KR101130752B1

KR101130752B1 - 위그선 하이브리드 터보엔진 추진 시스템 및 추진 방법

Info

Publication number: KR101130752B1
Application number: KR1020090076549A
Authority: KR
Inventors: 박진형; 이한진; 강민지
Original assignee: 윙쉽테크놀러지 주식회사
Priority date: 2009-08-19
Filing date: 2009-08-19
Publication date: 2012-04-27
Also published as: KR20110019015A

Abstract

본 발명은 위그선 추진 시스템 구성에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 프로펠러, 감속기어, 프로렐러 회전축 및 터보엔진을 포함하여 구성되는 위그선 터보엔진 추진 시스템에 있어서, 동력 보조 수단으로 전기 에너지를 회전에너지로 전환시키고 회전에너지를 전기에너지로 전환시키는 전동기/발전기 시스템을 구성하여 전동기어를 상기 프로펠러 회전축에 연결시킴으로써 추진 시스템의 추력을 향상시키도록, 일반적으로 위그선에서 해당 추력을 얻기 위하여 사용되는 가스터빈에 의한 터보엔진의 무게 및 비용 대비 저렴한 2차 전지를 이용한 배터리 시스템을 구현하여 단시간 동안의 출력 증강이 필요한 위그선의 추진 시스템 구성에 있어서 효율적 경제적 시스템을 구현할 수 있는 위그선 하이브리드 터보엔진 추진 시스템에 관한 것이다.

위그선, 하이브리드, 전지, 배터리, 충전, 감속기어, 터보엔진

Description

위그선 하이브리드 터보엔진 추진 시스템 및 추진 방법{Wig-Craft Hybrid Turbo Engine Propulsion System and Propulsion Method thereof}

본 발명은 위그선 추진 시스템 구성에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 프로펠러, 감속기어, 프로펠러 회전축 및 터보엔진을 포함하여 구성되는 위그선 터보엔진 추진 시스템에 있어서, 하이브리드 동력 발생 시스템을 적용한 위그선 하이브리드 터보엔진 추진 시스템에 관한 것이다.

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

이러한, 위그선에 적용되는 추력 시스템 구성시, 일반적으로 터보샤프트 또는 터보프롭 엔진, 감속기어, 프로펠러의 구성은 필수적이라 할 수 있다.

터보샤프트(Turboshaft) 엔진은 가스 터빈 엔진의 한 종류로 같은 가스 터빈에 기반한 제트 엔진이 힘을 추력으로 얻는 데 반해 터보샤프트는 이 추력으로 자유 터빈(free turbine)을 구동하여 기관 외로 전달한다.

터보샤프트는 그 구조가 터보프롭과 유사하다. 터보프롭은 엔진 전면에 감속기어에 연결된 프로펠러를 구동하기 위해 샤프트를 통해 터빈과 직접 연결하지만 터보샤프트는 또 다른 터빈을 구동하여 힘을 전달한다. 주로 헬리콥터에 많이 응용되고 전차, 호버크래프트 등에 사용된다.

하지만 이러한 터보엔진 만으로 동력 추진 시스템 구성 시에는 엔진 비용에 대한 부담이 클 수 밖에 없다.

특히, 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 터보엔진만을 동력 원으로 사용한다는 것은 비용 효율성 측면에서 문제점을 안고 갈 수 밖에는 없었다.

상기한 종래 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 일반적으로 위그선에서 해당 추력을 얻기 위하여 사용되는 가스터빈에 의한 터보엔진에 비해 추력 및 비용 대비 저렴한 2차 전지를 이용한 배터리 시스템을 구성품으로 하는 전동 부스터 시스템을 구현하여 단시간 동안의 출력 증강이 필요한 위그선의 추진 시스템 구성을 효율적 경제적으로 구현하는 데 있다.

상기한 종래 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 따른 위그선 하이브리드 터보엔진 추진 시스템은, 이수 시에 1~2분 동안 추력을 이끌어내기 위해 감속기어에 의해 변환된 터보엔진 회전력과 전동기에 의하여 생성된 회전력을 프로펠러에 전달하는 프로펠러 회전축과; 상기 전동기를 특정시간 동안 사용한 후 추후 사용을 위하여 상기 터보엔진이 생성하는 동력을 이용하여 충전하는 배터리시스템; 및 상기 배터리시스템에 저장된 전기에너지를 상기 전동기에 공급하고, 상기 전동기에서 생성한 전기에너지를 상기 배터리시스템에 저장하는 충전 및 방전 제어시스템;을 포함하여 구성되되, 상기 전동기는 전동기어로 상기 프로펠러 회전축에 연결시켜 추진 시스템의 추력을 향상시키고, 전기 에너지를 회전에너지로 전환시키며, 회전에너지를 전기에너지로 전환시키는 것을 특징으로 한다.

