KR101245771B1 - 선박용 추진장치 및 선박의 추진방법 - Google Patents

Abstract

선박용 추진장치 및 선박의 추진방법이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 선박용 추진장치는 구동축에 회전 가능하게 지지된 전방프로펠러; 전방프로펠러 후방의 구동축에 고정된 후방프로펠러; 후방프로펠러의 날개 하단부에 고정된 날개 회전부; 및 선박의 운항속도, 구동원의 토오크 및 회전수 중 하나 이상에 기초하여, 날개 회전부를 회전시켜 후방프로펠러의 날개각을 변환시키는 제어부;를 포함한다.

Description

선박용 추진장치 및 선박의 추진방법{PROPULSION APPARATUS FOR SHIP, AND SHIP PROPULSION METHOD}

본 발명은 선박용 추진장치 및 이를 포함하는 선박에 관한 것이다.

선박에서 추진장치는 운항을 위해 추진력을 발생시키는 장치이다. 가장 일반적인 것으로는 하나의 나선형 프로펠러를 채용한 것이다. 그러나 하나의 프로펠러를 갖춘 추진장치는 수류의 회전에너지를 추진력으로 이용할 수 없기 때문에 에너지 손실이 크다.

손실되는 회전에너지를 추진력으로 회수할 수 있는 것으로 이중반전 추진장치(CRP; Counter Rotating Propeller)가 있다. 이중반전 추진장치는 동일축선 상에 설치된 2개의 프로펠러가 상호 반대로 회전하면서 추진력을 발생시킨다. 전방프로펠러를 거친 유체의 회전에너지를 후방프로펠러가 역으로 회전하며 추진력으로 회수할 수 있다. 따라서 하나의 프로펠러를 갖춘 추진장치에 비하여 높은 추진성능을 발휘할 수 있다.

이중반전 추진장치는 선체 내부의 엔진과 연결된 내축과, 내축 후단부에 결합된 후방프로펠러와, 내축의 외면에 회전하도록 설치된 중공의 외축과, 외축 후단부에 결합된 전방프로펠러를 구비한다. 또 내축의 회전을 외축으로 반전시켜 전달하기 위해 선체의 내부에 설치된 반전회전장치를 포함한다. 반전회전장치로는 통상의 유성기어장치를 사용한다.

그러나, 이러한 이중반전 추진장치는 선박에 장착할 때 내축과 외축의 중심을 정렬하여 설치하는 작업이 매우 어렵다. 또 내축과 외축 사이의 마찰 감소를 위해 윤활을 해야 하는 영역이 증가한다. 뿐만 아니라 내축과 외축이 상호 반대로 회전하는 관계로 내축과 외축 사이에 형성되는 윤활막의 전단이 생기기 때문에 효과적인 윤활을 구현하기 어렵다.

한편, 종래의 가변피치프로펠러는 엔진 가동 중에 프로펠러 날개각을 자유롭게 조정할 수 있는 프로펠러로서, 날개각 조절을 통해 선박을 전진, 후진, 저속, 정지 등 여러 가지 상태로 자유롭게 운항할 수 있다. 가변피치프로펠러는 원격조종이 가능하고 엔진의 수명 연장 및 연료소비를 절감시키고, 단시간에 최고속 도달이 가능한 장점 등으로 인해 우수한 출발, 정지, 조정성능 등이 필요한 선박에 활용되고 있다.

그러나, 이러한 가변피치프로펠러의 장점에도 불구하고 그 구조가 복잡하여 내축과 외축을 갖춘 종래의 이중반전 추진장치 구조에 가변피치프로펠러 방식을 구현하기가 어렵다.

본 발명의 실시 예는 외축이 없이도 두 프로펠러의 상호 반전을 구현할 수 있는 선박용 추진장치 및 선박의 추진방법을 제공하고자 한다.

또한, 외축이 없이도 상호 반전이 가능한 두 프로펠러를 가진 추진장치의 후방프로펠러 날개각을 조절하는 선박용 추진장치 및 선박의 추진방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 구동축에 회전 가능하게 지지된 전방프로펠러; 상기 전방프로펠러 후방의 상기 구동축에 고정된 후방프로펠러; 상기 후방프로펠러의 날개 하단부에 고정된 날개 회전부; 및 선박의 운항속도, 구동원의 토오크 및 회전수 중 하나 이상에 기초하여, 상기 날개 회전부를 회전시켜 상기 후방프로펠러의 날개각을 변환시키는 제어부; 를 포함하는 선박용 추진장치가 제공될 수 있다.

상기 날개 회전부는 상기 후방프로펠러의 중심축에 편심되게 마련된 편심 돌기를 포함할 수 있다.

상기 편심 돌기를 밀거나 당겨 상기 날개 회전부를 회전시키는 작동축과, 제1실 및 제2실로 유체를 흡입하고 토출하면서 피스톤을 이동시켜 상기 작동축을 동작시키는 실린더를 더 포함할 수 있다.

상기 유체를 압축하여 공급하는 펌프와, 상기 실린더의 제1실과 제2실에 각각 연결유로로 연결되고, 상기 연결유로를 통해 상기 실린더의 제1실과 제2실에 흡입되고 토출되는 상기 유체의 흡입경로와 토출경로를 변경하는 유로전환장치를 더 포함할 수 있다.

상기 제어부는 상기 선박의 운항속도, 구동원의 토오크 및 회전수 중 하나 이상의 측정값과 설정값을 비교하고, 상기 비교 결과를 기초로 상기 펌프 및 상기 유로전환장치 중 하나 이상의 동작을 제어하여 상기 후방프로펠러의 날개각을 증감시킬 수 있다.

