KR101422151B1 - 에너지 회수 장치를 구비한 선박 - Google Patents

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Abstract

에너지 회수 장치를 구비한 선박이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 선박은 선체; 선체에 회전 가능하게 결합되고, 추진력을 발생시키는 추진 프로펠러; 추진 프로펠러의 후방에서 선체와 결합된 러더 혼; 추진 프로펠러와 대향하여 러더 혼에 회전 가능하게 결합되고, 추진 프로펠러의 회전시 발생되는 후류에 의해 회전하는 발전 프로펠러; 및 발전 프로펠러의 회전축과 연결되어 전기를 생산하는 에너지 회수부를 포함하고, 발전 프로펠러는 발전 프로펠러가 회전 할 때 추진 프로펠러의 후류에 대해 기 결정된 받음각을 갖도록 피치각 및 회전수가 결정되되, 발전 프로펠러의 회전수는 추진 프로펠러의 회전수의 5% 이상 30% 이하인 것을 특징으로 한다.

Description

에너지 회수 장치를 구비한 선박{SHIP HAVING ENERGY RECOVERY DEVICE}
본 발명은 에너지 회수 장치를 구비한 선박에 관한 것이다. 보다 상세하게는 추진 프로펠러에서 발생하는 후류를 에너지로 회수할 수 있도록 한 에너지 회수 장치를 구비한 선박에 관한 것이다.
일반적으로 선박은 추진력을 발생시키는 추진기와, 이 추진기로부터 발생된 추진력을 이용하여 선박의 진행방향을 조정하는 러더를 포함한다.
추진기는 선체에 설치된 엔진(engine)과, 이 엔진의 회전축과 연결되며 선체의 외측으로 돌출된 프로펠러(propeller)를 포함하며, 이 프로펠러를 회전시킴에 따라 추진력을 발생시킨다.
이러한 프로펠러는 선체의 선미부 하부에 위치된다.　 또한, 선체에는 프로펠러의 후방에서 선박의 진행방향을 조정하기 위한 러더가 설치된다.
러더는 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 추진력(thrust)으로 사용하고 나머지 엔진의 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.
도 1은 종래 기술에 따른 에너지 회수부가 구비된 선박의 부분도이다. 도 1을 참조하면, 선체(1)의 추진용 프로펠러(3) 뒤 쪽에 러더혼(4)과 러더 블레이드(2)로 구성된 러더가 배치된다. 추진용 프로펠러(3)의 뒤 쪽의 러더혼(4)에 추진용 프로펠러(3)의 후류를 받고 회전하는 에너지 회수용 프로펠러(5)를 설치하고 베벨기어(7, 8)와 샤프트(9) 등으로 구성된 회전 전달 수단(10)을 통하여 선체(1) 내의 발전장치(11)에 회전력을 전달하여 에너지를 회수한다.
그러나, 추진용 프로펠러(3)의 후방에 배치되는 에너지 회수용 프로펠러(5)는 저항으로 작용하여 선박의 추진 성능을 저해할 가능성이 있다. 이 경우, 선박을 일정한 속도로 추진시키기 위해서는 더 많은 에너지가 소비되어야 하는 문제가 있다.
본 발명의 실시예들은 선박을 운용할 때 소비되는 에너지를 저감하도록 구성된, 에너지 회수 장치를 구비한 선박을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 선체; 상기 선체에 회전 가능하게 결합되고, 추진력을 발생시키는 추진 프로펠러; 상기 추진 프로펠러의 후방에서 상기 선체와 결합된 러더 혼; 상기 추진 프로펠러와 대향하여 상기 러더 혼에 회전 가능하게 결합되고, 상기 추진 프로펠러의 회전시 발생되는 후류에 의해 회전하는 발전 프로펠러; 및 상기 발전 프로펠러의 회전축과 연결되어 전기를 생산하는 에너지 회수부를 포함하고, 상기 발전 프로펠러는 상기 발전 프로펠러가 회전 할 때 상기 추진 프로펠러의 후류에 대해 기 결정된 받음각을 갖도록 피치각 및 회전수가 결정되되, 상기 발전 프로펠러의 회전수는 상기 추진 프로펠러의 회전수의 5% 이상 30% 이하인 에너지 회수 장치를 구비한 선박이 제공된다.
상기 기 결정된 받음각은 5도 이상 15도 미만의 범위에서 결정될 수 있다.
상기 발전 프로렐러의 직경은 상기 추진 프로펠러 직경의 70% 이상 90% 이하일 수 있다.
상기 에너지 회수부는 상기 러더 혼의 내부에 위치할 수 있다.
상기 에너지 회수부는, 상기 발전 프로펠러의 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기; 및 상기 발전 프로펠러와 상기 발전기 사이에 개재된 증속기를 포함할 수 있다.
상기 에너지 회수부는 베벨기어 장치에 의해 상기 발전 프로펠러와 연결되고, 상기 베벨기어 장치는, 상기 발전 프로펠러의 회전축에 결합되는 제1 베벨기어; 및 상기 발전 프로펠러의 회전축과 직교하는 상기 증속기의 입력축에 결합되고 상기 제1 베벨기어와 치합되는 제2 베벨기어를 포함할 수 있다.
