KR101323828B1 - 에너지 회수 장치를 구비한 선박 - Google Patents

에너지 회수 장치를 구비한 선박 Download PDF

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Abstract

에너지 회수 장치를 구비한 선박이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 회수 장치를 구비한 선박은, 선체; 상기 선체에 회전 가능하게 결합되고, 추력을 발생시키는 추진 프로펠러; 상기 선체의 진행 방향을 제어하도록 상기 추진 프로펠러의 후방에 배치된 러더; 상기 추진 프로펠러와 대향하도록 상기 러더에 회전 가능하게 결합되며, 상기 추진 프로펠러의 회전시 발생되는 후류에 의해 회전하는 발전 프로펠러; 상기 러더의 내부에 배치되며, 상기 발전 프로펠러의 회전축에 연결되어 전기를 생산하는 에너지 회수부; 및 상기 에너지 회수부의 후방에 배치되며, 상기 에너지 회수부의 발전기축에 결합되는 보조 추진 프로펠러를 포함할 수 있다.

Description

에너지 회수 장치를 구비한 선박 {SHIP HAVING ENERGY RECOVERY DEVICE}
본 발명은 에너지 회수 장치를 구비한 선박에 관한 것이다.
일반적으로 선박은 추진력을 발생시키는 추진기와 이 추진기로부터 발생된 추진력을 이용하여 선박의 진행방향을 조정하는 방향타를 포함한다.
추진기는 선체에 설치된 엔진과 이 엔진의 회전축과 연결되며 선체의 외측으로 돌출된 프로펠러를 포함하며, 이 프로펠러를 회전시킴에 따라 추진력을 발생시킨다.
이러한 프로펠러는 선체의 선미부 하부에 위치된다. 또한, 선체에는 프로펠러의 후방에서 선박의 진행방향을 조정하기 위한 방향타가 설치된다.
방향타는 선체에 대해 회전 가능하게 설치되며, 프로펠러로부터 발생된 추진력의 작용방향을 변경하여 선박의 진행방향을 조정한다.
일반적으로 선박의 추진기로 사용되는 프로펠러는 주 엔진에서 발생하는 동력의 70% 정도만을 선박을 운항하는 추력(thrust)으로 사용하고 나머지 동력은 프로펠러 마찰, 열 손실 및 프로펠러 후방의 회전류로 낭비되게 된다.
이중, 프로펠러 후방의 회전류에 의해 손실되는 에너지는 회수가 가능하며, 이러한 에너지를 회수하기 위한 기술 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 실시예는 추진 프로펠러의 회전시 발생하는 회전류를 이용하여 에너지를 회수할 수 있으며, 선박의 운항 안전성 및 조종운동 특성을 증가시키는 에너지 회수 장치를 구비한 선박을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 선체; 상기 선체에 회전 가능하게 결합되고, 추력을 발생시키는 추진 프로펠러; 상기 선체의 진행 방향을 제어하도록 상기 추진 프로펠러의 후방에 배치된 러더; 상기 추진 프로펠러와 대향하도록 상기 러더에 회전 가능하게 결합되며, 상기 추진 프로펠러의 회전시 발생되는 후류에 의해 회전하는 발전 프로펠러; 상기 러더의 내부에 배치되며, 상기 발전 프로펠러의 회전축에 연결되어 전기를 생산하는 에너지 회수부; 및 상기 에너지 회수부의 후방에 배치되며, 상기 에너지 회수부의 발전기축에 결합되는 보조 추진 프로펠러를 포함하는 에너지 회수 장치를 구비한 선박이 제공된다.
상기 러더에는 전방에서 유입되는 유체가 통과하도록 전단과 후단을 잇는 관통홀이 형성될 수 있으며, 상기 에너지 회수부는 상기 유체가 상기 관통홀을 통과하도록 상기 관통홀 내에 지지되어 배치될 수 있다.
상기 보조 추진 프로펠러는 상기 관통홀 내에 배치될 수 있다.
상기 러더는 러더 혼과 러더 블레이드를 포함하며, 상기 관통홀은 상기 러더 혼과 상기 러더 블레이드에 각각 형성되고, 상기 각각의 관통홀은 상기 러더 혼에 대해 상기 러더 블레이드가 러더 회동축을 기준으로 회전하더라도 상기 유체가 상기 러더 혼의 관통홀에서 상기 러더 블레이드의 관통홀로 흘러가도록 형성될 수 있다.
상기 에너지 회수부는, 상기 회전축의 회전속도를 증속하는 증속기와; 상기 증속기와 연결되어 전기를 생산하는 발전기를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 추진 프로펠러의 회전시 발생하는 회전류를 이용하여 에너지를 회수할 수 있으며, 상기 회수된 에너지를 이용하여 추가적인 추력을 냄으로써 선박의 운항 안전성 및 조종운동 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 회수 장치가 구비된 선박을 나타낸 측면도.
도 2는 도 1의 A-A단면을 개략적으로 나타낸 도면.