상기 제어부는 상기 측정값 중 상기 운항속도나 상기 토오크가 상기 설정값을 초과하거나 상기 회전수가 상기 설정값에 미달한 경우에 상기 후방프로펠러의 날개각이 감소되거나, 상기 측정값 중 상기 운항속도나 상기 토오크가 상기 설정값에 미달하거나 상기 회전수가 상기 설정값을 초과한 경우에 상기 후방프로펠러의 날개각이 증가되도록 상기 펌프 및 상기 유로전환장치 중 하나 이상의 동작을 제어할 수 있다.

상기 구동축의 회전을 상기 전방프로펠러로 반전시켜 전달하는 반전회전장치를 더 포함하고, 상기 반전회전장치는 상기 구동축에 고정된 구동베벨기어, 상기 전방프로펠러의 허브에 고정된 피동베벨기어, 상기 구동베벨기어의 회전을 상기 피동베벨기어로 반전시켜 전달하는 하나 이상의 반전베벨기어를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 구동축에 회전 가능하게 지지된 전방프로펠러와 상기 전방프로펠러 후방의 상기 구동축에 고정된 후방프로펠러를 상호 반전시키는 선박의 추진방법에 있어서, (a) 선박의 운항속도, 구동원의 토오크 및 회전수 중 하나 이상의 측정값과 설정값을 비교하는 단계; 및 (b) 상기 비교 결과를 기초로 상기 후방프로펠러의 날개각을 변환시키는 단계;를 포함하는 선박의 추진방법이 제공될 수 있다.

상기 구동원은 엔진, 모터 및 터빈 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

상기 (b) 단계는 상기 측정값 중 상기 운항속도나 상기 토오크가 상기 설정값을 초과하거나 상기 회전수가 상기 설정값에 미달한 경우에 상기 후방프로펠러의 날개각이 감소되거나, 상기 측정값 중 상기 운항속도나 상기 토오크가 상기 설정값에 미달하거나 상기 회전수가 상기 설정값을 초과한 경우에 상기 후방프로펠러의 날개각이 증가되도록 할 수 있다.

상기 (b) 단계는 상기 비교 결과를 기초로 실린더의 제1실과 제2실로 흡입되고 토출되는 유체의 흐름 방향을 결정하는 단계와, 상기 제1실 및 제2실로 흡입되고 토출되는 상기 유체에 의해 상기 실린더의 피스톤을 이동시켜 상기 후방프로펠러 날개에 회전 가능하게 고정된 날개 회전부를 회전시키는 단계와 상기 날개 회전부의 회전에 기초하여 상기 후방프로펠러의 날개각을 변환시키는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 선박용 추진장치 및 선박의 추진방법은 외축이 없이도 두 프로펠러의 상호 반전을 구현할 수 있다.

또한, 외축이 없이도 상호 반전이 가능한 두 프로펠러를 가진 추진장치의 후방프로펠러 날개각을 조절할 수 있어, 엔진 등의 구동원의 마력을 일정하게 유지하면서 추력, 선속과 회전수 등을 효과적으로 조절할 수 있다.

또한, 추진장치의 두 프로펠러의 부하 배분을 조절할 수 있어, 프로펠러의 날개각을 조절하는 장점뿐 아니라 운항 상황별 최적 부하 조합을 통해 추진 효율을 향상시키고 추진장치의 기어 시스템 등의 안정성을 높일 수 있다.

또한, 외축을 사용하지 않기 때문에 구동축을 설치하는 작업 및 설치 후 축의 중심을 정렬하는 작업을 용이하게 수행할 수 있다.

또한, 외축을 사용하지 않기 때문에 종래보다 윤활이 필요한 영역을 줄일 수 있고, 윤활에 따른 제반문제를 최소화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 추진장치가 선박에 적용된 상태를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 추진장치의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 추진장치의 반전베벨기어와 케이싱 조립체를 선체 후미 설치공간에 설치하는 방법을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 추진장치의 반전베벨기어와 케이싱 조립체의 측면도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 추진장치의 제1밀봉장치 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 추진장치의 제1밀봉장치 분해 사시도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 추진장치의 제2밀봉장치 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 날개각 조절 장치가 적용된 후방프로펠러의 일부 단면도이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 후방프로펠러의 날개각을 조절하는 방법을 도시한다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 날개각 조절 장치를 이용하여 날개각을 조절하는 예를 도시한다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 유체압송장치의 블록도이다.

이하에서는 본 발명의 실시 예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 추진장치는 선체(1)의 후미(3)에 설치되며 2개의 프로펠러(20,30)가 상호 반대로 회전하면서 추진력을 발생시키는 이중반전 추진장치이다. 여기서 선체(1)의 후미(3)라 함은 두 프로펠러(20,30)가 설치된 구동축(10)을 지지하기 위해 선체(1)로부터 후방을 향하여 유선형으로 돌출된 부분, 즉 스턴보스(Stern boss)를 의미한다.

도 2 에 도시한 바와 같이, 추진장치는 선체(1) 내부로부터 선체 후미(3)를 통하여 외측으로 연장된 구동축(10), 구동축(10)의 후단 쪽에 고정된 후방프로펠러(20), 후방프로펠러(20) 전방의 구동축(10)에 회전 가능하게 지지된 전방프로펠러(30), 구동축(10)의 회전을 전방프로펠러(30)로 반전시켜 전달하기 위한 반전회전장치(70)를 구비한다.

구동축(10)은 선체(1) 내부에 설치된 구동원(엔진, 모터, 터빈 등)(미도시)과 연결되고 선체(1)의 후미(3)를 관통하여 선체 외부로 연장된다. 이러한 구동축(10)은 구동원에 의해 회전하면서 그 후단부에 고정된 후방프로펠러(20)를 회전시킨다.