상기 에너지 회수부는, 상기 발전 프로펠러의 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하는 초전도 발전기를 포함할 수 있다.
상기 러더 혼의 내부의 상기 에너지 회수부를 냉각시키는 냉각부를 더 포함할 수 있다.
상기 러더 혼의 상부와 상기 선체에는 상기 러더 혼과 상기 선체의 내부를 서로 연통하는 개구부가 형성되며, 상기 냉각부는, 상기 개구부에 결합되는 냉각팬을 포함할 수 있다.
상기 냉각부는, 상기 에너지 회수부의 외면에 형성되는 냉각핀을 포함하며, 상기 냉각핀은 상기 러더 혼의 내벽과 연결될 수 있다.
상기 러더 혼은, 벌브를 포함할 수 있다.
상기 에너지 회수부는, 상기 발전 프로펠러의 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기; 및 상기 발전 프로펠러와 상기 발전기 사이에 개재된 증속기를 포함하며, 상기 발전기 및 상기 증속기는 상기 벌브 내부에 수용될 수 있다.
상기 에너지 회수부는 베벨기어 장치에 의해 상기 발전 프로펠러와 연결되고, 상기 베벨기어 장치는, 상기 발전 프로펠러의 회전축에 결합되는 제1 베벨기어; 및 상기 발전 프로펠러의 회전축과 직교하는 상기 증속기의 입력축에 결합되고 상기 제1 베벨기어와 치합되는 제2 베벨기어를 포함하고, 상기 베벨기어 장치는 상기 벌브 내부에 배치될 수 있다.
상기 에너지 회수부는 상기 벌브 내부에 배치되고, 상기 발전 프로펠러의 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하는 초전도 발전기를 포함할 수 있다.
상기 추진 프로펠러 및 상기 발전 프로펠러는 각각 동일한 축선상에 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 발전 프로펠러의 블레이드가 회전 할 때 추진 프로펠러의 후류에 대해 기 결정된 받음각을 갖도록 피치각 및 회전수가 결정되고, 특히, 발전 프로펠러의 회전수는 추진 프로펠러의 회전수의 5% 이상 30% 이하가 되도록 결정됨으로써, 선박의 소비 에너지 저감율이 현저하게 향상된다.
도 1은 종래 기술에 따른 에너지 회수부가 구비된 선박의 부분도이고,
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 회수 장치가 구비된 선박의 측면도이고,
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 회수 장치를 구비한 선박에 포함된 발전 프로펠러의 블레이드 단면을 개략적으로 나타낸 도면이고,
도 4은 추진 프로펠러의 회전수에 대한 발전 프로펠러의 회전수 비에 따른 소비 에너지 저감율을 나타내는 그래프이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 회수 장치가 구비된 선박의 발전 프로펠러를 설명하기 위한 도면이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 회수 장치가 구비된 선박에서 발전기의 다른 형태를 나타낸 측면도이고,
도 7는 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 회수 장치가 구비된 선박의 측면도이고,
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 회수 장치가 구비된 선박의 냉각부를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일하거나 대응하는 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 회수 장치가 구비된 선박의 측면도이다. 도 2를 참조하면, 선체(112), 추진 프로펠러 회전축(114), 추진 프로펠러(116), 러더 혼(118), 발전 프로펠러 회전축(120), 발전 프로펠러(122), 에너지 회수부(124), 증속기(126), 발전기(128), 벌브(130), 출력축(132), 러더 블레이드(134)가 도시되어 있다.
본 실시예에 따른 선박(100)은 선체(112)와, 선체(112)에 회전 가능하게 결합되고 선체(112)를 추진시키는 추진 프로펠러(116)와, 추진 프로펠러(116)의 후방에서 선체(112)에 결합되는 러더 혼(118)과, 추진 프로펠러(116)와 대향하여 러더 혼(118)에 회전 가능하게 결합되고 추진 프로펠러(116)의 회전시 발생된 후류에 의해 회전하는 발전 프로펠러(122)와, 발전 프로펠러(122)의 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하는 에너지 회수부(124)를 포함하여, 선박(100)의 소비 에너지 저감율을 향상시킨다.
본 실시예에 따르면, 선체(112)의 내부에 화물창(미도시), 엔진 룸(미도시) 등이 배치되고, 엔진 룸에 설치된 엔진(engine)(미도시)의 구동력을 이용하여 추진 프로펠러(116)가 회전한다.
추진 프로펠러(116)는 엔진 룸의 엔진에서 연장되는 추진 프로펠러 회전축(114)과 연결되며, 엔진의 구동에 따라 회전한다.
러더 혼(118)은 추진 프로펠러(116)의 후방에서 선체(112)의 선미부에 결합된다. 러더 혼(118)에는 러더 블레이드(134)가 회전 가능하게 결합되며, 러더 블레이드(134)가 회전하면서 추진 프로펠러(116)에서 발생한 후류의 방향을 변경하여 선체(112)의 진행방향을 조정하게 된다.
러더 혼(118)의 외면은 강판으로 이루어지고 러더 혼(118)의 내부는 이러한 강판을 지지하는 보강재(미도시)가 배치될 수 있다. 이에 따라, 러더 혼(118)의 내부에는 일정한 공간이 형성될 수 있다.
