KR101130751B1 - 하이브리드 추진 시스템을 구비한 위그선 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이브리드 추진시스템을 갖춘 위그선에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 프로펠러, 기어, 프로펠러 회전축 및 엔진을 포함하여 구성되는 위그선의 일반적인 추진 시스템에 더하여, 동력 보조 수단으로 전기 에너지를 회전에너지로 전환시키고 회전에너지를 전기에너지로 전환시키는 전동기 시스템을 구성하여 전동기어를 상기 프로펠러 회전축에 연결시킴으로써 추진 시스템의 추력을 향상시키도록 하는 보조 추력 생성시스템을 장착한 위그선에 관한 것이다. 본 발명을 위그선에 적용함으로써 기존 방식 대비 적은 수의 엔진으로도 충분한 이수 추력을 확보할 수 있어, 위그선 생산 단가를 절감할 수 있게 된다.

위그선, 엔진, 하이브리드, 추진시스템, 전동기, 프로펠러

Description

하이브리드 추진 시스템을 구비한 위그선{Wig-Craft with Hybrid Propulsion System}

본 발명은 하이브리드 추진시스템을 갖춘 위그선에 관한 것으로, 위그선이 이수 시에 소요로 하는 추력이 항주시에 소요로 하는 것보다 훨씬 높아 순항 시 기준 보다 과다하게 많은 엔진을 장착함으로써 생기는 경제성 문제를 동력 보조 수단인 하이브리드 추진시스템 설치로 해결한 위그선에 관한 것이다.

일반적으로 위그선(WIG: WING IN GROUND EFFECT SHIP)은 수면 위를 나르는 배로서, 주 날개가 수면 근처를 항주 할 때 항력이 감소됨과 동시에 양력이 증가하는 현상으로, 기존 선박보다 훨씬 빠른 시속 200~300km의 속도로 운항할 수 있고, 항공기보다 경제적인 운항이 가능하므로 우수한 운송 효율을 지닌 초고속 해상 운송 시스템이다.

이러한, 위그선의 추진 시스템은 일반적으로 엔진, 기어, 프로펠러로 구성된다. 엔진은 내연기관부터 터보엔진까지 다양한 종류가 사용되는데, 내연기관의 경우 중량에 대한 부담이 크고 터보엔진의 경우 비용에 대한 부담이 크다.

위그선은 일반적으로 이수 시에 1~2분 정도의 매우 짧은 시간 동안은 항주 시 대비 100% 이상의 추가 추진력을 소요한다. 이수 과정에서와 같이 단시간 동안만 사용될 추력을 이끌어내기 위해 항주 시 대비 추가 엔진을 동력 원으로 사용한다는 것은 중량 및 비용 효율성 측면에서 문제점이 있어, 해당 문제를 풀기 위한 많은 시도가 있어왔다.

기존의 시도로는 PAR(Power Augmented Ram) 장치를 이용한 위그선, Hoverwing 방식을 이용한 위그선 등이 있었다. 하지만, PAR 방식은 고가의 엔진을 추가로 설치해야 할 뿐만 아니라 착수 시 선체에 전해지는 충격력을 저감시키지 못하는 단점이 있고, Hoverwing 방식은 매우 효과적이나 사용된 엔진보다 좀 더 큰 추력을 요구하는 규모의 위그선에 대해서는 경제적, 효율적으로 추력을 증가시킬 수 있는 방안을 제시하지 못하고 있는 문제점을 여전히 내재하고 있다.

상기한 종래 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 값비싼 추가 엔진을 사용하지 않고 추력을 경제적, 효과적으로 증가시킬 수 있는 새로운 동력보조장치를 이용한 추력시스템을 구비한 위그선을 제공하는 데 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 하이브리드 추진 시스템을 구비한 위그선은, 물 위에 떠 있을 수 있도록 부력을 발생시키는 선체와; 상기 선체의 양 측면으로 양력에 의하여 물 위를 날 수 있도록 하는 날개와; 상기 날개의 진행방향 후면 양측으로 프로펠러 회전축과 연결되는 프로펠러와; 상기 프로펠러 회전력을 생성하는 엔진과; 상기 엔진으로부터 발생된 회전력을 프로펠러에 매개 전달하는 기어장치; 및 상기 프로펠러에 직접 또는 상기 기어장치를 통하여 부가적으로 연결되어 상기 프로펠러의 부가적인 회전력을 생성하는 전동기;를 포함하여 구성되되, 상기 엔진 및 전동기에 의하여 생성된 회전력을 이수 시에 1~2분 동안 추력을 이끌어내기 위해 프로펠러에 전달하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 전동기에서 생성된 전기 에너지를 저장하기 위한 배터리; 및 상기 배터리에 저장된 전기에너지를 전동기에 공급하거나 배터리에 전기에너지를 저장하기 위한 충전 및 방전 제어 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 배터리는 2차 전지인 수소이온전지, 리튬이온전지, 금속공기전지 중 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 조합으로 구성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 프로펠러 회전축은 상기 기어장치에 의해 변환된 엔진 회전력과 상기 전동기에 의하여 생성된 회전력을 프로펠러에 전달하는 것을 특징으로 한다.

