KR101556207B1 - 에너지 회수 장치를 구비한 선박 - Google Patents

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Abstract

에너지 회수 장치를 구비한 선박이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 에너지 회수 장치를 구비한 선박은 러더가 설치되는 선체; 선체에 설치된 메인 프로펠러; 메인 프로펠러와 대향하도록 러더 전방에 위치하고, 메인 프로펠러의 후류에 의해 회전하는 보조 프로펠러; 및 보조 프로펠러에 부하를 발생시키고, 보조 프로펠러의 회전 샤프트와 연결되어 회전 샤프트의 회전에 의해 압축공기를 발생시키는 에어 펌프를 포함한다.

Description

에너지 회수 장치를 구비한 선박{SHIP HAVING ENERGY RECOVERY APPARATUS}
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 낭비되는 문제가 있다.
일본공개특허공보 특개2010-95030(2010.4.30.)
본 발명의 실시예는, 낭비되는 에너지를 회수할 수 있는 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 러더가 설치되는 선체; 상기 선체에 설치된 메인 프로펠러; 상기 메인 프로펠러와 대향하도록 상기 러더 전방에 위치하고, 상기 메인 프로펠러의 후류에 의해 회전하는 보조 프로펠러; 및 상기 보조 프로펠러에 부하를 발생시키고, 상기 보조 프로펠러의 회전 샤프트와 연결되어 상기 회전 샤프트의 회전에 의해 압축공기를 발생시키는 에어 펌프를 포함하는, 에너지 회수 장치를 구비한 선박이 제공될 수 있다.
상기 보조 프로펠러는 상기 선체에 고정 설치되고 상기 러더를 회전 가능하게 지지하는 러더 혼에 회전 가능하게 결합되고, 상기 에어 펌프는 상기 러더 혼의 내부에 위치할 수 있다.
상기 메인 프로펠러의 후류에 의해 상기 보조 프로펠러의 블레이드에 인가되는 정토크와 상기 에어 펌프의 부하에 의해 상기 회전 샤프트에 인가되는 역토크가 균형을 이루면서 상기 보조 프로펠러의 회전수가 제어될 수 있다.
상기 보조 프로펠러의 회전수가 제어될 때, 상기 보조 프로펠러의 블레이드에는 루트에서 팁에 이르기까지 전체적으로 정토크가 인가될 수 있다.
상기 에어 펌프에 의해 발생된 압축 공기는, 상기 선체의 저면으로 공급되어 공기층을 형성하여 상기 선체의 마찰 저항을 저감할 수 있다.
상기 에어 펌프에 의해 발생된 압축공기는, 상기 메인 프로펠러의 상측에서 배출되어 상기 메인 프로펠러로부터 상기 선체로 전달되는 진동을 차단할 수 있다.
상기 에어 펌프에 의해 발생된 압축공기는, 상기 메인 프로펠러의 전방에서 상기 메인 프로펠러로 분사되어 상기 메인 프로펠러로 유입되는 유체의 속도분포를 균일화시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 보조 프로펠러가 메인 프로펠러의 후류에 의해 회전하며 추력을 발생시킴으로써, 메인 프로펠러를 회전시키기 위해 투입되었던 에너지의 일부를 회수할 수 있다.
또한 메인 프로펠러의 후류에 의해 회전하는 보조 프로펠러와 연결된 에어 펌프가 보조 프로펠러의 회전력을 전달받아 압축 공기를 생성함으로써, 메인 프로펠러를 회전시키기 위해 투입되었던 에너지의 일부를 추가적으로 회수할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박을 나타내는 도면이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 프로펠러의 회전수가 제어되는 메커니즘을 설명하기 위한 도면이고,
도 3은 도 2의 비교예로서 에어펌프가 없는 보조 프로펠러의 회전 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에어 펌프에 의해 발생된 압축 공기의 일 사용례를 나타내는 도면이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 에어 펌프에 의해 발생된 압축 공기의 다른 사용례를 나타내는 도면이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어 펌프에 의해 발생된 압축 공기의 또 다른 사용례를 나타내는 도면이다.
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 발명의 실시예를 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 선박을 나타내는 도면이다. 참고로 도 1에서 볼 때 우측 방향은 선박의 전방을 의미한다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 선박(1)은 선체(10), 메인 프로펠러(30) 및 에너지 회수 장치(100)를 포함한다.
선체(10)의 스턴 보스(13) 후방에는 메인 프로펠러(30)가 설치된다. 메인 프로펠러(30)는 선체(10)를 전진시키기 위한 추력을 발생시킨다. 메인 프로펠러(30)는 스턴 보스(13)를 관통하여 후방으로 돌출된 메인 샤프트(15)에 결합되고, 박용 기관(미도시)에 의해 메인 샤프트(15)가 회전할 때 메인 샤프트(15)와 함께 회전한다.
메인 프로펠러(30)의 후방에 러더(20)가 위치한다. 러더(20)는 선체(10)에 고정 설치된 러더 혼(21)에 회전 가능하게 결합될 수 있다.
에너지 회수 장치(100)에 의해 메인 프로펠러(30)의 후류로부터 에너지가 회수된다. 에너지 회수 장치(100)는 보조 프로펠러(110) 및 에어 펌프(130)를 포함한다.