발전 프로펠러(122)는 추진 프로펠러(116)와 대향하여 러더 혼(118)에 회전 가능하게 결합되고, 추진 프로펠러(116)의 회전 시 발생된 후류에 의해 회전할 수 있다.
발전 프로펠러 회전축(120)의 일단은 러더 혼으로부터 외측으로 돌출되어 발전 프로펠러(122)와 결합되고, 발전 프로펠러 회전축(120)의 타단은 러더 혼(118)의 내부에 위치한다. 이 경우, 발전 프로펠러 회전축(120)은 추진 프로펠러 회전축(114)과 일렬로 정렬되도록 배치될 수 있다. 즉, 발전 프로펠러 회전축(120)은 추진 프로펠러 회전축(114)과 동일 직선 상에 위치하도록 배치될 수 있다.
추진 프로펠러(116)의 회전에 따라 그 후방에는 소용돌이 형태의 후류가 발생하는데, 이러한 후류의 축방향 성분은 선체(112)의 추진에 사용되나, 후류의 회전성분은 선체(112)의 추진에 영향을 미치지 않으므로 에너지를 회수할 필요가 있다. 발전 프로펠러(122)는 이러한 회전류를 받아 회전되도록 설계될 수 있으며, 추진 프로펠러(116)의 회전 시 발생하는 후류에 의해 회전하게 된다.
본 실시예에 따르면, 발전 프로펠러(122)는 발전 프로펠러(122)가 회전할 때 추진 프로펠러(116)의 후류에 대해 기 결정된 받음각을 갖도록 피치각 및 회전수가 결정된다.
이와 관련하여, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 회수 장치를 구비한 선박에 포함된 발전 프로펠러의 블레이드 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다. 이하, 도 3을 참조하여 발전 프로펠러의 블레이드(123)가 추진 프로펠러(116)(도 2참조)의 후류에 대해 소정의 받음각(a)을 갖는 메커니즘을 설명한다.
도 3에는 발전 프로펠러(122)의 축선(LX)으로부터 임의의 반경 상에 위치하는 발전 프로펠러 블레이드(123)의 단면이 도시되어 있다. 여기서, 화살표 A1는 추진 프로펠러의 회전에 의해 발전 프로펠러(122)가 회전할 때 발전 프로펠러 블레이드(123)로 유입되는 추진 프로펠러 후류의 속도 벡터(이하, '제 1 벡터'라 한다)를 나타내고, 화살표 A2은 추진 프로펠러가 회전하지만 발전 프로펠러(122)가 회전 하지 않는다고 가정할 때, 발전 프로펠러 블레이드(123)로 유입되는 추진 프로펠러 후류의 속도 벡터(이하, '제 2 벡터'라 한다)를 나타내며, 화살표 A3는 추진 프로펠러의 회전에 의해 발전 프로펠러(122)가 회전 할 때 발전 프로펠러 블레이드(123)의 회전 속도 벡터(이하, '제 3 벡터'라 한다)를 나타낸다. 그리고, 도 3에서 볼 때 우측이 전방을 나타내며, 발전 프로펠러 블레이드(123)의 우측에 추진 프로펠러가 위치한다.
발전 프로펠러(122)가 회전할 때, 추진 프로펠러 후류에 대한 발전 프로펠러 블레이드(123)의 받음각(a)(이하, '발전 프로펠러 블레이드의 받음각(a)'이라 한다)은 제 1 벡터(A1)와 발전 프로펠러 블레이드(123)의 시위선(Chord line)(Lc)이 이루는 각으로 정의될 수 있다. 여기서, 시위선(Lc)은 발전 프로펠러 블레이드(123)의 리딩 엣지(leading edge)와 트레일링 엣지(trailing edge)를 동시에 지나는 직선을 의미한다.
보다 상세히, 제 1 벡터(A1)는 도 3에서 알 수 있는 바와 같이 화살표 A11로 표현된 제 1 성분 벡터와 화살표 A12로 표현된 제 2 성분 벡터로 분해할 수 있다. 이때, 제 1 성분 벡터(A11)는 제 2 벡터(A2)와 동일하고, 제 2 성분 벡터(A12)는 제 3 벡터(A3)와 크기는 동일하고 방향이 반대임을 알 수 있다.
제 1 벡터(A1)의 제 1 성분 벡터(A11)와 동일한 제 2 벡터(A2)는 추진 프로펠러의 회전수에 따라 결정된다. 일반적으로 선박은 대부분의 시간을 일정한 속도, 예를 들어 순항 속도로 운항되기 때문에 이에 대응하여 추진 프로펠러의 회전수는 일정하게 유지된다. 이에 따라 제 2 벡터(A2), 즉 제 1 벡터(A1)의 제 1 성분 벡터(A11)은 일정하게 유지된다.
이때, 제 1 벡터(A1)의 크기 및 방향은 제 2 성분 벡터(A12)에 의해 결정된다. 그리고 제 2 성분 벡터(A12)는 제 3 벡터(A3)에 의해 결정되고, 제 3 벡터(A3)는 발전 프로펠러(122)의 회전수에 따라 결정된다. 결국, 제 1 벡터(A1)는 발전 프로펠러(122)의 회전수에 따라 결정된다.