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이상에서와 같이, 본 발명에 따른 하이브리드 추진 시스템을 갖춘 위그선의 경우에는 PAR 방식의 위그선보다 제작 비용이 훨씬 작게 소요되며, Hoverwing 방식과 결합시킬 경우 같은 사양의 엔진으로 다양한 규모의 위그선 제작이 가능할 뿐만 아니라, 이착수시 유의파고의 증가, 가스터빈 엔진을 내연기관으로 대체함으로써 생기는 생산 가격 및 유지보수 비용의 획기적 절감 등 위그선의 상품성 향상 및 대중화에 기여할 수 있게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구체적인 실시 예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 추진 시스템에 대한 구성도, 도 2는 도 1에 따른 하이브리드 추진 시스템을 구비하고 있는 위그선 구성도이다.

여기에서, 하이브리드 추진은 일반적으로 두 개 이상의 추진 시스템을 사용하는 것을 가리키지만, 여기서 제안되는 것은 엔진과 전동기/발전기를 조합하여 각각의 장점과 단점을 보완한 결합체를 가리킨다.

또한, 하이브리드 시스템은 육상 운송 수단인 자동차에서는 점차 그 사용이 확대되고 있으나, 연비 향상 수단으로서 많이 활용되고 있다. 아울러 하이브리드 자동차의 동력 구성요조 중 하나인 전동기를 이용한 전기자동차도 최근 많은 관심을 받고 있다. 그럼에도 불구하고 전동기를 활용한 운송체가 가지고 있는 큰 문제점 중 하나는 전동기를 이용하여 운행할 수 있는 운행거리 문제에 직면하게 된다.

그러나 위그선의 경우 앞서 기술 한 것처럼 이수 시에 1분 내지 3분 정도의 짧은 시간 동안만 과도한 추력이 필요하므로, 전동기를 사용했을 때 생길 수 있는 운행거리에 의한 제약은 덜어 낼 수 있다.

즉, 일반적으로 전동기를 활용한 운송체의 운행거리는 배터리의 크기 및 해당 배터리의 에너지 밀도에 의해서 정해지는데, 위그선의 경우에는 1분 내지 3분 동안만 사용되므로 에너지 밀도에 의한 제약이 없다고 할 수 있다.

먼저, 도 1을 참조하여, 본 발명에 따른 하이브리드 추진 시스템에 대한 구 성 일 실시 예에 대하여 설명하면 다음과 같다.

일반적으로 위그선 추진 시스템 구성은 프로펠러(170), 기어장치(160), 프로펠러 회전축(175) 및 엔진(150)을 포함하여 구성한다.

이 경우, 상기 엔진(150)은 프로펠러(170)의 회전력을 생성하며, 생성된 회전력은 직접 또는 기어장치(160)를 통해서 프로펠러(170)에 전달되어 프로펠러(170)가 회전함으로써 위그선(100)을 이동시키는 추진력을 발생시키게 된다. 엔진(150)은 터보엔진에 국한되지 않으며 가스터빈 엔진을 내연기관으로 대체하여 사용이 가능하다.

그리고, 상기 프로펠러(170)는 상기 엔진(150) 및 전동기(전동기 또는 전동 및 발전 겸용기기를 의미하며 이하 "전동기"라 한다, 140)에 의하여 생성된 회전력을 추진력으로 전환하는 장치이고, 상기 프로펠러 회전축(175)은 상기 기어장치(160)에 의하여 변환된 엔진(150)의 회전력과 상기 전동기(140)에 의하여 생성된 회전력을 상기 프로펠러(170)에 전달하는 장치로서, 본 발명에 따른 실시 예에서는 상기 엔진(150)이 생성한 회전력을 상기 전동기(140)에 전달하는 데에도 사용된다. 그리고, 상기 기어장치(160)는 엔진(150)에 의하여 생성된 회전력을 최적의 효율로 추진력으로 전환하기 위한 것으로 상기 엔진(150)의 고속 회전 운동을 프로펠러(170)의 저속 회전 운동으로 변환시키는 역할을 수행한다.