또 구동축(10)은 도 2에 도시한 바와 같이, 그 외측에 반전회전장치(70), 전방프로펠러(30), 후방프로펠러(20)를 순차적으로 설치하기 위해 외면이 다단형으로 마련된다. 반전회전장치(70)가 설치되는 부분에 제1단차부(12)를 갖는 플랜지부(11)가 마련되고, 전방프로펠러(30)의 장착을 위해 플랜지부(11) 후방에 제1단차부(12)보다 작은 외경으로 제2단차부(13)가 마련된다. 또 후방프로펠러(20)의 장착을 위해 제2단차부(13) 후방에 후방으로 갈수록 외경이 축소되는 형태로 테이퍼부(14)가 형성된다. 플랜지부(11)는 구동축(10)과 일체로 마련되거나 별도로 제작된 후 구동축(10) 외면에 압입 고정되는 방식으로 설치될 수 있다.

후방프로펠러(20)는 구동축(10)의 후미부분에 고정되는 허브(21)와, 허브(21)의 외면에 마련된 복수의 날개(22)를 포함한다. 후방프로펠러(20)는 허브(21) 중심부에 형성된 축결합공(23)이 구동축(10)의 테이퍼부(14) 외면에 압입됨으로써 구동축(10)에 고정된다. 또 구동축(10) 후단부에 고정너트(24)가 체결됨으로써 구동축(10)에 더욱 견고히 고정된다. 이러한 결합을 위해 허브(21)의 축결합공(23)은 구동축(10)의 테이퍼부(14) 외면과 대응하는 형상으로 마련될 수 있다. 도 2에서 부호 25는 후방프로펠러 허브(21) 후면과 구동축(10) 후단 및 후술할 작동축(226)의 일부를 덮도록 후방프로펠러 허브(21)에 장착되는 프로펠러캡이다.

전방프로펠러(30)는 후방프로펠러(20)로부터 전방으로 소정간격 이격된 위치의 구동축(10)에 회전 가능하게 설치된다. 전방프로펠러(30)는 구동축(10)에 회전 가능하게 지지되는 허브(31)와, 허브(31)의 외면에 마련된 복수의 날개(32)를 포함한다. 이러한 전방프로펠러(30)는 후방프로펠러(20)와 반대로 회전하는 것이므로 날개각이 후방프로펠러(20)의 날개각과 반대이다.

전방프로펠러(30)의 허브(31)는 그 중심부가 레이디얼베어링(51)에 의해 회전 가능하게 지지되고, 그 양측이 전방스러스트베어링(52)과 후방스러스트베어링(53)에 의해 각각 회전 가능하게 지지된다. 전방스러스트베어링(52)은 내륜이 구동축(10)의 제2단차부(13) 턱에 걸려 지지되고, 외륜이 허브(31)의 전방베어링지지부(33)에 지지된다. 후방스러스트베어링(53)은 내륜이 구동축(10)의 외면에 장착되는 지지링(60)에 의해 축방향으로 밀리지 않도록 지지되고, 외륜이 허브(31)의 후방베어링지지부(34)에 지지된다.

레이디얼베어링(51)이 구동축(10)의 반경방향으로 작용하는 전방프로펠러(30)의 레이디얼 하중을 감당하고, 전방 및 후방스러스트베어링(52,53)이 구동축(10)에 전후 축방향으로 각각 작용하는 스러스트 하중을 감당할 수 있도록 한 것이다. 특히 전방스러스트베어링(52)은 선박의 전진 시 전방프로펠러(30)로부터 선수 쪽으로 작용하는 스러스트 하중을 감당하고, 후방스러스트베어링(53)은 선박의 후진 시 전방프로펠러(30)로부터 선미 쪽으로 작용하는 스러스트 하중을 감당한다.

전방프로펠러(30)의 허브(31)에는 전방 및 후방베어링지지부(33,34)가 마련되는 위치에 각각 보강부재(41,42)가 설치될 수 있다. 전방스러스트베어링(52)과 후방스러스트베어링(53)이 설치되는 부분에 각각 보강부재(41,42)를 설치함으로써 허브(31)의 강성이 커지도록 한 것이다. 이러한 보강부재(41,42)는 허브(31)보다 강성이 높은 강철소재로 마련될 수 있다. 같은 방식으로 후방프로펠러(20)의 허브(21) 전면에도 지지링(60)과 접하는 부분에 보강부재(43)가 마련될 수 있다.

여기서, 전방프로펠러(30) 및 후방스러스터베어링(53)을 구동축(10)에 설치한 다음, 후방프로펠러(20) 허브(21)를 압입방식으로 구동축(10)에 결합한 상태에서, 후방프로펠러 허브(21)와 후방스러스터베어링(53) 사이에 지지링(60)이 설치될 수 있다.

이러한 지지링(60) 설치방식은 후방프로펠러(20)를 구동축(10)에 압입방식으로 설치할 경우 환경에 따라 후방프로펠러의 결합 오차가 생겨 후방스러스트베어링(53)과 후방프로펠러 허브(21) 사이 간격을 정확히 유지하기 어려운 점을 감안한 것이다. 따라서 후방프로펠러(20)를 먼저 조립한 후 후방스러스트베어링(53)과 후방프로펠러 허브(21) 사이의 간격을 측정하고 이에 부합하도록 지지링(60)을 제작하여 구동축(10)에 장착함으로써 정확한 결합을 구현할 수 있다.

반전회전장치(70)는 도 2에 도시한 바와 같이, 전방프로펠러(30)의 허브(31)와 인접하는 선체(1)의 후미(3)에 설치된다. 이를 위해 선체 후미(3)에는 반전회전장치(70)를 수용할 수 있는 설치공간(4)이 마련된다. 설치공간(4)은 그 중심이 구동축(10)의 중심과 일치하는 원통형태로 마련될 수 있고, 전방프로펠러 허브(31)와 대면하는 후방이 개방된 형태이다.