한편, 시위선(Lc)은 발전 프로펠러 블레이드(123)의 피치각(θ)에 따라 결정된다. 발전 프로펠러 블레이드(123)의 피치각(θ)은 도 3에서 볼 때 시위선(Lc)과 발전 프로펠러(122)의 축선(LX)이 이루는 각을 의미한다.
제 1 벡터(A1) 및 발전 프로펠러 블레이드(123)의 시위선(Lc)이 이루는 각을 나타내는 발전 프로펠러 블레이드(123)의 받음각(a)은 제 1 벡터(A1) 및 발전 프로펠러 블레이드(123)의 시위선(Lc)에 종속적이다.
앞서 살펴본 바와 같이 제 1 벡터(A1)는 발전 프로펠러(122)의 회전수에 종속적이고, 발전 프로펠러 블레이드(123)의 시위선(Lc)은 발전 프로펠러 블레이드(123)의 피치각(θ)에 종속적이다.
따라서, 발전 프로펠러 블레이드(123)의 받음각(a)은 발전 프로펠러(122)의 회전수 및 발전 프로펠러 블레이드(123)의 피치각(θ)에 대해 종속적이다. 즉, 발전 프로펠러 블레이드(123)의 받음각(a)은 발전 프로펠러(122)의 회전수 및 발전 프로펠러 블레이드(123)의 피치각(θ)에 의해 결정된다.
예를 들어, 설계 상 발전 프로펠러 블레이드(123)의 받음각(a)이 9.5도가 되도록 결정되었다면, 이를 기초로 발전 프로펠러(122)의 회전수 및 발전 프로펠러 블레이드(123)의 피치각(θ)이 결정될 수 있다.
한편, 발전 프로펠러는 발전기 토크 제어를 통해 요구되는 회전수를 갖도록 제어될 수 있다.
보다 상세히, 발전기는 로터와, 스테이터와, 컨버터를 포함할 수 있다. 로터의 코일 및 스테이터의 코일에 전류가 흐르면 전자기력에 의해 발전기 축을 돌려주는 외부의 토크와 반대 방향의 토크가 발생된다. 이와 같은 반대 방향의 토크는 로터의 코일 및 스테이터의 코일의 전류량에 의해 결정된다.
로터의 코일 및 스테이터의 코일의 전류량은 컨버터에 의해 조절될 수 있다. 컨버터에 의해 로터의 코일 및 스테이터의 코일의 전류량이 적절히 조절되면 발전기 축을 돌려주는 외부의 토크와 동일한 크기를 갖는 반대 방향의 토크가 발생할 수 있다. 이 경우, 발전기 축을 돌려주는 외부의 토크와 반대 방향의 토크가 상호 힘의 평형을 이루어 발전기 축 및 발전기 축과 연결된 발전 프로펠러가 일정한 회전수로 회전할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 발전 프로펠러 블레이드(123)의 받음각(a)은 5도 이상 15도 미만의 범위에서 결정될 수 있다. 발전 프로펠러 블레이드(123)의 받음각(a)이 5도 미만인 경우 발전 프로펠러(122)를 회전시키기 위한 양력 자체의 크기가 현저하게 작아 발전 프로펠러(122)가 효과적으로 회전하기 어렵고, 발전 프로펠러 블레이드(122)의 받음각(a)이 15도 이상인 경우 유동박리에 의한 항력이 현저하게 증가하여 발전 프로펠러(122)가 효과적으로 회전할 수 없다.
본 실시예에 따르면, 발전 프로펠러(122)의 회전수는 추진 프로펠러(116)(도 2참조)의 회전수의 5% 이상 30% 이하일 수 있다.
이와 관련하여, 도 4는 추진 프로펠러의 회전수에 대한 발전 프로펠러의 회전수 비에 따른 소비 에너지 저감율을 나타내는 그래프이다. 여기서, 그래프의 X축은 추진 프로펠러(116)(도 2참조)의 회전수에 대한 발전 프로펠러(122)(도 2 참조)의 회전수 비(%)(이하, '회전수 비(%)'라 한다)를 나타내고, 그래프의 Y축은 소비 에너지 저감율(%)을 나타낸다.
본 출원의 발명자는 추진 프로펠러가 기 결정된 회전수, 예를 들어 선박의 순항 속도에서의 회전수로 회전하고, 발전 프로펠러의 블레이드가 기 결정된 받음각을 갖는다는 전제하에서 각각의 회전수에 적합한 발전 프로펠러 형상을 각각 설계하여 CFD 기법을 이용한 수치 해석 및 모형 시험을 통해 도 4의 그래프를 도출하였다.
도 4를 참조하면, 회전수 비가 5% 이상 30% 이하의 영역이 나머지 영역에 비해 소비 에너지 저감율이 현저하게 향상되는 것을 알 수 있다.
여기서, 소비 에너지 저감율이란 본 실시예에 따른 선박(에너지 회수 장치를 구비한 선박)이 기존 선박(에너지 회수 장치를 구비하지 않은 선박)에 비해 선박을 운용할 때 소비되는 석유 류의 연료를 얼마나 저감시킬 수 있는지 여부를 나타내는 개념으로 추진 효율 변화율(η1) 과 발전에 의한 연비 저감율(η2) 의 합으로 이루어진다. 소비 에너지 저감율과 선박의 운용을 위해 소비되는 연료의 양은 반비례한다. 예를 들어, 소비 에너지 저감율이 높으면 소비되는 연료의 양이 적고, 낮으면 소비되는 연료의 양이 많다.