도 3은 도 1의 B-B단면을 개략적으로 나타낸 도면.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명에 따른 에너지 회수 장치를 구비한 선박을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 회수 장치를 구비한 선박(100)을 나타낸 측면도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 선박(100)은 선체(1), 추진 프로펠러(10), 러더(110), 발전 프로펠러(120), 에너지 회수부(130) 및 보조 추진 프로펠러(140)를 포함하여 구성될 수 있다.
본 실시예에 따른 선박(100)은 발전 프로펠러(120)를 이용하여 추진 프로펠러(10)의 회전시 발생하는 후류 중 버려지는 회전류의 에너지를 회수할 수 있으며 보조 추진 프로펠러(140)를 이용하여 선박(100)의 추력을 향상시킬 수 있다.
선체(1)에는 추진 프로펠러(10)가 회전 가능하게 결합될 수 있다. 추진 프로펠러(10)는 선체(1)를 추진시키기 위한 추력을 발생시키는 것으로, 선체(1)의 선미부에 배치될 수 있다.
추진 프로펠러(10)의 후방에 러더(110)가 배치될 수 있다. 러더(110)는 선체의 진행 방향을 제어하기 위한 것으로, 추진 프로펠러(10)의 후류에 대해 받음각을 가질 때 러더(110)의 몸체에 작용하는 양력의 수직성분을 회두력으로 이용하여 선박(100)의 진행방향을 조정한다.
본 실시예에 따른 러더(110)는, 도 1에 도시된 바와 같이 혼타 타입(horn rudder type)으로서, 추진 프로펠러(10)의 후방에 위치하도록 선체(1)에 결합되는 러더 혼(110a)과; 러더 혼(110a)에 회전 가능하게 결합되는 러더 블레이드(110b)를 포함하여 구성될 수 있다.
본 실시예와 같이 러더(110)가 혼타 타입인 경우, 후술할 관통홀(116)은 러더(110)의 전단(112)과 후단(114)을 잇도록 러더 혼(110a)과 러더 블레이드(110b) 각각에 형성될 수 있다.
도 2는 도 1의 A-A단면을 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 3은 도 1의 B-B단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 관통홀(116)은 러더(110)의 전방에서 유입되는 유체가 러더(110) 내부를 통과하도록 러더(110)의 전단(112)과 후단(114)을 관통하여 형성될 수 있다.
도 2에서도 알 수 있는 바와 같이, 러더 혼(110a)과 러더 블레이드(110b)가 이격되어 만나는 지점에서는 관통홀(116)이 연속되지 못하고 끊어지게 된다.
본 실시예에서는, 러더 블레이드(110b)에 형성된 관통홀(116)의 입구 부근의 유체 진입 경사도를 완만하게 함으로써, 도 3에 도시된 바와 같이 러더 혼(110a)에 대해 러더 블레이드(110b)가 러더 회동축을 기준으로 회전하더라도, 러더(110)의 전방에서 유입되는 유체가 러더 혼(110a)과 러더 블레이드(110b) 사이의 틈으로 빠져나가지 않고 도 3의 화살표와 같이 러더 혼(110a)의 관통홀(116)에서 러더 블레이드(110b)의 관통홀(116)로 자연스럽게 흘려가게 된다.
이렇게 형성된 관통홀(116)에는 후술할 에너지 회수부(130) 및 보조 추진 프로펠러(140)가 배치되며, 에너지 회수부(130)는 관통홀(116) 내로 연장되는 회전축(122)의 타단부에 연결되게 된다.
도 2를 참조하면, 발전 프로펠러(120)의 회전축(122)은 추진 프로펠러(10)의 회전 중심선(CP) 상에 배치될 수 있다.
발전 프로펠러(120)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 추진 프로펠러(10)와 대향하도록 러더(110)에 회전 가능하게 지지되는 회전축(122)의 일단부에 결합되며, 추진 프로펠러(10)의 회전 시 발생되는 후류에 의해 회전하게 된다.
회전축(122)의 일단부는 러더(110)의 내부에서 외측으로 돌출되어 추진 프로펠러(10)의 회전 중심선(CP) 상에 위치하며, 회전축(122)의 타단부는 러더(110)의 내부에 위치한다.
참고로, 추진 프로펠러(10)의 회전에 따라 그 후방에는 소용돌이 형태의 후류(즉, 회전류)가 발생하는데, 이러한 후류의 축방향 성분은 선체(1)의 추진에 사용되나, 후류의 회전성분은 선체(1)의 추진에 도움을 주지 못하고 버려지므로 그 에너지를 회수할 필요가 있다.
발전 프로펠러(120)는 이러한 회전류를 받아 회전되도록 설계될 수 있으며, 추진 프로펠러(10)의 회전 시 발생하는 회전류에 의해 회전하게 된다.
에너지 회수부(130)는 도 1에 도시된 바와 같이 러더(110)의 내부, 구체적으로 관통홀(116)의 내부에 위치하며, 발전 프로펠러(120)의 회전에 따라 회전하는 회전축(122)의 타단부에 연결되어 전기를 생성한다.
에너지 회수부(130)는 러더(110)의 전방에서 유입되는 유체가 관통홀(116)을 통과하도록 관통홀(116) 내에 지지될 필요가 있다. 이 경우, 관통홀(116)과 에너지 회수부(130) 사이에는 도 2에서 알 수 있듯이 에너지 회수부(130)가 관통홀(116) 내에 지지되도록 에너지 회수부(130)를 지지하는 지지부(117)가 설치될 수 있다.