반전회전장치(70)는 도 2에 도시한 바와 같이, 구동축(10)과 함께 회전하도록 구동축(10)의 플랜지부(11)에 고정된 구동베벨기어(71), 구동베벨기어(71)와 대면하는 형태로 전방프로펠러(30)의 허브(31) 전면에 고정된 피동베벨기어(72), 구동베벨기어(71)의 회전을 피동베벨기어(72)로 반전시켜 전달하는 복수의 반전베벨기어(73)를 구비한다. 또 복수의 반전베벨기어 축(74)을 지지하기 위해 반전베벨기어(73)의 외측을 포위하는 형태로 설치되는 원통형 케이싱(75)을 포함한다.

구동베벨기어(71)는 플랜지부(11)의 제1단차부(12)에 지지된 상태에서 복수의 고정볼트(71a)가 체결됨으로써 플랜지부(11)에 고정된다. 피동베벨기어(72)는 그 후면이 전방프로펠러 허브(31)에 접한 상태에서 역시 복수의 고정볼트(72a)가 체결됨으로써 허브(31)에 고정된다. 또 피동베벨기어(72)는 회전 시 마찰이 발생하지 않도록 그 내경부분이 구동축(10) 외면과 이격된다. 도 2는 피동베벨기어(72)가 고정볼트(72a) 체결에 의해 결합되는 방식을 도시하였으나, 피동베벨기어(72)는 전방프로펠러 허브(31)에 용접되거나 전방프로펠러 허브(31)와 일체로 마련될 수도 있다.

복수의 반전베벨기어(73)는 구동베벨기어(71)와 피동베벨기어(72) 사이에 각각 이물림 상태로 개재된다. 각 반전베벨기어(73)를 지지하는 축(74)은 구동축(10)과 교차하는 방향으로 형성되고 구동축(10)을 중심으로 방사형으로 배치될 수 있다.

또 반전베벨기어 축(74)은 도 2와 도 4에 도시한 바와 같이, 외측에 위치하는 단부가 케이싱(75)의 내면에 볼트체결이나 용접에 의해 고정될 수 있다. 각 반전베벨기어(73)와 이를 지지하는 축(74) 사이에는 반전베벨기어(73)의 원활한 회전을 위해 베어링(73a)이 설치될 수 있다.

본 실시 예는 반전베벨기어(73)가 복수로 구성된 경우를 예시하였으나, 반전베벨기어(73)는 구동베벨기어(71)의 회전을 반전시켜 피동베벨기어(72)로 전달할 수 있으면 될 것이므로, 반드시 복수일 필요는 없다. 구동부하가 크지 않은 소형선박의 경우에는 하나의 반전베벨기어만으로도 그 기능을 구현할 수 있을 것이다.

또한, 반전베벨기어들(73)은 도 3과 도 4에 도시한 바와 같이, 축(74)에 의해 케이싱(75) 내면에 장착된 상태에서 케이싱(75)과 함께 설치공간(4)으로 진입되는 방식으로 설치될 수 있다. 이를 위해 케이싱(75) 외면에는 설치를 안내하고 설치 후 케이싱(75)의 회전을 제한하기 위해 구동축(10)의 축선방향으로 형성되며 그 외면으로부터 돌출된 하나 이상의 결합레일(76)이 마련된다. 그리고 설치공간(4) 내면에는 결합레일(76)이 대응하여 결합될 수 있는 하나 이상의 결합홈(77)이 형성된다. 이는 반전베벨기어들(73), 축(74), 케이싱(75)이 하나의 조립체를 이루어 함께 결합될 수 있도록 하여 설치가 용이하도록 하기 위함이다.

이러한 반전회전장치(70)는 구동베벨기어(71)의 회전을 복수의 반전베벨기어(73)가 반전시켜 피동베벨기어(72)로 전달하므로 피동베벨기어(72)와 구동베벨기어(71)의 상반된 회전이 가능하다. 따라서 피동베벨기어(72)에 직결된 전방프로펠러(30)와 구동축(10)에 직결된 후방프로펠러(20)의 상반된 회전을 구현할 수 있다.

또 본 실시 예의 반전회전장치(70)는 복수의 베벨기어들(71,72,73)을 통해 반전을 구현하는 형태이므로 종래 유성기어식 반전회전장치에 비하여 그 부피를 줄일 수 있다. 따라서 선체 후미의 부피를 크게 하지 않으면서도 선체의 후미(3)에 장착하는 것이 가능하다. 또 반전회전장치(70)를 선체의 후미(3)에 장착할 수 있게 됨으로써 피동베벨기어(72)와 전방프로펠러 허브(31)의 직결이 가능하다.

특히 본 실시 예는 반전회전장치(70)를 설치할 때 피동베벨기어(72)의 후면과 전방프로펠러 허브(31) 전면이 대면하도록 할 수 있고, 피동베벨기어(72)와 허브(31)의 회전중심을 일치시킬 수 있기 때문에 피동베벨기어(72)와 전방프로펠러 허브(31)를 직접 연결시키는 것이 가능하다. 따라서 종래와 다르게 외축을 사용하지 않고서도 전방프로펠러(30)로 동력을 전달하는 것이 가능하다. 또 외축이 없기 때문에 종래보다 구동축(10)의 마찰요인을 감소시킬 수 있어 종래보다 윤활영역을 줄일 수 있다. 뿐만 아니라 외축이 없기 때문에 구동축(10)을 설치하는 작업 및 설치 후 축의 중심을 정렬하는 작업도 용이하게 수행할 수 있다.

통상의 유성기어식 반전회전장치는 피스톤축에 설치되는 태양기어, 태양기어 외측에 설치되는 유성기어, 유성기어 외측에 설치되는 원통형의 내접기어를 포함하기 때문에 그 부피가 상대적으로 크다. 또 유성기어식 반전회전장치는 최외곽에 배치되는 내접기어가 회전해야 하기 때문에 그 외측의 케이싱까지 고려하면 부피가 매우 커질 수 밖에 없다. 따라서 이를 본 실시 예의 경우처럼 선체의 후미에 설치하기란 어려운 문제다. 설령 선체 후미에 설치한다 하더라도 선체 후미의 크기를 키워야 하는 문제가 생기고, 원통형 내접기어로부터 전방프로펠러로 동력을 전달하기 위해 종래의 외축에 상당하는 중공축을 사용해야 한다. 결국 본 실시 예처럼 구성을 단순화하면서 부피를 줄이기는 어렵다.