선박을 운용할 때 소비되는 석유 류의 연료는 추진기를 가동하기 위해 사용되는 선박의 주 엔진(main engine) 연료와 선박 내부에서 사용되는 발전기를 가동하기 위해 사용하는 발전기 용 엔진(generator engine) 연료로 나누어 지며 그 사용 비율은 일반적으로 9 대 1 정도로 알려져 있다. 즉, 전체 사용 연료 량(L1)은 주 엔진 연료(L2)와 발전기 용 엔진 연료(L3)의 합으로 표시된다.
여기서 추진 효율 변화율은 발전 프로펠러의 작동에 의해 선박의 추진력이 변화되어 선박 추진 효율이 달라질 때 선박의 주 엔진 연료를 얼마나 절감할 수 있는지를 나타내는 개념이며, 발전에 의한 연비 저감율은 발전 프로펠러의 가동에 의해 기존의 발전기 용 엔진을 가동시키지 않고도 전기를 생산함으로써, 본 실시예에 따른 선박이 기존 선박에 비해 발전기용 엔진 연료량을 얼마나 절감할 수 있는지를 나타내는 개념으로 이 두 지표의 합이 선박의 전체 소비 에너지 저감율이 된다.
즉, 추진 효율 변화율(η1)은 발전 프로펠러의 작동 유무에 따라 선박이 일정한 속도로 진행할 때 필요한 주 엔진 연료를 얼마나 저감시킬 수 있는지의 여부를 나타내는 개념으로 기존 선박에서 사용되는 주 엔진 연료량(L21)과 발전 프로펠러가 부착되어 작동하는 본 실시예에 따른 선박의 주 엔진 연료 량(L22)의 차이를 기존 선박의 전체 사용 연료 량(L11)으로 나눈 값으로 정의한다. 즉, 추진 효율 변화율(η1)은 (L21 - L22)/(L11)이다. 추진 효율 변화율이 플러스의 값을 가지면 발전 프로펠러가 작동 시 기존 선박에 비해 추진을 위해 소비되는 연료의 양이 적어지고, 추진 효율 변화율이 마이너스의 값을 가지면 발전 프로펠러가 작동 시 기존 선박에 비해 추진을 위해 소비되는 연료의 양이 많아진다. 예를 들어 발전 프로펠러(122)가 없는 경우 선박이 25knot로 운항 중일 때의 시간당 필요한 주 엔진 연료량(L21)이 90이고, 발전 프로펠러(122)가 가동 중인 선박이 25knot로 항해 중일 때 필요한 주 엔진 연료 량(L22)이 88라고 가정할 때, 기존 선박의 전체 사용 연료 량(L11)이 100이면 추진 효율 변화율(η1) = (90-88)/100 = 2(%)이다. 이 경우, 발전 프로펠러가 작동 시 기존 선박에 비해 2% 만큼의 석유 연료를 덜 소비하여 연료비를 절약할 수 있다.
추진 효율 변화율은 발전 프로펠러(122)(도 2 참조)의 회전에 의해 발전 프로펠러 블레이드(123)(도 2 참조)에서 발생하는 양력의 방향과 관련이 있다. 도시하지 않았으나 추진 효율 변화율은 회전수 비가 임계값보다 작을 때 플러스 값을 가지고, 회전수 비가 임계값보다 클 때 마이너스 값을 가진다. 이는 회전수 비가 임계값보다 작을 때 발전 프로펠러 블레이드에서 발생하는 양력의 방향이 전방측을 향하여 선박의 추진에 플러스 요인으로 작용하고, 회전수 비가 임계값보다 클 때 발전 프로펠러 블레이드에서 발생하는 양력의 방향이 후방측을 향하여 선박의 추진에 마이너스 요인으로 작용하기 때문이다. 이러한 추진 효율 변화율이 플러스 값을 갖는 경우 소비 에너지 저감율은 향상되고, 추진 효율 변화율이 마이너스 값을 갖는 경우 소비 에너지 저감율이 저감된다.
한편, 발전에 의한 연비 저감율(η2)은 선박에서 사용되는 전기를 생산하기 위해 소비되는 석유 연료의 양(발전기용 엔진 연료량)을 얼마나 저감할 수 있는지 여부를 나타내는 개념이다. 발전에 의한 연비 저감율은 선박에서 사용되는 전기를 생산하기 위해 선박 내부의 발전기에서 소비되는 석유 류의 연료의 양과 반비례한다.
즉, 발전에 의한 연비 저감율(η2)은 기존 선박에서 사용되는 발전기용 엔진 연료량(L31)과 발전 프로펠러가 부착되어 작동하는 선박의 발전기용 엔진 연료량(L32)의 차이를 기존 선박의 전체 사용 연료 량(L11)으로 나눈 값으로 정의한다. 즉, 발전에 의한 연비 저감율(η2)은 (L31 - L32)/(L11)이다.
