KR101202679B1 - 선박의 기진력 진동보상장치의 구동방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 선박의 기진력 진동보상장치의 구동방법은, 전기 제어식 기진력 진동보상장치의 구동방법에 있어서, 상기 전기 제어식 기진력 진동보상장치의 구동 여부 및 제어 위상을 기관 회전속도 및 재화 조건 별로 각각 지정하여 작동하므로, 선박의 기진력 이로 인한 진동 제어가 불필요한 속도 구간(도 4의 A)에서의 상기 전기 제어식 진동보상장치의 동작을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 구동 속도 구간(도 4의 B, C, D)들에 대해서 각각 상이한 제어 위상을 부여하므로 기진력, 진동 저감 성능의 향상이 가능하고, 선박 에너지의 절감이 가능하며, 상기 기계 및 전기 제어식 진동보상장치는 필요한 경우에만 작동하므로 수명이 연장되고 고장률이 저하되어 유지보수 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

Description

선박의 기진력 진동보상장치의 구동방법{Drive method of a control system to reduce ship vibration}

본 발명은 선박의 기진력 진동보상장치의 구동방법에 관한 것으로서, 더욱 상세히는 선박에 장착하는 진동보상장치의 제어위상 및 구동여부를 주기관 운전속도 및 화물 적재조건 별로 각각 지정하여 제어 효율성을 높이고, 보상장치의 불필요한 구동이 없도록 한, 선박의 기진력 진동보상장치의 구동방법에 관한 것이다.

일반적으로 선박의 디젤엔진, 주기관(main engine), 보조기관 및 프로펠러 등에서 발생되는 단일 주파수 성분의 기진력 또는 이로 인해서 선체에서 발생되는 진동을 제어하기 위하여, 상기 기진력 또는 진동과 주파수는 동일하고 반대 위상을 갖도록

힘을 가하는 선박 기진력 진동보상장치가 사용된다.

상기 선박 기진력 진동보상장치로는 기계 제어식 기진력 진동보상장치와 전기 제어식 기진력 진동보상장치가 있다.

상기 기계 제어식 기진력 진동보상장치는 도 6에서처럼 선박 주기관(main engine) 내부에 상호 분리되어 회전하는 축(1, 1')과, 상기 축(1, 1')에 고정되어 축(1, 1')과 함께 회전하는 회전체(2, 2')들로 구성된다. 상기 회전체(2, 2')는 무게 중심이 편심되도록 형성된 것이다.

따라서, 상기 축(1, 1')이 체인이나 벨트 또는 기어 등에 의해 상기 디젤엔진과 기계적으로 연동되는데, 상기 축(1, 1')은 상호 역방향으로 회전하도록 구성된다.

따라서, 두 회전체(2, 2')가 서로 반대 방향을 향하는 경우(위상각이 0°, 180°, 360°,… 인 때)에는 반발력이 서로 상쇄되어 불균형힘이 발생하지 않지만, 두 회전체(2, 2')가 동일 방향을 향하는 경우(위상각이 90°, 270°,…인 때)에는 일정 방향으로 합력이 발생하게 된다.

즉, 상기 두 개의 회전체(2, 2')가 역방향으로 회전함으로써 도 6에 도시한 것과 같은 정현파(사인파) 곡선이 형성된다.

상기 정현파를 선박에서 발생하는 기진력 및 이로 인한 진동과 주파수는 동일하고 위상이 반대가 되도록 하여 진동을 상쇄시킨다.

또한, 상기 전기 제어식 기진력 진동보상장치는 주기관 디젤엔진 구조, 프로펠러 기진력이 가해지는 인접 구조에 해당하는 조타실(steering room) 등과 같이 기진력이 직접 가해지는 위치 또는 상기 위치의 인접 위치 및 승조원이 거주하고 진동에 예민한 항해장비 등이 설치되는 선루(deck house) 등과 같이 진동 저감이 필요한 선체에 장착되어 기진력 및 이로 인한 진동과 주파수는 동일하고 위상이 반대인 힘을 가하여 상기 기진력 및 진동을 상쇄하는 장치이다.