한편, 본 실시 예의 추진장치는 도 2에 도시한 바와 같이, 구동축(10)의 지지를 위해 반전회전장치(70)와 인접한 전방의 구동축(10)과 선체(1) 사이에 설치된 레이디얼베어링(55)을 구비한다. 이 레이디얼베어링(55)은 반전회전장치 직전에서 구동축(10)을 지지함으로써 반전회전장치(70)의 원활한 동작을 구현하는데 기여한다. 즉 레이디얼베어링(55)이 구동축(10)의 반경방향 진동이나 흔들림을 방지함으로써 구동베벨기어(71)와 반전베벨기어(73) 사이의 이물림 및 반전베벨기어(73)와 피동베벨기어(72) 사이의 이물림이 정확히 유지되도록 할 수 있다.

또 본 실시 예의 추진장치는 도 2에 도시한 바와 같이, 선체 후미(3)와 전방프로펠러 허브(31) 사이를 밀봉하여 해수(또는 민물)나 이물질의 침입을 방지하는 제1밀봉장치(90)와, 같은 목적으로 전방프로펠러 허브(31)와 후방프로펠러 허브(21) 사이를 밀봉하는 제2밀봉장치(110)를 구비한다.

제1밀봉장치(90)는 도 5에 도시한 바와 같이, 전방프로펠러 허브(31)의 전면에 설치된 원통형 제1라이닝(91)과, 제1라이닝(91)의 외면에 접하도록 제1라이닝(91)의 외면을 덮으며 그 일단이 선체 후미(3)에 고정된 원통형 제1밀봉부재(92)를 포함한다.

제1밀봉부재(92)는 제1라이닝(91)과 대면하는 내면에 상호 이격되게 설치되어 제1라이닝(91)의 외면과 접하는 복수의 패킹(93a,93b,93c)과, 이들 패킹(93a,93b,93c) 사이의 홈으로 밀봉을 위한 유체를 공급하는 유로(95)를 구비한다. 제1밀봉부재(92)의 유로(95)는 소정의 압력을 가진 윤활유가 공급될 수 있도록 선체(1)에 마련된 윤활유 공급유로(96)와 연결될 수 있다. 압력을 가진 윤활유가 각 패킹(93a,93b,93c) 사이의 홈으로 공급되어 각 패킹(93a,93b,93c)을 제1라이닝(91) 쪽으로 가압하여 밀착시킴으로써 해수나 이물질의 침입을 방지할 수 있도록 한 것이다.

또 제1라이닝(91)은 도 6에 도시한 바와 같이, 구동축(10)에 전방프로펠러(30)를 설치한 후에 장착이 가능하도록 양측이 반원형으로 분할된 제1부재(91a)와 제2부재(91b)로 구성될 수 있다. 그리고 제1 및 제2부재(91a,91b)의 상호 분할된 부분(91c)에는 이들이 상호 결합될 때 밀봉이 이루어질 수 있도록 패킹(91d)이 개재될 수 있다.

또 제1부재(91a)의 분할된 부분(91c) 자유단 쪽에는 한 쪽으로부터 반대편으로 돌출하는 제1결속부(91e)가 마련되고, 그 반대편 제2부재(91b)에는 대응하여 결합되는 제2결속부(91f)가 마련되며, 여기에는 고정볼트(91g)가 체결됨으로써 양측이 상호 견고한 결합을 이루도록 할 수 있다. 전방프로펠러 허브(31)에 고정되는 플랜지부(91h)에는 다수의 고정볼트(91i)가 체결됨으로써 허브(31)에 견고히 고정될 수 있다.

제1밀봉부재(92)의 경우도 반원형으로 제작된 다수의 링(92a,92b,92c)을 제1라이닝(91) 외측에서 구동축(10)의 길이방향으로 적층시켜 고정하는 방식일 수 있다. 이 경우 다수의 링(92a,92b,92c)은 볼트 체결이나 용접에 의해 상호 결속될 수 있다.

제2밀봉장치(110)는 도 7에 도시한 바와 같이, 후방프로펠러 허브(21)의 전면에 설치된 원통형 제2라이닝(111)과, 제2라이닝(111)의 외면과 접하도록 제2라이닝(111) 외면을 덮으며 그 일단이 전방프로펠러 허브(31) 후면에 고정된 원통형 제2밀봉부재(112)를 포함한다. 제2밀봉부재(112) 역시 제1밀봉부재(92)와 마찬가지로 내면에 설치된 복수의 패킹(113a,113b,113c)과, 이들 패킹 사이의 홈으로 유체를 공급하는 유로(115)를 구비한다.

제2밀봉부재(112)의 유로(115)는 선체(1)에 마련된 윤활유 공급유로(120)와 연결될 수 있다. 이를 위해 구동축(10)과 지지링(60)에는 윤활유 공급유로(120)와 제2라이닝(111)의 내측공간(122)을 연결시키는 반경방향의 제1연결유로(121)가 형성되고, 전방프로펠러 허브(31) 후면의 보강부재(42)에는 제2라이닝(111)의 내측공간(122)과 제2밀봉부재(112)의 유로(115)를 연결하는 제2연결유로(123)가 형성될 수 있다. 구동축(10) 중심부로부터 제2밀봉부재(112) 쪽으로 밀봉을 위한 윤활유가 공급되어 패킹들(113a,113b,113c)을 가압하고, 이를 통해 밀봉을 구현할 수 있도록 한 것이다.