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한편, 본 발명에 따른 위그선 하이브리드 터보엔진 추진 방법은, 이수 시에 1~2분 동안 추력을 이끌어내기 위한 하이브리드 터보엔진 추진방법에 있어서, 터보엔진을 작동시키는 A 단계와; 감속기어를 통하여 회전속도를 감소시키고 프로펠러 회전축으로 회전력을 전달하는 B 단계와; 상기 전달된 회전력을 이용하여 프로펠러 회전을 기동하는 C 단계와; 전동기를 가동시키는 D 단계와; 상기 전동기 회전력을 프로펠러 회전축으로 전달하는 E 단계와; 상기 E 단계의 전달된 회전력에 의하여 프로펠러 회전력을 증강시키는 F 단계; 및 상기 전동기를 포함하는 전동 시스템을 충전하는 G 단계;를 포함하되, 상기 G 단계는, 상기 터보엔진을 작동시키는 G1 단계와; 상기 감속기어를 통하여 회전속도를 감소시키고 상기 프로펠러 회전축으로 회전력을 전달하는 G2 단계와; 상기 전동기에 상기 프로펠러 회전축의 회전력을 전달하는 G3 단계와; 상기 전동기에 의하여 기전력을 생성하는 G4 단계; 및 상기 생성된 기전력을 배터리시스템에 저장하는 G5 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

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이상에서와 같이, 본 발명에 따른 위그선 하이브리드 터보엔진 추진 시스템을 위그선에 장착시키는 경우에는, 일반적으로 위그선에서 해당 추력을 얻기 위하여 사용되는 가스터빈에 의한 터보엔진의 비용 대비 저렴한 2차 전지를 이용한 배터리 시스템을 구성품으로 하는 전동 부스터 시스템을 구현하여 단시간 동안의 출력 증강이 필요한 위그선의 추진 시스템 구성을 효율적 경제적으로 구현이 가능하도록 하는 효과를 가지게 된다.

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

도 1은 본 발명에 따른 위그선 하이브리드 터보엔진 추진 시스템 구성도, 도 2는 본 발명에 따른 위그선 하이브리드 터보엔진 추진방법 단계 흐름도, 도 3은 본 발명에 따른 전동시스템 충전방법 단계 흐름도이다.

일반적으로 위그선 추진 시스템(100) 구성은 프로펠러(110), 감속기어(120), 프 로렐러 회전축(130) 및 터보엔진(140)을 포함하여 구성한다. 여기에, 본 발명에서는, 동력 보조 수단으로 전기 에너지를 회전에너지로 전환시키고 회전에너지를 전기에너지로 전환시키는 전동기/발전기를 포함하는 전동기/발전기 시스템(150)을 더 구성하여 전동기어를 상기 프로펠러 회전축(130)에 연결시킴으로써 추진 시스템의 추력을 향상시키고 있는 하이브리드 추진 시스템(100)에 관한 것이다.

이하, 전동기/발전기 및 전동기/발전기 시스템은 식별번호를 150으로 동일하게 하여 기술하는데, 전동기/발전기의 동작 시스템은 일반적인 공지 내용이므로, 기술 맥락에서 동일한 구성으로 상정한 것이다. 아울러, 본 발명의 실시 예에서는 전동기 만으로 설명하였으나, 이는 큰 맥락에서 전동기/발전기 및 그 시스템과 같은 것으로 이해하여야 할 것이다.

여기에서, 하이브리드 추진은 일반적으로 두 개 이상의 추진 시스템을 사용하는 것을 가리키지만, 여기서 제안되는 것은 터보엔진(140)과 전동기/발전기(150)를 조합하여 각각의 장점과 단점을 보완한 결합체를 가리킨다.

상기 터보엔진(140)은 가스터어빈을 이용하여 (화석) 연료를 연소시켜 회전력을 발생시키는 동력원 생성 장치이다.

