외부면에 열적으로 연결되는(thermally connected) 선박 추진장치.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 선박 추진장치가 포드형 추진장치(1)로서 설계되고, HTSL 와이어로 만들어진 상기 회전 계자 권선(10)을 갖고 3상 동기기로서 형성된 하나 이상의 전동기(7; 21, 22)가 선체(3) 외부에 배치된 모터 포드(2) 내에 장착되는 선박 추진장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 각각의 냉매 회로(16; 44, 45)의 콜드 헤드(17; 46, 47)가 상기 포드형 추진장치(1)의 회전 가능한 방위(azimuth) 모듈(4) 내에 배치되는 선박 추진장치.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 각각의 냉매 회로(16; 29, 30)의 콜드 헤드(17; 31, 32)가 상기 포드형 추진장치(1)의 스트러트 모듈(strut module, 5) 내에 배치되는 선박 추진장치.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 전달 커플링(15) 가까이에 위치한 상기 각각의 냉매 회로(29, 30)의 콜드 헤드(35)가 상기 포드형 추진장치(1)의 모터 포드(2) 내에 배치되고, 상기 전달 커플링(15)을 통해 HTSL 와이어로 이루어진 회전 계자 권선(10)을 수용하는 크라이오스탯(14; 27, 28)으로 냉매가 유도될 수 있는 선박 추진장치.
  15. 제 11항에 있어서,
    상기 압축 가스 회로(18; 33, 34)가 상기 콜드 헤드(17; 46, 47)와 함께 상기 포드형 추진장치(1)의 회전 가능한 방위 모듈(4) 상에 또는 상기 방위 모듈 내부에 배치되는 선박 추진장치.
  16. 제 11항에 있어서,
    상기 포드형 추진장치(1)의 모터 포드(2) 내에 배치된 단일 전동기(7)의 크라이오스탯(14)에 각각 관련 콜드 헤드(46, 47)를 가진 2개의 냉매 회로(44, 45)를 통해 냉매가 공급될 수 있는 선박 추진장치.
  17. 제 11항에 있어서,
    상기 포드형 추진장치(1)의 모터 포드(2) 내에 같은 방향으로 또는 반대 방향으로 회전하는 2개의 선박 프로펠러(23, 24)가 제공되고, 상기 선박 프로펠러(23, 24)에는 각각 상기 모터 포드(2) 내에 배치된 2개의 독립 전동기(21, 22) 중 하나가 할당되며, 상기 프로펠러의 2개의 로터(9)가 각각 하나의 크라이오스탯(27, 28) 내에 배치되는 선박 추진장치.
  18. 제 16항에 있어서,
    상기 2개의 크라이오스탯(27, 28)이 각각 하나의 냉매 회로(29, 30)를 통해 각각 하나의 콜드 헤드(31, 32)에 접속되는 선박 추진장치.
  19. 제 17항에 있어서,
    상기 2개의 크라이오스탯(27, 28)이 각각 하나의 냉매 회로(29, 30)를 통해 단 1개의 공용 콜드 헤드(35)에 접속되는 선박 추진장치.
  20. 제 7항에 있어서,
    상기 각각의 콜드 헤드(17; 31, 32; 35; 46, 47)에 각각 하나의 압축 가스 회로(18; 33, 34; 36)가 할당되는 선박 추진장치.
  21. 제 9항에 있어서,
    상기 각각의 압축 가스 회로(36)에 통합 해수 냉각 회로(37)가 할당되는 선박 추진장치.
  22. 제 9항에 있어서,
    상기 각각의 압축 가스 회로(36)에 통합 담수 회로(41)가 할당되고, 상기 압축 가스 회로(36)로부터 통합 담수 회로(41)로의 열 전달을 위해 가스/물 열 교환기가(40) 제공되는 선박 추진장치.
  23. 제 22항에 있어서,
    상기 통합 담수 회로(41)가 추가의 열 교환기(42)를 가지며, 상기 추가의 열 교환기(42)에 의해 상기 통합 담수 회로(41)가 해수와 열적으로 연결되는 선박 추진장치.
  24. 제 23항에 있어서,
    상기 통합 담수 회로(41)의 추가 열 교환기(42)가 포드형 추진장치(1)의 스트러트 모듈(5) 벽(43) 근처에 배치되어 상기 벽(43)을 통해 해수에 의해 재냉각될 수 있는 선박 추진장치.
  25. 제 11항에 있어서,
    상기 각각의 압축 가스 회로(18)가 통합 가스/물 열 교환기(48)를 가지며, 상기 열 교환기(48)는 포드형 추진장치(1)의 스트러트 모듈(5) 벽(43) 근처에 배치되어 상기 벽(43)과 열적으로 연결되고, 상기 벽(43)을 통해 해수에 의해 냉각될 수 있는 선박 추진장치.
  26. 제 13항에 있어서,
    상기 콜드 헤드(들)(17; 31, 32)가 상기 스트러트 모듈(5) 내에 배치되고, 상기 압축 가스 회로(들)(18; 33, 34)는 상기 포드형 추진장치(1)의 회전 가능한 방위 모듈(4) 내에 또는 상기 방위 모듈(4) 상에 배치되는 선박 추진장치.
  27. 제 14항에 있어서,
    상기 콜드 헤드(들)(35)가 상기 전달 커플링(들)(15) 근처에 위치한 포드형 추진장치(1)의 모터 포드(2) 내에 배치되고, 상기 압축 가스 회로(들)(36)가 상기 포드형 추진장치(1)의 회전 가능한 방위 모듈(4) 내에 또는 상기 방위 모듈(4) 상에 배치되는 선박 추진장치.
  28. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    HTSL 와이어로 만들어진 상기 회전 계자 권선(10)을 가지는 3상 동기기 형태의 하나 이상의 전동기(7; 21, 22)가 선미(50)에 있는 스턴 튜브(stern tube, 51) 내에 장착되는 선박 추진장치.
  29. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    HTSL 와이어로 만들어진 상기 회전 계자 권선(10)을 가지는 3상 동기기 형태의 하나 이상의 전동기(7; 21, 22)가 인보드 모터로서 설치되고, 상기 인보드 모터에 의해 관련 선박 프로펠러(8, 23, 24)가 축계(shaft system, 54)를 통해 구동될 수 있는 선박 추진장치.
  30. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 선박 추진장치의 전원이 원동기(53)와 발전기(52)로 형성되고, 상기 선박추진장치의 회전 계자 권선(10)을 수용하는 크라이오스탯과 상기 전동기(7)의 크라이오스탯(14) 모두 상기 두 크라이오스탯의 공통 냉매 회로(16)에 의해 냉매를 공급받을 수 있는 선박 추진장치.
  31. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 선박 추진장치의 전원이 원동기(53)와 발전기(52)로 형성되고, 상기 선박추진장치의 회전 계자 권선(10)을 수용하는 크라이오스탯과 상기 전동기(7)의 크라이오스탯(14) 모두 상기 두 크라이오스탯이 공유하는 상호 예비 냉매 회로(44, 45)에 의해 냉매를 공급받을 수 있는 선박 추진장치.
  32. 제 7항에 있어서,
    상기 각 냉매 회로(16; 44, 45)의 콜드 헤드(17; 46, 47)가 수직 방향으로 가장 높은 곳에 배치된 크라이오스탯의 상부에 배치되는 선박 추진장치.
  33. 제 11항에 있어서,
    상기 포드형 추진장치(1)의 모터 포드(2) 내에 있는, 전용 냉매 공급장치를 구비한 각각의 전동기(21, 22)가 전용 전원도 가지는 선박 추진장치.
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