상기 전기 제어식 기진력 진동보상장치는 상기 축(1, 1')과 회전체(2, 2')가 구성되고, 상기 축(1, 1')을 역방향으로 회전시키는 모터(도시하지 않음)가 구성된다. 그리고, 주기관 또는 보조기관의 회전수를 감지하는 엔코더 등의 센서가 구성되며, 상기 센서로부터 데이터를 전송받아서 상기 모터(도시하지 않음)를 제어하는 제어부(도시하지 않음)가 구성된다.

일반적으로 선박에 진동을 유발하는 기진력과 이로 인한 진동은 주기관 회전속도 또는 재화(화물 적재) 조건에 따라 달라지며, 과도한 선박 진동 문제는 특정 재화상태 또는 일부 주기관 회전 속도 구역에서만 발생하는 것이 대부분이다. 이러한 과도한 선박 진동은 도 1에서처럼, 재화조건 및 주기관 회전속도 별로 진동 계측을 실시하여 파악이 가능하다.

그러나, 상기 기계 제어식 기진력 진동보상장치는 선박의 진동 수준이 허용치보다 낮거나, 기진력이 작아 상기 기계 제어식 기진력 진동보상장치를 구동할 필요가 없는 회전속도 구간에서도 동작함으로써, 선박 에너지의 소모량을 증가시키고, 에너지 효율을 저감시키는 문제점이 있었다.

또한, 상기 전기 제어식 기진력 진동보상장치는 상기 기계 제어식 기진력 진동보상장치의 문제점을 가질 뿐만 아니라, 상기 주기관 , 보조기관 및 프로펠러 등의 특정 회전차수에 대해 일정한 위상차이를 가지고 동작하는 문제점이 있었다. 즉, 회전속도가 가변되면 이에 따라 제어위상이 적합하게 대응되도록 달라져야 하지만, 동일한 제어위상으로 대응되는 문제점이 있었다.

즉, 상기 기계 제어식 기진력 진동보상장치와 전기 제어식 기진력 진동보상장치는 선박의 재화 상태 및 운전속도 등에 따라 달라지는 기진력의 크기와 선박 진동 특성을 고려하지 못하고 있다. 따라서, 주기관, 보조기관, 프로펠러 등의 운전속도 구간별 구동여부와 제어위상을 지정할 수 없기 때문에 효율적인 진동 제어 성능을 보장할 수 없으며, 기진력, 진동 저감이 필요하지 않은 경우에도 불필요하게 구동되므로 선발 에너지 효율이 저하되고, 상기 기계 및 전기 제어식 진동보상장치의 유지보수 비용도 증가하는 문제점이 있었다.

본 발명에 의한 선박의 기진력 진동보상장치의 구동방법은, 전기 제어식 기진력 진동보상장치에 있어서, 상기 전기 제어식 기진력 진동보상장치의 구동 여부 및 제어 위상을 기관 회전속도 및 재화 조건 별로 각각 지정하여 작동하도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 선박의 운전속도를 고려한 기진력 진동보상장치는, 재화조건 및 기관 회전속도 별로 진동과 위상각을 계측하는 진동 및 위상각 계측단계와, 상기 진동 및 위상각 계측단계 이후에 각 재화조건에서 허용 진동 레벨 이상의 값을 나타내는 구간을 전기 제어식 기진력 진동보상장치가 작동하는 구간으로 설정하고, 이 구간들의 각각 상이한 위상의 반대 위상인 제어 위상을 설정하는 설정단계와, 상기 설정단계 이후에, 상기 전기 제어식 진동보상장치가 저감 대상 기진력 또는 진동과 동일한 주파수로 상기 허용 진동 레벨 이상의 값을 나타내는 속도 구간에서만 구동하도록 하고, 이 구간에서 상기 제어 위상을 갖도록 하는 구동단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 선박의 기진력 진동보상장치의 구동방법은, 기진력 및 이로 인한 진동 제어가 불필요한 속도 구간(도 4의 A)에서의 상기 전기 제어식 진동보상장치의 동작을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 구동 속도 구간(도 4의 B, C, D)들에 대해서 각각 상이한 제어 위상을 부여하므로, 기진력, 진동 저감 성능의 향상이 가능하고, 선박 에너지의 절감이 가능하며, 상기 기계 및 전기 제어식 진동보상장치는 필요한 경우에만 작동하므로 수명이 연장되고 고장률이 저하되어 유지보수 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 주기관 속도 및 재화 상태에 따라 달라지는 선박진동 특성을 도시한 그래프.
도 2는 쌍방 역회전하는 2개의 편심 질량을 이용하여 발생되는 단일 방향의 힘을 도시한 예시도.
도 3은 보상 장치 구동여부를 결정하기 위한 주기관 회전속도 평가 방법.
도 4는 주기관 회전속도 구간별로 사용자가 임의로 정의 가능한 보상장치 제어 여부 및 제어위상을 도시한 그래프.
도 5는 단일 개의 제어위상 및 제어 구간을 가지는 경우에 제어 대상 주기관 속도 구간 내에서 발생하는 선박 기진력 보상장치의 구동이 불필요한 구간.
도 6은 일반적인 기계 제어식 기진력 진동보상장치에 구성되는 축과 회전체를 도시한 사시도.