예를 들어, 발전 프로펠러(122)가 없는 경우 선박이 25knot로 운항 중일 때의 시간당 선체 내부의 발전기를 가동하는데 필요한 연료량(L31)이 10이고, 발전 프로펠러(122)가 가동 중인 선박이 25knot로 항해 중일 때 필요한 발전기 용 엔진 연료량(L32)이 3라고 가정할 때, 기존 선박의 전체 사용 연료 량(L11)이 100이면 발전에 의한 연비 저감율(η2)은 (10-3)/100 = 7(%)이다. 이 경우, 발전 프로펠러가 작동 시 기존 선박에 비해 추가적으로 7%만큼의 연료를 적게 소비하여 연료비를 절약할 수 있다.
발전에 의한 연비 저감율이 높으면 에너지 회수부를 통해 많은 발전을 하게 되어 기존의 선박에 구비된 발전기를 통해 소비되는 연료의 양이 줄어들게 되며, 발전에 의한 연비 저감율이 낮으면 에너지 회수부에서 생산되는 발전량이 적어 기존의 선박에 구비된 발전기에서 사용되는 연료의 양이 많아지게 된다. 물론 이 경우에도 에너지 회수부가 없는 기존의 선박에 비해서는 발전에 사용되는 연료비를 절감할 수 있다.
발전에 의한 연비 저감율은 회전수 비가 증가함에 따라 증가한다. 다시 말해, 회전수 비가 클수록 발전 프로펠러가 빠르게 회전하게 되고, 이에 대응하여 전기를 많이 생산할 수 있다.
이상에서 살펴본 추진 효율 변화율 및 발전에 의한 연비 저감율을 합한 소비 에너지 저감율은 발전 프로펠러가 작동시 기존의 선박에 비해 선박에서 사용되는 연료를 얼마나 줄일 수 있는지에 대한 지표로 사용이 되며 발전에 의한 연비 저감율 측면에서 바라볼 때 회전수 비가 클수록 증가하고, 추진 효율 변화율 측면에서 바라볼 때 회전수 비가 클수록 감소하는 경향이 있다.
도 4를 참조할 때, 소비 에너지 저감율은 회전수 비가 5% 이상 30% 이하의 영역에서 현저하게 높게 나타난다. 이는 회전수 비가 30%를 초과하는 경우 추진 효율 변화율이 지배적으로 작아지고, 회전수 비가 5% 미만인 경우 추진 효율 및 발전에 의한 연비 저감율의 크기가 미미하기 때문이다.
발전 프로펠러(122)의 직경은 추진 프로펠러(116) 직경의 70% 이상 90% 이하로 제작될 수 있다. 도 5를 참조하면, 추진 프로펠러(116)의 회전에 따라 발생하는 후류 영역(138)은 추진 프로펠러(116) 직경(2R)의 70% 이상 90% 이하의 영역 내에서 형성된다. 발전 프로펠러(122)는 이러한 후류 영역(138) 내에 존재하여야 하며, 일부라도 후류 영역(138)을 벗어나면 저항체로 작용하게 된다. 따라서, 발전 프로펠러(122)의 직경(2r)은 후류 영역(138) 내에 존재하도록 결정된다.
에너지 회수부(124)는 러더 혼(118)의 내부에 위치하며, 발전 프로펠러 회전축(120)에 연결되어 전기를 생산한다. 에너지 회수부(124)는, 발전 프로펠러(122)의 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기(128)와, 발전 프로펠러(122)와 발전기(128) 사이에 개재된 증속기(126)을 포함한다. 증속기(126)는 출력축(132)의 회전속도를 입력축인 발전 프로펠러 회전축(120)의 회전속도보다 증속시킨다.
에너지 회수부(124)를 러더 혼(118)의 내부에 배치하여 발전 프로펠러(122)와 에너지 회수부(124)까지의 거리를 짧게 하여 축계 시스템을 단순화시킬 수 있다. 단순화된 축계 시스템은 회수된 에너지의 손실을 최소화하여 에너지 회수 효율을 높일 수 있다.
본 실시예에서는 러더 혼(118)의 내부로 연장된 발전 프로펠러 회전축(120)의 타단에 증속기(126)와 발전기(128)를 직렬로 배치하여 축의 연결에 따른 축 손실과 축의 미스얼라인먼트(misalignment)에 의한 진동을 최소화할 수 있다.
그리고, 러더 혼(118)은 내부에 에너지 회수부(124)를 수용할 수 있는 벌브(130)를 포함할 수 있다. 벌브(130)의 내부는 러더 혼(118)의 내부와 연통되며, 발전 프로펠러(122)가 결합되는 회전축(120)은 벌브(130)에 회전 가능하게 지지되도록 할 수 있다. 러더 혼(118)의 내부가 협소하여 에너지 회수부(124)를 수용하기가 용이하지 않은 경우, 러더 혼(118)에 벌브(130)를 두고 벌브(130) 내에 에너지 회수부(124)를 두어 발전 프로펠러(122)와 에너지 회수부(124)까지의 거리를 짧게 구성하는 것이다.
벌브(130)는, 추진 프로펠러(116)의 회전시 발생된 후류를 분산시켜 캐비테이션의 발생을 억제하고, 이에 따른 추진력의 저하를 방지할 수 있도록 유선형상으로 이루어질 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 회수 장치가 구비된 선박에서 발전기의 다른 형태를 나타낸 측면도이다.