보조 프로펠러(110)는 러더(20)의 전방에 위치한다. 보조 프로펠러(110)는 메인 프로펠러(30)와 대향되도록 배치된다. 보조 프로펠러(110)는 메인 프로펠러(30)의 후류에 의해 회전하며 추력을 발생시킨다. 이에 따라 메인 프로펠러(30)를 회전시키기 위해 투입되었던 에너지의 일부를 회수할 수 있다.
보조 프로펠러(110)는 러더 혼(21)에 회전 가능하게 설치된다. 보조 프로펠러(110)의 회전 샤프트(120)는 러더 혼(21)을 관통한다. 러더 혼(21)에는 회전 샤프트(120)가 관통하는 관통홀(미도시)이 형성되고 회전 샤프트(120)의 외주면과 관통홀의 내주면 사이에 수밀 부재(미도시)가 개재될 수 있다.
회전 샤프트(120)는 에어 펌프(130)와 연결된다. 에어 펌프(130)는 회전 방식으로 작동한다. 예컨대 에어 펌프(130)는 그 내부의 날개(미도시)를 회전시킴으로써 압축 공기를 생성한다. 에어 펌프(130)는 회전 샤프트(120)를 통해 보조 프로펠러(110)의 회전력을 전달받아 압축 공기를 생성한다. 이에 따라 메인 프로펠러(30)를 회전시키기 위해 투입되었던 에너지의 일부를 회수할 수 있다.
에어 펌프(130)는 러더 혼(21)의 내부에 위치한다.
에어 펌프(130)에서 발생된 압축 공기는 공기 라인(140)을 따라 이동하여 다양한 용도로 사용된다. 이에 대한 설명은 후술한다.
에어 펌프(130)는 보조 프로펠러(110)에 부하를 발생시킨다. 에어 펌프(130)에 의한 부하는 보조 프로펠러(110)의 회전수를 제어한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 프로펠러의 회전수가 제어되는 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 보조 프로펠러(110)의 회전 샤프트(120)에는 에어 펌프(130)의 부하에 의해 역토크(Q2)가 인가된다. 이 역토크(Q2)는 메인 프로펠러(30)의 후류에 의해 보조 프로펠러(110)의 블레이드(111)에 인가되는 정토크(Q1)와 균형을 이루면서 보조 프로펠러(110)의 회전수가 제어된다.
이때, 보조 프로펠러(110)의 블레이드(111)에는 루트에서 팁에 이르기까지 전체적으로 정토크(Q1)가 인가된다.
도 3은 도 2의 비교예로서 에어펌프가 없는 보조 프로펠러(110)의 회전 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다. 도 3을 참조하면, 보조 프로펠러(110)의 회전 샤프트(120)에 에어 펌프(도 2의 130)가 연결되어 있지 않은 경우 메인 프로펠러(도 1의 30)의 가속에 따라 보조 프로펠러(110)의 회전수가 과도하게 커질 수 있다. 즉, 보조 프로펠러(110)의 회전 샤프트(120)에 별도의 부하가 작용하지 않으면 보조 프로펠러(110)의 회전수는 제어되지 않는다.
이 경우, 보조 프로펠러(110)의 블레이드(111)의 루트로부터 팁에 이르기까지 유입류의 유동이 더욱 빨라지고, 블레이드(111)에는 받음각이 양영역에 위치하는 루트 영역 그리고 음영역에 위치하는 팁 영역이 형성된다. 이는 블레이드(111)의 피치가 블레이드(111) 루트에서 팁까지 최적 효율을 발휘하도록 설계되었다 하더라도 마찬가지이다.
이때, 루트 영역에서는 정토크(Q1)가 발생하고 팁 영역에서는 역토크(Q2)가 발생하고, 이로 인해 루트 영역과 팁 영역 사이의 경계 영역(U)에서 급격한 유동 흐름 변화 및 압력 손실이 발생하여 추진 효율이 급격히 나빠질 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 에어 펌프(130)는 보조 프로펠러(110)의 블레이드(111)에 인가되는 정토크(Q1)와 에어 펌프(130)의 부하에 의해 보조 프로펠러(110)의 회전 샤프트(120)에 인가되는 역토크(Q2)가 균형을 이루는 회전수로 보조 프로펠러(110)를 회전시킬 수 있도록 에어 펌프(130)의 부하 용량이 정해질 수 있다.
에어 펌프(130)의 부하 용량을 정하기 위해서, 에어 펌프(130)의 회전 날개를 크게 또는 적게 제작하거나, 회전 날개의 각도 또는 면적을 적절히 정할 수 있다.
한편, 에어 펌프(130)에서 발생된 압축 공기는 도 4와 같이 공기 라인(140)을 경유하여 선체(10)의 저면으로 공급되어 공기층을 형성한다. 선체(10)의 저면에는 압축 공기를 배출하는 다수의 공기 구멍(미도시)이 형성될 수 있다. 선체(10) 저면에 형성된 공기층은 물에 대한 선체(10)의 마찰 저항을 효과적으로 저감시킨다.
또는 에어 펌프(130)에 의해 발생된 압축 공기는 도 5와 같이 공기 라인(140)을 경유하여 메인 프로펠러(30)의 상측에서 배출되어 메인 프로펠러(30)로부터 선체(10)로 전달되는 진동을 차단한다.
또는 에어 펌프(130)에 의해 발생된 압축 공기는 도 6과 같이 공기 라인(140)을 경유하여 메인 프로펠러(30)의 전방에서 메인 프로펠러(30)로 분사된다. 이 경우 분사된 압축 공기는 메인 프로펠러(30)로 유입되는 유체의 속도분포를 균일화시켜 메인 프로펠러(30)의 회전에 의한 케비테이션의 발생을 억제하고 선체(10) 진동을 저감하며 메인 프로펠러(30)의 추진 효율을 향상시킨다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
1 : 선박 10 : 선체
13 : 스턴 보스 15 : 메인 샤프트
20 : 러더 21 : 러더 혼
30 : 메인 프로펠러 100 : 에너지 회수 장치
110 : 보조 프로펠러 111 : 블레이드
120 : 회전 샤프트 130 : 에어 펌프
140 : 공기 라인