본 발명에서는 상기한 일반적인 추력 발생 추진 시스템에 동력 보조 장치로서, 전기 에너지를 회전 에너지로 전환시키고 회전 에너지를 전기 에너지로 전환시키는 전동기(140)를 포함하여 새로운 추진 시스템을 제공하며. 구체적으로는 상기 전동기(140)에 연결된 기어장치(160)를 상기 프로펠러 회전축(175)에 연결시킴으로써 위그선(100)의 추진 시스템 추력을 향상시키게 하고 있다.

부연하면, 상기 보조동력장치는 상기 프로펠러(170)에 직접 또는 상기 기어장치(160)를 통하여 부가적으로 연결되어 상기 프로펠러(170)의 부가적인 회전력을 생성하는 전동기(140)와, 상기 전동기(140)에서 생성된 전기 에너지를 저장하기 위한 배터리(180) 및 상기 배터리(180)에 저장된 전기에너지를 상기 전동기(140)에 공급하거나 상기 배터리(180)에 전기 에너지를 저장하기 위한 충전/방전 제어 시스템(190)으로 구성하고 있다.

이 때, 전동기(140)는 직접 또는 기어장치(160)를 통해서 프로펠러(170)에 부가적으로 연결되어 상기 엔진(150)에서 생성된 회전력에 부가적인 회전력을 생성시킨다.

즉, 상기한 일반적인 추진 시스템 구성에 충전/방전 제어시스템(190) 및 배터리(180)를 더 구성하여 상기 전동기(140)를 특정시간 동안 사용한 후 추후 사용을 위하여 상기 엔진(150)이 생성하는 동력을 이용하여 충전시키는 것을 본 발명에 따른 일 실시 예로 구성하고 있다.

여기에서, 상기 충전/방전 제어 시스템(190)은 상기 배터리(180)에 저장된 전기에너지를 상기 전동기(140)에 공급하거나, 상기 전동기(140)가 생성한 전기에너지를 상기 배터리(180)에 저장하는 장치를 의미한다.

이 경우, 전동기(140)가 회전력을 발생시키기 위한 에너지는 배터리(180)로부터 공급받으며, 상기 배터리(180)는 수소이온전지, 리튬이온전지, 금속공기전지 등 다양한 종류의 2차 전지 중 하나 또는 그들의 조합으로 구성될 수 있다. 또한, 위그선(100)에서 필요한 power 밀도를 충족 시키기 위해서 super-capacitor 기술 등 power 밀도 향상 기술이 적용될 수 있다.

이하, 도 2를 참조하여 상기 구체적으로 설명한 도 1의 하이브리드 추진 시스템을 구비한 위그선 구조를 설명한다.

도시된 바와 같이, 선체(110)는 위그선(100)이 물위에 떠있을 수 있도록 부력을 발생시키는 역할을 하며, 위그선(100) 추진 방향 일직선으로 형성된 몸체를 의미하며, 상기 선체(110) 양 측면으로는 위그선(100)이 양력을 받을 수 있도록 해서 물 위(above)를 날을 수 있도록 한 주날개(120)를 구비하며, 선체(110) 후면부에는 꼬리날개(130)를 구성하고 있다.

그리고, 상기 배터리(180)는 선체(110) 내부로 장착하며, 상기 주날개(120)의 진행방향 후면 양측으로는 생성 회전력을 추력으로 발생시키기 위한 프로펠러(170)를 구비하며, 상기 프로펠러(170)는 전동기(140), 엔진(150), 기어장치(160)와 프로펠러 회전축(175)을 통하여 매개 연결되어 결합되어 있으며, 이러한 구성은 상기 배터리(180)에 연결되어 구성한다.

한편, 상기 배터리(180)에 연결되는 충전/방전 제어 시스템(190) 구성은 바람직하게는 제어부(미도시됨)가 구비되어 있는 선체(110) 내부에 구비되도록 한다.

이하, 상기 하이브리드 추진 시스템의 동작 과정에 대하여 간단하게 설명하면 다음과 같다.

먼저 상기 엔진(150)을 작동 실행한다. 이어서, 상기 기어장치(160)를 통하 여 회전속도를 변화시키고 상기 프로펠러 회전축(175)으로 회전력을 전달하며, 상기 전달된 회전력을 이용하여 상기 프로펠러(170) 회전을 기동하고, 상기 전동기(140)를 가동시키며, 상기 전동기(140) 회전력을 프로펠러 회전축(175)으로 전달하고, 상기 전달된 회전력에 의하여 프로펠러(170) 회전력을 증강시킬 수 있게 된다. 위그선이 이수한 이후에는 상기 전동기(140)를 포함하는 전동 시스템을 충전시킨다.