이 경우, 에너지 회수부(130)와 관통홀(116) 사이에는 도넛 모양의 유로(118)가 형성되며, 상기 유로(118)를 통하여 러더(110)의 전방에서 유입된 유체(도 2의 화살표 참조)가 에너지 회수부(130)의 후방에 위치한 보조 추진 프로펠러(140)에 도달하게 된다.
즉, 에너지 회수부(130)와 관통홀(116) 간에 도넛 모양의 유로(118)가 형성됨으로써, 에너지 회수부(130)의 후방에 위치한 보조 추진 프로펠러(140)는 러더(110)의 전방에서 관통홀(116) 내의 유로(118)를 통해 유입된 유체를 회전시켜 관통홀(116)의 후방으로 분출하는 워터젯(water-jet)을 발생시키며, 이는 선박(100)의 추력으로 작용한다.
보조 추진 프로펠러(140)는, 발전 프로펠러(120)의 회전 에너지를 에너지 회수부(130)를 통해 전기 에너지로 변환하고 남은 잔존 에너지, 즉 발전기(미도시)의 발전기축(미도시)의 에너지를 이용하여 회전하는 장치이다.
이렇게 발전기의 발전기축이 회전할 때의 회전 에너지를 이용하여 보조 추진 프로펠러(140)를 회전시킴으로써, 관통홀(116) 내에서 추가적인 추력을 발생시킬 수 있다.
이렇게 발전 프로펠러(120)가 회전할 때마다 발전기(미도시)를 돌리고 남은 에너지로 회전하는 보조 추진 프로펠러(140)는, 선박(100)이 주행 중에는 보조 추력 장치로 사용될 수 있으며, 선박(100)이 방향을 선회할 때에는 도 3에 도시된 바와 같이 러더(110)의 타력을 향상시키는 역할을 할 수 있다.
즉, 선박(100)이 선회할 경우 러더 회동축을 기준으로 러더 혼(110a)에 대해 러더 블레이드(110b)가 회동하게 되는데, 이 경우 보조 추진 프로펠러(140)에 의해 관통홀(116)의 후단으로 분출되는 물줄기(즉, 워터젯)가 선박(100)이 회전하고자 하는 방향으로 분출됨으로써 추가적인 측방향 힘을 발생시키며 결과적으로 선박(100)의 조정 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 이러한 워터젯 효과에 의해 러더(110)의 회동축에 작용하는 스티어링 토오크도 절감시킬 수 있다.
본 실시예에 따르면, 에너지 회수부(130)는 회전축(122)의 회전속도를 증속하는 증속기(미도시) 및 증속기(미도시)에 연결되어 전기를 생산하는 발전기(미도시)를 포함하여 구성될 수 있다.
증속기(미도시)는 발전 프로펠러(120)의 느린 회전수(즉, 주파수)를 발전기(미도시)에서 발전하기 알맞은 회전수로 회전축(122)의 회전 속도를 증속하는 역할을 한다.
본 실시예에서는 에너지 회수부(130)로서 발전기(미도시)가 증속기(미도시)를 구비한 경우(즉, 기어타입 발전기)를 예로 들어 도시하고 있으나, 이외에도 에너지 회수부(130)는 기어리스타입(gearless type) 발전기일 수도 있다.
본 실시예의 경우, 증속기(미도시)와 발전기(미도시)를 포함하여 구성된 에너지 회수부(130)는 발전기 하우징(미도시)과 같은 몸체부 안에 수용될 수 있다.
발전기 하우징(미도시)은, 러더(110)의 전방에서 유입된 유체가 발전기 하우징(미도시)의 표면을 따라 잘 흘러 갈 수 있도록 유선형상의 몸체로 이루어질 수 있다. 발전기 하우징(미도시)은 관통홀(116)의 중심선 상에 배치된다.
이와 같이, 에너지 회수부(130)를 러더(110)의 관통홀(116) 내부에 배치하여 발전 프로펠러(120)와 에너지 회수부(130) 간의 거리를 짧게 함으로써, 축계 시스템을 단순화시킬 수 있다. 이와 같이 단순화된 축계 시스템은 발전 프로펠러(120)를 통해 회수된 에너지의 축 손실을 최소화하여 에너지 회수 효율을 높일 수 있다.
또한, 러더(110)의 내부로 연장된 회전축(122) 상에 증속기(미도시)와 발전기(미도시)를 직렬로 배치하여 축의 연결에 따른 축 손실과 축의 미스얼라인먼트(misalignment)에 의한 진동을 최소화할 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 따르면, 발전 프로펠러를 이용하여 추진 프로펠러의 회전시 발생하는 회전류를 이용하여 에너지를 회수할 수 있으며, 보조 추진 프로펠러를 이용하여 선박의 추력을 향상시킬 수 있다. 이를 통해, 선박의 운항 안전성 및 조종운동 특성을 향상시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1 : 선체 10 : 추진 프로펠러
100 : 선박 110 : 러더
110a : 러더 혼 110b : 러더 블레이드
112 : 전단 114 : 후단
116 : 관통홀 117 : 지지부
118 : 유로 120 : 발전 프로펠러
122 : 회전축 130 : 에너지 회수부
140 : 보조 추진 프로펠러