이하, 첨부되는 도면과 관련하여 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명을 살펴보면 다음과 같다.

도 1은 주기관 속도 및 재화 상태에 따라 달라지는 선박진동 특성을 도시한 그래프, 도 2는 쌍방 역회전하는 2개의 편심 질량을 이용하여 발생되는 단일 방향의 힘을 도시한 예시도, 도 3은 보상 장치 구동여부를 결정하기 위한 주기관 회전속도 평가 방법, 도 4는 주기관 회전속도 구간별로 사용자가 임의로 정의 가능한 보상장치 제어 여부 및 제어위상을 도시한 그래프, 도 5는 단일 개의 제어위상 및 제어 구간을 가지는 경우에 제어 대상 주기관 속도 구간 내에서 발생하는 선박 기진력 보상장치의 구동이 불필요한 구간, 도 6은 일반적인 기계 제어식 기진력 진동보상장치에 구성되는 축과 회전체를 도시한 사시도로서 함께 설명한다.

먼저, 본 발명은 전기 제어식 기진력 진동보상장치가 구성된다. 상기 전기 제어식 기진력 진동보상장치는 도 2에서처럼, 축(S)이 평행하게 회전하도록 구성되고 상기 축(S)에는 편심된 회전체가 고정되어 편심 질량(m)이 작용하도록 구성된다. 따라서, 상기 축((S)이 서로 반대 방향으로 회전하게 되면, 위상에 따라 합력은 정현파 곡선을 그리게 된다.

또한, 상기 축(S)을 회전시키는 모터(도시하지 않음)가 구성된다. 그리고, 주기관 또는 보조기관의 회전수를 감지하는 엔코더 등의 센서가 구성되며, 상기 센서로부터 데이터를 전송받아서 상기 모터(도시하지 않음)를 제어하는 제어부(도시하지 않음)가 구성된다.

상기 전기 제어식 진동보상장치의 구성은 일반적인 것으로서 당해업자라면 누구나 알 수 있는 평이한 사항이므로 상세한 구조의 설명은 생략한다.

본 발명은 선박의 기진력 및 이로 인한 진동을 보상하기 위하여, 상기 전기 제어식 기진력 진동보상장치의 구동 여부 및 제어 위상을 주기관 및 보조기관 등의 기관 회전속도 및 재화(화물 적재) 조건 별로 각각 지정하여 제어 효율성을 높이고, 보상 장치의 불필요한 구동이 없도록 한다.

상기 방법이 가능하도록 하는 실시예를 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 재화조건 및 기관 회전속도 별로 진동과 위상각을 계측하는 진동 및 위상각 계측단계가 이루어진다. 일반적으로 선박 진동을 유발하는 기진력 및 이로 인한 진동은 주기관 또는 보조기관 등의 운전속도 또는 재화조건에 따라 달라지며, 과도한 선박 진동 문제는 특정 재화상태 또는 일부 기관 회전속도 구역에서만 발생하는 경우가 대부분이다. 따라서, 각 재화 상태별로 진동이 발생하는 속도 구간을 엔코더 등 속도 센서로 파악한다. 그리고, 상기 속도 구간에서의 위상각을 위상검출장치로 파악한다. 일례로 상기 선박 진동은 도 1에서처럼, 재화조건 및 기관 회전속도 별로 진동 계측을 실시하여 파악할 수 있다.