제2라이닝(111)과 제2밀봉부재(112)도 제1밀봉장치(90)의 제1라이닝(91)과 제1밀봉부재(92)와 마찬가지로 각각 반원형으로 제작됨으로써 후방프로펠러(20)와 지지링(60)의 설치 후에 결합하는 방식일 수 있다.

다음은 본 실시 예에 따른 추진장치의 동작을 설명한다.

추진장치는 선체(1) 내부 구동원의 동작에 의해 구동축(10)이 회전하면, 구동축(10) 후단부에 직결된 후방프로펠러(20)가 구동축(10)과 동일한 방향으로 함께 회전한다. 동시에 반전회전장치(70)의 구동베벨기어(71)도 구동축(10)에 고정된 상태이므로 구동축(10)과 함께 회전한다. 구동베벨기어(71)의 회전은 복수의 반전베벨기어(73)에 의해 반전되어 피동베벨기어(72)로 전달되므로 피동베벨기어(72)가 구동축(10)과 반대로 회전한다. 따라서 피동베벨기어(72)와 직결된 전방프로펠러(30)는 후방프로펠러(20)와 반대로 회전한다.

상호 반대로 회전하는 전방프로펠러(30)와 후방프로펠러(20)는 날개각이 서로 반대이기 때문에 동일한 방향으로 추진수류를 발생시킨다. 즉 선박이 전진할 때는 후방으로 추진수류를 발생시키고, 선박이 후진할 때는 각각 역으로 회전하면서 전방으로 추진수류를 발생시킨다. 또 전진할 때 발생하는 추진수류는 전방프로펠러(30)를 거친 유체의 회전에너지를 후방프로펠러(20)가 역으로 회전하면서 추진력으로 회수하므로 추진성능이 향상된다. 후진할 때도 마찬가지다.

전방프로펠러(30)는 전진할 때 후방으로 추진수류를 발생시키므로 이에 상당하는 반력을 받는다. 이 힘은 전방스러스트베어링(52)을 통해 구동축(10)으로 전달되어 추진력으로 작용한다. 후방프로펠러(20)도 전진할 때 후방으로 추진수류를 발생시키므로 반력을 받게 되는데, 이 힘 역시 직결된 구동축(10)으로 전달되어 추진력으로 작용한다.

선박이 후진할 때는 전방프로펠러(30)의 추진력(반력)이 후방스러스트베어링(53)을 통해 구동축(10)으로 전달되고, 후방프로펠러(20)의 추진력 역시 직결된 구동축(10)으로 전달된다. 결국 본 실시 예의 추진장치는 선박이 전진할 때와 후진할 때 전방프로펠러(30)와 후방프로펠러(20)의 동작에 의해 생기는 추진력이 모두 구동축(10)을 통하여 선체(1)로 전달된다.

한편, 도 1, 도 2, 도 8에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 날개각 조절 장치를 이용하여 후방프로펠러(20)의 날개각(또는 피치각)을 조절할 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 날개각 조절 장치는 후방프로펠러(20)의 날개(22) 하단부에 고정된 날개 회전부(230), 날개 회전부(230)를 회전시키는 작동축(226), 유체를 흡입하고 토출하면서 피스톤(221a)을 이동시켜 작동축(226)을 동작시키는 실린더(220), 실린더(220)로 유체를 흡입 및 토출시키는 유체압송장치(210)를 포함한다.

날개 회전부(230)는 후방프로펠러(20)의 날개(22) 하단부에 고정되고, 날개 회전부(230)의 회전에 의해 후방프로펠러(20)의 날개각이 조절된다. 이러한 날개 회전부(230)는 후방프로펠러(20) 중심축(X’)에 편심되게 마련된 편심 돌기(231)를 포함한다. 예컨대 날개 회전부(230)는 도 9에 도시한 바와 같이, 후방프로펠러(20)의 날개(22)가 고정되는 원형판 형태로 마련될 수 있다. 날개 회전부(230)는 후방프로펠러(20)의 날개(22) 하단부에 고정되고, 원주 방향으로 회전이 가능하다. 이때 편심 돌기(231)는 후방프로펠러(20) 중심축(X’)에 편심되게 날개 회전부(230) 하면에 돌출 형성될 수 있다.

도 8과 도 9에 도시한 바와 같이, 작동축(226)은 편심 돌기(231)를 밀거나 당겨 날개 회전부(230)를 회전시켜 후방프로펠러(20)의 날개각이 변환되도록 한다. 여기서, 작동축(226)은 후술할 피스톤축(223)에 교차되는 방향으로 설치된 제1작동축(226a)과 제1작동축(226a)에 연결되고 후방프로펠러(20)의 허브(21) 후면을 관통하여 편심 돌기(231)에 결합되는 제2작동축(226b)을 포함할 수 있다. 이때, 제2작동축(226b)은 단부에 편심 돌기(231)에 결합되는 헤더(227)를 마련할 수 있다. 이러한 작동축(226)은 한번 이상 절곡 연장된 일체형으로 제작될 수도 있다.

실린더(220)는 도 8에 도시한 바와 같이, 제1실(221) 및 제2실(222)로 유체를 흡입 및 토출한다. 이때, 실린더(220)내에 설치된 피스톤(221a)은 흡입 및 토출하는 유체의 흐름방향에 따라 왕복운동을 하며 구동축(10) 후미를 관통하여 연장된 피스톤축(223)을 동작시킨다. 피스톤축(223)은 피스톤(221a)의 동작에 따라 왕복운동을 하며 작동축(226)을 동작시킨다. 여기서 피스톤축(223)은 직선왕복운동을 할 수 있고, 작동축(226)도 피스톤축(223)의 동작에 따라 직선왕복운동을 할 수 있다.