상기 프로펠러(110)는 터보엔진(140) 및 전동기(150)에 의하여 생성된 회전력을 추진력으로 전환하는 장치이고, 상기 감속기어(120)는 상기 터보엔진(140)에 의하여 생성된 회전력을 최적의 효율로 추진력으로 전환하기 위한 것으로 상기 터보엔진(140)의 고속 회전 운동을 프로펠러(110)의 저속 회전 운동으로 변환시키는 역할을 한다.

본 발명에 따른 감속기어(120)는, 종래에는 터보엔진(140) 구동축(140b)하고만 연결되어 있었으나, 이에 부가하여 전동기/발전기(150) 동력 구조와 연결되어 있는 프로펠러 회전축(130)과도 맞물릴 수 있도록 하여 구성하고 있다.

그리고, 상기 프로펠러 회전축(130)은 상기 감속기어(120)에 의하여 변환된 터보엔진(140)의 회전력과 상기 전동기/발전기(150)에 의하여 생성된 회전력을 상기 프로펠러(110)에 전달하는 장치로서, 본 발명에 따른 실시 예에서는 터보엔진(140)이 생성한 회전력을 상기 전동기/발전기(150)에 전달하는 데에도 사용된다.

이러한 프로펠러 회전축, 터보엔진 구동축 및 감속기어 체결은 직접적으로 연결할 수도 있으며, 기타 연결 부재를 사용하여 간접적으로 맞물리도록 할 수도 있을 것이다. 따라서 도면 및 실시 예에 나타난 모습 및 설명에 국한하여 본 발명에 따른 추진 시스템을 이해하여서는 안 될 것이다.

한편, 상기한 추진 시스템(100) 구성에 충전/방전 제어시스템(160) 및 배터리시스템(170)을 더 구성하여 상기 전동기(150)를 특정시간 동안 사용한 후 추후 사용을 위하여 상기 터보엔진(140)이 생성하는 동력을 이용하여 충전시키는 것을 본 발명에 따른 일 실시 예로 구성하고 있다.

여기에서, 상기 충전/방전 제어 시스템(160)은 상기 배터리 시스템(170)에 저장된 전기에너지를 상기 전동기/발전기(150)에 공급하거나, 상기 전동기/발전기(150)가 생성한 전기에너지를 상기 배터리시스템(170)에 저장하는 장치를 의미한다.

이하, 상기한 구성 시스템을 갖는 본 발명에 따른 하이브리드 터보엔진 추진방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.

먼저 상기 터보엔진(140)을 작동시키는 A 단계(S510)를 실행한다.

이어서, 상기 감속기어(120)를 통하여 회전속도를 감소시키고 상기 프로펠러 회전축(130)으로 회전력을 전달하는 B 단계(S520), 상기 전달된 회전력을 이용하여 상기 프로펠러(110) 회전을 기동하는 C 단계(S530), 상기 전동기(150)를 가동시키는 D 단계(S540), 상기 전동기(150) 회전력을 프로펠러 회전축으(130)로 전달하는 E 단계(S550), 상기 전달된 회전력에 의하여 프로펠러(110) 회전력을 증강시키는 F 단계(S560)를 실행한다.

마지막으로는, 상기 전동기를 포함하는 전동 시스템(150)을 충전하는 G 단계(S570)를 동작시킨다.

이는, 단시간 동안의 출력 증강이 필요한 위그선의 추진 시스템(100) 구성에 있어서 효율적 경제적 시스템을 구현하기 위하여 터보엔진(140)의 비용 대비 저렴한 2차 전지를 이용한 배터리 시스템(170)을 구성품으로 하는 전동 부스터 시스템을 구현함으로써 단시간 동안의 출력 증강이 필요한 위그선의 추진 시스템(100)을 효율적 경제으로 구현하기 위함이다.

즉, 일반적으로 현재 사용되는 리튬이온 2차 전지의 energy density가 100 [Wh/Kg], 최신 아연공기 2차 전지의 energy density가 364[Wh/Kg]에 이르고, super-capacitor의 power density가 200~4,000 [W/kg]에 이르므로,100~370kg의 배터리만으로 1000 마력의 추력을 3분 동안 얻을 수 있다.

이것은 해당 추력을 얻기 위해서 250kg 정도의 엔진 무게와 5억 원 이상의 비용이 소요되는 가스터빈과 비교 했을 때 매우 효율적인 동력시스템이라고 할 수 있 으며, 특히 1~3분 등 단시간 동안 출력증강이 필요한 추진시스템의 효율적, 경제적 구현이 가능하도록 할 수 있게 되는 것이다.