도 6의 실시예에 따른 선박(100')은 앞선 실시예(100)와 달리 에너지 회수부로 초전도 발전기(129)가 사용되는 것을 특징으로 한다. 즉, 일반적인 발전기를 사용하지 않고 초전도 발전기(129)를 사용함으로써 증속기를 생략할 수 있는 구조를 가진다.
초전도 발전기는 초전도 현상을 응용한 발전기로서, 전력 손실이 없는 초전도 상태에서 자기장 10테슬라(T) 이상, 104~106A/㎠의 전류 밀도 실현이 가능하여 발전기의 소형 대용량화 및 축적 전자 에너지의 고밀도화를 가능하게 한다.
따라서, 초전도 발전기는 동급의 종래 발전기에 대비하여 1/2~1/3의 수준의 무게 및 크기를 가질 수 있으며, 저속 회전 시에도 높은 효율을 달성할 수 있어서 증속기 등의 기어 장치를 생략할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 회수 장치가 구비된 선박의 측면도이고, 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 회수 장치가 구비된 선박의 냉각부를 설명하기 위한 도면이다. 참고로 도 7에서 편의상 냉각부에 대해 도시하지 않았다. 도 7 및 도 8을 참조하면, 선체(112), 추진 프로펠러 축(114), 추진 프로펠러(116), 러더 혼(118), 발전 프로펠러 회전축(120), 발전 프로펠러(122), 에너지 회수부(124), 증속기(126), 발전기(128), 벌브(130), 출력축(132), 러더 블레이드(134), 베벨기어 장치(140), 제1 베벨기어(140), 제2 베벨기어(142), 개구부(144), 냉각팬(146), 냉각핀(148)이 도시되어 있다.
본 실시예 따른 선박(200)은 앞선 실시예와 달리 에너지 회수부(124)와 발전 프로펠러(122) 사이에 마련된 베벨기어 장치(140)와, 에너지 회수부(124)를 냉각하기 위한 냉각부를 더 포함한다.
러더 혼(118)의 단면폭이 협소하여 증속기(126)와 발전기(128)를 발전 프로펠러 회전축(120)과 일렬로 배치하기가 용이하지 않은 경우, 에너지 회수부(124)와 발전 프로펠러 회전축(120) 사이에 베벨기어 장치(140)를 두어 에너지 회수부(124)를 발전 프로펠러 회전축(120)과 수직한 방향으로 배치할 수 있다. 이 경우, 에너지 회수부(124)는 베벨기어 장치(140)에 의해 발전 프로펠러(120)와 연결된다.
베벨기어 장치(140)는 제1 베벨기어(141)와 제2 베벨기어(142)를 포함할 수 있다. 제1 베벨기어(141)는 발전 프로펠러 회전축(120)과 결합될 수 있다. 제2 베벨기어(142)는 발전 프로펠러 회전축(120)과 직교하는 증속기(126)의 입력축(127)에 결합되고 제1 베벨기어(140)와 치합할 수 있다.
이와 같은 베벨 기어 장치(140)를 통해, 발전 프로펠러(122)의 회전 에너지가 발전 프로펠러 회전축(120), 제 1 베벨기어(141), 제 2 베벨기어(142), 증속기(126)의 입력축(127) 및 증속기(126)의 출력축(132)를 거쳐 발전기(128)로 전달된다.
베벨기어 장치(140)는 벌브(130)의 내부에 배치될 수 있으나 이에 국한되지 않는다.
한편, 러더 혼(118)의 내부가 협소한 경우, 러더 혼(118) 내부에 존재하는 에너지 회수부(124)에 의해 러더 혼(118)의 내부 온도가 상승하여 발전효율에 영향을 미칠 수 있으므로, 러더 혼(118)의 내부의 에너지 회수부(124)를 냉각시키는 냉각부가 설치될 수 있다.
러더 혼(118)의 상부와 선체(112)에는 러더 혼(118)과 선체(112)의 내부를 서로 연통하는 개구부(144)가 형성될 수 있으며, 냉각부는 개구부(144)에 결합되는 냉각팬(146)을 포함할 수 있다. 냉각팬(146)의 회전으로 인해 러더 혼(118)의 내부 공기를 순환시켜 러더 혼(118)의 내부의 온도를 낮추고 이를 통해 에너지 회수부(124)를 냉각시킬 수 있다. 본 실시예에서는 하나의 냉각팬(146)이 배치된 형태를 제시하고 있으나, 러더 혼(118) 내부에 신선한 공기를 주입하기 위한 인렛용 냉각팬 및 러더 혼(118)의 내부의 더운 공기를 배출하기 위한 아웃렛용 냉각팬을 두는 형태도 가능하다.
그리고, 냉각부는 에너지 회수부(124)의 외면에 형성되는 냉각핀(148)을 포함할 수 있다. 증속기(126)과 발전기(128)의 외면에서 돌출된 냉각핀(148)은 러더 혼(118)의 내벽과 연결되어 증속기(126)과 발전기(128)에서 발생된 열은 러더 혼(118)을 통해 외부로 배출할 수 있다. 선박의 운항 시 러더 혼(118)은 해수에 잠겨있게 되므로 러더 혼(118)의 내벽과 연결된 냉각핀(148)을 통해 에너지 회수부(124)에서 발생된 열을 용이하게 외부로 방출할 수 있다. 냉각핀(148)으로는 열전도율이 높은 금속이 사용될 수 있다.