예컨대, 도 10에 도시한 바와 같이, 실린더(220)가 실선 화살표 방향으로 제1실(221)로 유체를 흡입하고 제2실(222)로 유체를 토출할 경우, 피스톤(221a)은 피스톤축(223)을 구동축(10) 후방 쪽으로 밀어준다. 밀려난 피스톤축(223)에 의해 작동축(226)도 구동축(10) 후방 쪽으로 밀려나게 된다. 이때 작동축(226)이 편심 돌기(231)를 중심축(X’)을 기준으로 좌측 방향으로 당겨, 날개 회전부(230)의 회전과 함께 후방프로펠러(20)의 날개(22)가 중심축(X’)을 기준으로 좌측 방향으로 회전되면서 후방프로펠러(20)의 날개각이 변환된다. 반면, 도 8에 도시한 바와 같이, 실린더(220)가 파선 화살표 방향으로 제2실(222)로 유체를 흡입하고 제1실(221)로 유체를 토출할 경우에는, 그 반대로 동작하여 후방프로펠러(20)의 날개각이 반대 방향으로 변환된다.

이와 같이, 피스톤(221a)의 왕복운동이 작동축(226)에 전달되면, 작동축(226)이 편심 돌기(231)를 밀거나 당기게 되고, 편심 돌기(231)에 의해 후방프로펠러(20)의 날개(22) 하단부에 설치된 날개 회전부(230)가 회전하면서 날개 회전부(230)에 고정된 후방프로펠러(20)의 날개각이 변환된다.

유체압송장치(210)는 도 8과 도 11에 도시한 바와 같이, 후방프로펠러(20)의 날개각을 변환(증감)시키기 위해 상술한 실린더(220)의 제1실(221) 및 제2실(222)로 유체를 흡입 및 토출시킨다. 즉, 유체압송장치(210)는 실린더(220)의 제1실(221)로 유체를 흡입시키고 실린더(220)의 제2실(222)로 유체를 토출시키거나, 실린더(220)의 제2실(222)로 유체를 흡입시키고 실린더(220)의 제1실(221)로 유체를 토출시켜 후방프로펠러의 날개각이 변환되도록 한다. 이를 위해, 유체압송장치(210)는 저장탱크(212), 펌프(214), 유로전환장치(216), 제어부(218) 및 측정부(219)를 포함한다.

저장탱크(212)는 유체를 저장하고, 펌프(214)는 저장탱크(212)로부터 유체를 흡입하여 압축하고 이를 유로전환장치(216)로 공급한다. 이때, 펌프(214)는 유량과 유압을 조절하여 유체를 유로전환장치(216)로 공급할 수 있다. 예컨대 펌프(214)의 동작 또는 회전수가 빠를수록 유체의 흡입량 및 토출량이 증가하게 된다.

유로전환장치(216)는 후방프로펠러(20)의 날개각 변환을 위해 펌프(214)로부터 공급된 유체의 흡입경로와 토출경로를 변경한다. 즉 유로전환장치(216)는 펌프(214)로부터 공급된 유체의 흡입경로와 토출경로를 변경하여 유체의 흐름방향을 변경할 수 있다. 이를 위해 유로전환장치(216)는 실린더(220)의 제1실(221) 및 제2실(222)에 각각의 연결유로(224, 225)로 연결될 수 있으며, 하나 이상의 제어 밸브를 구비할 수 있다.

제어부(218)는 선박의 운항속도(선속), 구동원(엔진, 모터, 터빈 등)의 토오크 및 회전수 중 하나 이상에 기초하여 펌프(214) 및 유로전환장치(216) 중 하나 이상의 동작을 제어하여 후방프로펠러(20)의 날개각이 증감되도록 한다. 제어부(218)는 펌프(214)를 제어하여 유량과 유압을 조절하고, 유로전환장치(216)를 제어하여 유체의 흐름방향을 조절하는 방법으로 후방프로펠러(20)의 날개각을 증감시킬 수 있다. 유량과 유압이 증가할수록 피스톤(221a)의 이동폭이 커져 후방프로펠러(20)의 날개각이 더 크게 변화될 수 있다. 또, 유체의 흐름방향에 따라 피스톤(221a)의 이동 방향이 달라져 후방프로펠러(20)의 날개(22)의 회전 방향이 변환될 수 있다.

이러한 제어부(218)는 선박의 운항속도, 구동원의 토오크 및 회전수 중 하나 이상의 측정값과 설정값(임계 범위)을 비교하고, 비교 결과를 기초로 펌프(214) 및 유로전환장치(216) 중 하나 이상을 제어하여, 결과적으로 상술한 날개 회전부(230)를 회전시켜 후방프로펠러(20)의 날개각을 변환시킬 수 있다. 통상적으로 날개각이 증가할 경우에는 날개에 의한 양력도 증가하여 추력과 선속이 증가하고 구동원의 회전수는 감소한다. 날개각이 감소할 경우에는 그 반대로 추력과 선속이 감소하고 구동원의 회전수는 증가한다.

예컨대, 제어부(218)는 측정값 중 상술한 운항속도나 엔진 토오크가 설정값을 초과했거나 엔진 회전수가 설정값에 미달한 경우에 후방프로펠러(20)의 날개각이 감소하도록 펌프(214) 및 유로전환장치(216) 중 하나 이상의 동작을 제어할 수 있다. 또한, 제어부(218)는 측정값 중 운항속도나 엔진 토오크가 설정값에 미달했거나 엔진 회전수가 설정값을 초과한 경우에 후방프로펠러(20)의 날개각이 증가하도록 펌프(214) 및 유로전환장치(216) 중 하나 이상의 동작을 제어할 수 있다.

이와 같이, 제어부(218)는 상술한 측정값이 설정값과 차이를 보이는 경우에 후방프로펠러(20)의 날개각을 제어하여, 엔진 등의 구동원의 마력을 일정하게 유지하면서 추력, 선속과 회전수 등을 효과적으로 조절할 수 있게 된다. 또한 이를 통해 두 프로펠러의 부하 배분을 조절할 수 있게 되어, 프로펠러의 날개각을 조절하는 장점뿐 아니라 운항 상황별 최적 부하 조합을 통해 추진 효율을 향상시키고 추진장치의 기어 시스템 등의 안정성을 높일 수 있게 된다.