여기에서, 상기 전동시스템(150)을 충전하는 방법에 대하여 부연 설명하면 다음과 같다. 이 경우, 상기 기술된 하이브리드 추진시스템(100)의 터보엔진 추진 방법과 중복되는 작동이 있을 수 있으나, 이는 터보엔진 추진 및 전동기 시스템에 의한 동력원 발생 및 충전/방전 제어시스템 및 배터리 시스템 동력이 시간적 차이는 있을 수 있으나, 추진시스템이 정지된 상태가 아닌 연속적인 동작 메카니즘으로 구현된다는 것을 이해하여야만 할 것이다.

먼저 터보엔진(140)을 작동시키는 G1 단계(S610)를 실행한다. 이어서, 상기 감속기어(120)를 통하여 회전속도를 감소시키고 상기 프로펠러 회전축(130)으로 회전력을 전달하는 G2 단계(S620), 상기 전동기(150)에 상기 프로펠러 회전축(130)의 회전력을 전달하는 G3 단계(S630), 상기 전동기(150)에 의하여 기전력을 생성하는 G4 단계(S640) 및 상기 생성된 기전력을 배터리 시스템(170)에 저장하는 G5 단계(S650)를 포함하여 전동시스템 충전 방법을 구성함이 바람직하다.

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 위그선 하이브리드 터보엔진 추진 시스템 구성도

도 2는 본 발명에 따른 위그선 하이브리드 터보엔진 추진방법 단계 흐름도

도 3은 본 발명에 따른 전동시스템 충전방법 단계 흐름도

*** 도면의 주요 부분에 대한 설명 ***

100: 추진 시스템 110: 프로펠러

120: 감속기어 130: 프로펠러 회전축

140: 터보엔진 150: 전동기/발전기

160: 충전/방전제어시스템 170: 배터리 시스템

Claims

위그선 하이브리드 터보엔진 추진 시스템에 있어서,

이수 시에 1~2분 동안 추력을 이끌어내기 위해 감속기어에 의해 변환된 터보엔진 회전력과 전동기에 의하여 생성된 회전력을 프로펠러에 전달하는 프로펠러 회전축과;

상기 전동기를 특정시간 동안 사용한 후 추후 사용을 위하여 상기 터보엔진이 생성하는 동력을 이용하여 충전하는 배터리시스템; 및

상기 배터리시스템에 저장된 전기에너지를 상기 전동기에 공급하고, 상기 전동기에서 생성한 전기에너지를 상기 배터리시스템에 저장하는 충전 및 방전 제어시스템;을 포함하여 구성되되,

상기 전동기는 전동기어로 상기 프로펠러 회전축에 연결시켜 추진 시스템의 추력을 향상시키고, 전기 에너지를 회전에너지로 전환시키며, 회전에너지를 전기에너지로 전환시키는 것을 특징으로 하는 위그선 하이브리드 터보엔진 추진 시스템.
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이수 시에 1~2분 동안 추력을 이끌어내기 위한 위그선 하이브리드 터보엔진 추진 방법에 있어서,

터보엔진을 작동시키는 A 단계와;

감속기어를 통하여 회전속도를 감소시키고 프로펠러 회전축으로 회전력을 전달하는 B 단계와;

상기 전달된 회전력을 이용하여 프로펠러 회전을 기동하는 C 단계와;

전동기를 가동시키는 D 단계와;

상기 전동기 회전력을 프로펠러 회전축으로 전달하는 E 단계와;

상기 E 단계의 전달된 회전력에 의하여 프로펠러 회전력을 증강시키는 F 단계; 및

상기 전동기를 포함하는 전동 시스템을 충전하는 G 단계;를 포함하되,

상기 G 단계는,

상기 터보엔진을 작동시키는 G1 단계와;

상기 감속기어를 통하여 회전속도를 감소시키고 상기 프로펠러 회전축으로 회전력을 전달하는 G2 단계와;

상기 전동기에 상기 프로펠러 회전축의 회전력을 전달하는 G3 단계와;

상기 전동기에 의하여 기전력을 생성하는 G4 단계; 및

상기 생성된 기전력을 배터리시스템에 저장하는 G5 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 위그선 하이브리드 터보엔진 추진 방법.
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