Claims (5)

  1. 선체;
    상기 선체에 회전 가능하게 결합되고, 추력을 발생시키는 추진 프로펠러;
    상기 선체의 진행 방향을 제어하도록 상기 추진 프로펠러의 후방에 배치된 러더;
    상기 추진 프로펠러와 대향하도록 상기 러더에 회전 가능하게 결합되며, 상기 추진 프로펠러의 회전시 발생되는 후류에 의해 회전하는 발전 프로펠러;
    상기 러더의 내부에 배치되며, 상기 발전 프로펠러의 회전축에 연결되어 전기를 생산하는 에너지 회수부; 및
    상기 에너지 회수부의 후방에 배치되며, 상기 에너지 회수부의 발전기축에 결합되는 보조 추진 프로펠러를 포함하며,
    상기 러더에는 전방에서 유입되는 유체가 통과하도록 전단과 후단을 잇는 관통홀이 형성되며,
    상기 에너지 회수부는 상기 유체가 상기 관통홀을 통과하도록 상기 관통홀 내에 지지되어 배치되는 것을 특징으로 하는, 에너지 회수 장치를 구비한 선박.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 보조 추진 프로펠러는 상기 관통홀 내에 배치되는 것을 특징으로 하는, 에너지 회수 장치를 구비한 선박.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 러더는 러더 혼과 러더 블레이드를 포함하며,
    상기 관통홀은 상기 러더 혼과 상기 러더 블레이드에 각각 형성되고,
    상기 각각의 관통홀은,
    상기 러더 혼에 대해 상기 러더 블레이드가 러더 회동축을 기준으로 회전하더라도
    상기 유체가 상기 러더 혼의 관통홀에서 상기 러더 블레이드의 관통홀로 흘러가도록 형성되는, 에너지 회수 장치를 구비한 선박.
  5. 제1항, 제3항, 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 에너지 회수부는,
    상기 회전축의 회전속도를 증속하는 증속기와;
    상기 증속기와 연결되어 전기를 생산하는 발전기를 포함하는, 에너지 회수 장치를 구비한 선박.
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