여기에서, 상기 전동시스템을 충전하는 방법에 대하여 부연 설명하면 다음과 같다.

먼저 엔진(150)을 작동시키고, 상기 기어장치(160)를 통하여 회전속도를 변화시키고 상기 프로펠러 회전축(175)으로 회전력을 전달하며, 상기 전동기(140)에 상기 프로펠러 회전축(175)의 회전력을 전달하고, 상기 전동기(140)에 의하여 기전력을 생성하며 상기 생성된 기전력을 배터리(180)에 저장하는 단계를 포함하여 구성한다.

이는, 단시간 동안의 출력 증강이 필요한 위그선(100)의 추진 시스템 구성에 있어서 효율적 경제적 시스템을 구현하기 위하여 엔진(150)의 무게 및 비용 대비 저렴한 2차 전지를 이용한 배터리 시스템을 구현함으로써 단시간 동안의 출력 증강이 필요한 위그선의 추진 시스템 구성에 있어서 효율적 경제적 시스템을 구현하기 위함이다.

즉, 일반적으로 현재 사용되는 2차 전지의 energy density가 100 [Wh/Kg], power density가 200~4,000 [W/kg]이므로 250kg의 배터리로 700마력의 추력을 3분 동안 얻을 수 있다. 이것은 해당 추력을 얻기 위해서 500kg 정도의 엔진 무게와 5억 원 이상의 비용이 소요되는 가스터빈과 비교 했을 때 매우 효율적인 동력시스템이라고 할 수 있으며, 특히 5~10분 등 단시간 동안 출력증강이 필요한 추진시스템의 효율적, 경제적 구현이 가능하도록 할 수 있게 되는 것이다.

한편 추후 이수 시에 사용될 전력은 순항 시에 전동기 작동의 역순으로 배터리(180)에 다시 충전시키거나 목적지 도착 후 육상에서 완전 충전된 배터리 팩으로 교환함으로써 확보할 수 있다. 이 경우 전동기(140) 작동의 역순으로 배터리(180)에 충전되는 경우는 엔진(150)에서 생성된 회전력이 직접 또는 기어장치(160)를 통해서 전동기(140)로 전달되고, 전달된 회전력은 전동기(140)에서 기전력으로 변환되며, 변환된 기전력은 충전/방전 제어 시스템(190)을 거쳐 배터리(180)에 저장되게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라, 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 추진 시스템에 대한 구성도

도 2는 도 1에 따른 하이브리드 추진 시스템을 구비하고 있는 위그선 구성도

*** 도면의 주요 부분에 대한 설명 ***

100: 위그선 110: 선체

120: 주날개 130: 꼬리날개

140: 전동기 150: 엔진

160: 기어장치 170: 프로펠러

175: 프로펠러 회전축 180: 배터리

190: 충전/방전 제어 시스템

Claims (4)

1. 하이브리드 추진 시스템을 구비한 위그선에 있어서,

   물 위에 떠 있을 수 있도록 부력을 발생시키는 선체와;

   상기 선체의 양 측면으로 양력에 의하여 물 위를 날 수 있도록 하는 날개와;

   상기 날개의 진행방향 후면 양측으로 프로펠러 회전축과 연결되는 프로펠러와;

   상기 프로펠러 회전력을 생성하는 엔진과;

   상기 엔진으로부터 발생된 회전력을 프로펠러에 전달하는 기어장치; 및

   상기 프로펠러에 직접 또는 상기 기어장치를 통하여 부가적으로 연결되어 상기 프로펠러의 부가적인 회전력을 생성하는 전동기;를 포함하여 구성되되,

   상기 엔진 및 전동기에 의하여 생성된 회전력을 이수 시에 1~2분 동안 추력을 이끌어내기 위해 프로펠러에 전달하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 추진시스템을 구비한 위그선.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 전동기에서 생성된 전기 에너지를 저장하기 위한 배터리; 및

   상기 배터리에 저장된 전기에너지를 전동기에 공급하거나 배터리에 전기에너지를 저장하기 위한 충전 및 방전 제어 시스템;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 추진 시스템을 구비한 위그선.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 배터리는 2차 전지인 수소이온전지, 리튬이온전지, 금속공기전지 중 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 조합으로 구성하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 추진 시스템을 구비한 위그선.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 프로펠러 회전축은 상기 기어장치에 의해 변환된 엔진 회전력과 상기 전동기에 의하여 생성된 회전력을 프로펠러에 전달하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 추진 시스템을 구비한 위그선.

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