그리고, 도 4에서처럼, 각 재화조건에서 허용 진동 레벨 이상의 값을 나타내는 B, C, D 구간을 전기 제어식 기진력 진동보상장치가 작동하는 구간으로 설정하고, 이 구간들의 각각 상이한 위상의 반대 위상인 제어 위상을 설정하는 설정단계가 이루어진다. 이때, 도 5에서처럼, 단일 개의 제어 위상 및 제어 구간인 B를 가지는 경우에 허용 진동 레벨 이하의 값을 나타내는 C 구간은 제어가 불필요한 구간이 된다.

그리고, 상기 전기 제어식 진동보상장치가 상기 허용 진동 레벨 이상의 값을 나타내는 속도 구간인 B, C, D 에서만 구동하도록 하고, 이 구간에서 상기 제어 위상을 갖도록 하는 구동단계를 포함하여 이루어진다. 상기 구동단계는 상기 제어부의 설정을 통해서 가능하다.

이때, 일시적인 기관 회전속도 변화에 따른 상기 전기 제어식 진동보상장치의 구동 상태의 잦은 변화를 방지하기 위하여 사용자가 설정할 수 있는 일정 시간 간격의 주기관 평균속도를 슬라이딩 애버리지(sliding average) 기법 등으로 평가하여 상기 전기 제어식 진동보상장치의 구동 여부를 결정한다.

상기 본 발명에 의하면, 기진력 이로 인한 진동 제어가 불필요한 속도 구간(도 4의 A)에서의 상기 전기 제어식 진동보상장치의 동작을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 구동 속도 구간(도 4의 B, C, D)들에 대해서 각각 상이한 제어 위상을 부여하므로 기진력, 진동 저감 성능의 향상이 가능하고, 선박 에너지의 절감이 가능하며, 상기 기계 및 전기 제어식 진동보상장치는 필요한 경우에만 작동하므로 수명이 연장되고 고장률이 저하되어 유지보수 비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.

S: 축
m: 질량

Claims (2)

1. 삭제
2. 축(S)이 평행하게 회전하도록 구성되고, 상기 축(S)에는 편심된 회전체가 고정되어 편심 질량(m)이 작용하여 상기 축(S)이 서로 반대 방향으로 회전하게 되면, 위상에 따라 합력은 정현파 곡선을 그리게 하여 보상을 수행하는 선박의 기진력 진동보상장치의 구동방법에 있어서;
   상기 진동보상장치로서 상기 축(S)을 회전시키는 모터, 주기관 또는 보조기관의 회전수를 감지하는 엔코더를 포함하는 센서, 상기 센서로부터 데이터를 전송받아서 상기 모터를 제어하는 제어부가 구성되는 전기 제어 방식의 기전력 진동보상장치를 포함하여;
   상기 선박의 운전속도를 고려한 기진력 진동보상장치는, 재화조건 및 기관 회전속도 별로 진동과 위상각을 계측하는 진동 및 위상각 계측단계;
   상기 진동 및 위상각 계측단계 이후에 각 재화조건에서 허용 진동 레벨 이상의 값을 나타내는 구간을 전기 제어식 기진력 진동보상장치가 작동하는 구간으로 설정하고, 이 구간들의 각각 상이한 위상의 반대 위상인 제어 위상을 설정하는 설정단계;
   상기 설정단계 이후에, 상기 전기 제어식 진동보상장치가 저감 대상 기진력 또는 진동과 동일한 주파수로 상기 허용 진동 레벨 이상의 값을 나타내는 속도 구간에서만 구동하도록 하고, 이 구간에서 상기 제어 위상을 갖도록 하는 구동단계를 포함하여;
   상기 기진력 진동보상장치의 구동 여부 및 제어 위상을 기관 회전속도 및 재화 조건 별로 각각 지정하여 전기적으로 제어작동하는 것을 특징으로 하는 선박의 기진력 진동보상장치의 구동방법.

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