Claims (7)

  1. 러더가 설치되는 선체;
    상기 선체에 설치된 메인 프로펠러;
    상기 메인 프로펠러와 대향하도록 상기 러더 전방에 위치하고, 상기 메인 프로펠러의 후류에 의해 회전하는 보조 프로펠러; 및
    상기 보조 프로펠러에 부하를 발생시키고, 상기 보조 프로펠러의 회전 샤프트와 연결되어 상기 회전 샤프트의 회전에 의해 압축공기를 발생시키는 에어 펌프를 포함하고,
    상기 메인 프로펠러의 후류에 의해 상기 보조 프로펠러의 블레이드에 인가되는 정토크와 상기 에어 펌프의 부하에 의해 상기 회전 샤프트에 인가되는 역토크가 균형을 이루는 회전수로 상기 보조 프로펠러의 회전수가 제어되도록 상기 에어 펌프의 부하 용량이 정해지는, 에너지 회수 장치를 구비한 선박.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보조 프로펠러는 상기 선체에 고정 설치되고 상기 러더를 회전 가능하게 지지하는 러더 혼에 회전 가능하게 결합되고,
    상기 에어 펌프는 상기 러더 혼의 내부에 위치하는, 에너지 회수 장치를 구비한 선박.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 보조 프로펠러의 회전수가 제어될 때, 상기 보조 프로펠러의 블레이드에는 루트에서 팁에 이르기까지 전체적으로 정토크가 인가되는, 에너지 회수 장치를 구비한 선박.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 에어 펌프에 의해 발생된 압축 공기는,
    상기 선체의 저면으로 공급되어 공기층을 형성하여 상기 선체의 마찰 저항을 저감하는, 에너지 회수 장치를 구비한 선박.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 에어 펌프에 의해 발생된 압축공기는,
    상기 메인 프로펠러의 상측에서 배출되어 상기 메인 프로펠러로부터 상기 선체로 전달되는 진동을 차단하는, 에너지 회수 장치를 구비한 선박.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 에어 펌프에 의해 발생된 압축공기는,
    상기 메인 프로펠러의 전방에서 상기 메인 프로펠러로 분사되어 상기 메인 프로펠러로 유입되는 유체의 속도분포를 균일화시키는, 에너지 회수 장치를 구비한 선박.
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