이외 구성요소는 상술한 바와 같으므로 그 설명을 생략하기로 한다.
이상에서 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
112 : 선체 114 : 추진 프로펠러 회전축
116 : 추진 프로펠러 118 : 러더 혼
120 : 발전 프로펠러 회전축 122 : 발전 프로펠러
124 : 에너지 회수부 126 : 증속기
128 : 발전기 129 : 초전도 발전기
130 : 벌브 132 : 출력축
134 : 러더 블레이드 140 : 제1 베벨기어
142 : 제2 베벨기어 144 : 개구부
146 : 냉각팬 148 : 냉각핀

Claims (15)

  1. 선체;
    상기 선체에 회전 가능하게 결합되고, 추진력을 발생시키는 추진 프로펠러;
    상기 추진 프로펠러의 후방에서 상기 선체와 결합된 러더 혼;
    상기 추진 프로펠러와 대향하여 상기 러더 혼에 회전 가능하게 결합되고, 상기 추진 프로펠러의 회전시 발생되는 후류에 의해 회전하는 발전 프로펠러; 및
    상기 발전 프로펠러의 회전축과 연결되어 전기를 생산하는 에너지 회수부를 포함하고,
    상기 발전 프로펠러는 상기 발전 프로펠러가 회전 할 때 상기 추진 프로펠러의 후류에 대해 기 결정된 받음각을 갖도록 피치각 및 회전수가 결정되되,
    상기 발전 프로펠러의 회전수는 상기 추진 프로펠러의 회전수의 5% 이상 30%이하이며,
    상기 기 결정된 받음각은 5도 이상 15도 미만의 범위에서 결정되는 것을 특징으로 하는 에너지 회수 장치를 구비한 선박.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 발전 프로펠러의 직경은 상기 추진 프로펠러 직경의 70% 이상 90% 이하인 것을 특징으로 하는 에너지 회수 장치를 구비한 선박.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 에너지 회수부는 상기 러더 혼의 내부에 위치하는 것을 특징으로 하는 에너지 회수 장치를 구비한 선박.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 에너지 회수부는,
    상기 발전 프로펠러의 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기; 및
    상기 발전 프로펠러와 상기 발전기 사이에 개재된 증속기를 포함하는 에너지 회수 장치를 구비한 선박.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 에너지 회수부는 베벨기어 장치에 의해 상기 발전 프로펠러와 연결되고,
    상기 베벨기어 장치는,
    상기 발전 프로펠러의 회전축에 결합되는 제1 베벨기어; 및
    상기 발전 프로펠러의 회전축과 직교하는 상기 증속기의 입력축에 결합되고 상기 제1 베벨기어와 치합되는 제2 베벨기어를 포함하는 에너지 회수 장치를 구비한 선박.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 에너지 회수부는,
    상기 발전 프로펠러의 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하는 초전도 발전기를 포함하는 에너지 회수 장치를 구비한 선박.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 러더 혼의 내부의 상기 에너지 회수부를 냉각시키는 냉각부를 더 포함하는 에너지 회수 장치를 구비한 선박.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 러더 혼의 상부와 상기 선체에는 상기 러더 혼과 상기 선체의 내부를 서로 연통하는 개구부가 형성되며,
    상기 냉각부는,
    상기 개구부에 결합되는 냉각팬을 포함하는 에너지 회수 장치를 구비한 선박.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 냉각부는, 상기 에너지 회수부의 외면에 형성되는 냉각핀을 포함하며, 상기 냉각핀은 상기 러더 혼의 내벽과 연결되는 것을 특징으로 하는 에너지 회수 장치를 구비한 선박.
  11. 제4항에 있어서,
    상기 러더 혼은,
    벌브를 포함하는 에너지 회수 장치를 구비한 선박.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 에너지 회수부는, 상기 발전 프로펠러의 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기; 및 상기 발전 프로펠러와 상기 발전기 사이에 개재된 증속기를 포함하며,
    상기 발전기 및 상기 증속기는 상기 벌브 내부에 수용되는 것을 특징으로 하는 에너지 회수 장치를 구비한 선박.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 에너지 회수부는 베벨기어 장치에 의해 상기 발전 프로펠러와 연결되고,
    상기 베벨기어 장치는, 상기 발전 프로펠러의 회전축에 결합되는 제1 베벨기어; 및 상기 발전 프로펠러의 회전축과 직교하는 상기 증속기의 입력축에 결합되고 상기 제1 베벨기어와 치합되는 제2 베벨기어를 포함하고,
    상기 베벨기어 장치는 상기 벌브 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 에너지 회수 장치를 구비한 선박.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 에너지 회수부는,
    상기 벌브 내부에 배치되고, 상기 발전 프로펠러의 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하는 초전도 발전기를 포함하는 에너지 회수 장치를 구비한 선박.
  15. 제4항에 있어서,
    상기 추진 프로펠러 및 상기 발전 프로펠러는 각각 동일한 축선상에 배치되는 것을 특징으로 하는 에너지 회수 장치를 구비한 선박.
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