측정부(219)는 선박의 운항속도, 구동원의 토오크 및 회전수 중 하나 이상을 측정하여 측정된 값을 제어부(218)로 전달한다. 이러한 측정부(219)는 선박의 운항속도, 구동원의 토오크 및 회전수 중 하나 이상을 측정하기 위한 하나 이상의 센서를 구비할 수 있다.

1: 선체, 3: 선체의 후미,
4: 설치공간, 10: 구동축,
20: 후방프로펠러, 30: 전방프로펠러,
41,42: 보강부재, 51,55: 레이디얼베어링,
52: 전방스러스트베어링, 53: 후방스러스트베어링,
60: 지지링, 70: 반전회전장치,
71: 구동베벨기어, 72: 피동베벨기어,
73: 반전베벨기어, 75: 케이싱,
90: 제1밀봉장치, 110: 제2밀봉장치,
210: 유체압송장치, 212: 저장탱크,
214: 펌프, 216: 유로전환장치,
218: 제어부, 219: 측정부,
220: 실린더, 221a: 피스톤,
223: 피스톤축, 226: 작동축,
227: 헤더, 230: 날개 회전부,
231: 편심 돌기.

Claims (11)

1. 구동축에 회전 가능하게 지지된 전방프로펠러;
   상기 전방프로펠러 후방의 상기 구동축에 고정된 후방프로펠러;
   상기 후방프로펠러의 날개 하단부에 고정되며, 상기 후방프로펠러의 중심축에 편심되게 마련된 편심 돌기를 포함하는 날개 회전부;
   상기 편심 돌기를 밀거나 당겨 상기 날개 회전부를 회전시키는 작동축;
   제1실 및 제2실로 유체를 흡입하고 토출하면서 피스톤을 이동시켜 상기 작동축을 동작시키는 실린더; 및
   선박의 운항속도, 구동원의 토오크 및 회전수 중 하나 이상에 기초하여, 상기 날개 회전부를 회전시켜 상기 후방프로펠러의 날개각을 변환시키는 제어부;를 포함하는 선박용 추진장치.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 유체를 압축하여 공급하는 펌프와,
   상기 실린더의 제1실과 제2실에 각각 연결유로로 연결되고, 상기 연결유로를 통해 상기 실린더의 제1실과 제2실에 흡입되고 토출되는 상기 유체의 흡입경로와 토출경로를 변경하는 유로전환장치를 더 포함하는 선박용 추진장치.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 제어부는
   상기 선박의 운항속도, 구동원의 토오크 및 회전수 중 하나 이상의 측정값과 설정값을 비교하고, 상기 비교 결과를 기초로 상기 펌프 및 상기 유로전환장치 중 하나 이상의 동작을 제어하여 상기 후방프로펠러의 날개각을 증감시키는 것인 선박용 추진장치.
   
6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
   상기 제어부는
   상기 측정값 중 상기 운항속도나 상기 토오크가 상기 설정값을 초과하거나 상기 회전수가 상기 설정값에 미달한 경우에 상기 후방프로펠러의 날개각이 감소되거나, 상기 측정값 중 상기 운항속도나 상기 토오크가 상기 설정값에 미달하거나 상기 회전수가 상기 설정값을 초과한 경우에 상기 후방프로펠러의 날개각이 증가되도록, 상기 펌프 및 상기 유로전환장치 중 하나 이상의 동작을 제어하는 것인 선박용 추진장치.
   
7. 제 1 항, 제 4 항 및 제 5 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
   상기 구동축의 회전을 상기 전방프로펠러로 반전시켜 전달하는 반전회전장치를 더 포함하고, 상기 반전회전장치는 상기 구동축에 고정된 구동베벨기어, 상기 전방프로펠러의 허브에 고정된 피동베벨기어, 상기 구동베벨기어의 회전을 상기 피동베벨기어로 반전시켜 전달하는 하나 이상의 반전베벨기어를 포함하는 선박용 추진장치.
   
8. 구동축에 회전 가능하게 지지된 전방프로펠러와 상기 전방프로펠러 후방의 상기 구동축에 고정된 후방프로펠러를 상호 반전시키는 선박의 추진방법에 있어서,
   (a) 선박의 운항속도, 구동원의 토오크 및 회전수 중 하나 이상의 측정값과 설정값을 비교하는 단계; 및
   (b) 상기 비교 결과를 기초로 상기 후방프로펠러의 날개각을 변환시키는 단계;
   를 포함하는 선박의 추진방법.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 구동원은 엔진, 모터 및 터빈 중 하나 이상을 포함하는 선박의 추진방법.
   
10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 (b) 단계는
    상기 측정값 중 상기 운항속도나 상기 토오크가 상기 설정값을 초과하거나 상기 회전수가 상기 설정값에 미달한 경우에 상기 후방프로펠러의 날개각이 감소되거나, 상기 측정값 중 상기 운항속도나 상기 토오크가 상기 설정값에 미달하거나 상기 회전수가 상기 설정값을 초과한 경우에 상기 후방프로펠러의 날개각이 증가되도록 하는 선박의 추진방법.
    
11. 제 8 항에 있어서,
    상기 (b) 단계는
    상기 비교 결과를 기초로 실린더의 제1실과 제2실로 흡입되고 토출되는 유체의 흐름 방향을 결정하는 단계와,
    상기 제1실 및 제2실로 흡입되고 토출되는 상기 유체를 이용하여 상기 실린더의 피스톤을 이동시켜 상기 후방프로펠러 날개에 회전 가능하게 고정된 날개 회전부를 회전시키는 단계와,
    상기 날개 회전부의 회전에 기초하여 상기 후방프로펠러의 날개각을 변환시키는 단계를 포함하는 선박의 추진방법.

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