KR101602507B1 - 선박용 대형 디젤 엔진의 배기가스 에너지를 이용하는 선박 추진 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발전기(5)와 연결된 추진축을 구동하는 선박용 대형 디젤 엔진(1)을 구비한 선박 추진 시스템의 설계 및 구동 방법에 관한 것으로, 상기 방법에서는 선박용 디젤 엔진을 벗어난 후 불필요해진 배기가스가 적어도 하나의 터보 차저에 의해 배기가스 터빈으로 공급되며, 상기 배기가스 터빈은 그의 출력을 기계적으로 발전기(5)로 전달하고, 상기 발전기는 변속기(3, 4)를 통해 추진축에 작용한다.

발전기, 대형 디젤 엔진, 선박 추진 시스템, 배기가스 터빈, 변속기

Description

선박용 대형 디젤 엔진의 배기가스 에너지를 이용하는 선박 추진 시스템 {SHIP PROPULSION SYSTEM WITH USE OF THE EXHAUST GAS ENERGY OF LARGE MARINE DIESEL ENGINES}

본 발명은 발전기와 연결된 추진축을 구동하는 선박용 대형 디젤 엔진을 구비한 선박 추진 시스템의 설계 및 구동 방법에 관한 것으로, 상기 방법에서는 선박용 디젤 엔진을 벗어난 후 불필요해진 배기가스가 적어도 하나의 터보 차저(turbo charger)에 의해 배기가스 터빈으로 공급된다.

인터넷 공개 문서(출처: www.abb.com/turbocharging), "보다 낮은 연료 소비 및 배출을 위한, ABB 터보 차저 및 파워 터빈을 이용한 폐열 회수(Waste heat recovery with ABB turbochargers and power turbines for lower fuel consumption and emissions)"의 6페이지, 도 3에는 대형 엔진이 배기가스 터빈을 통해 발전기를 구동하는 시스템이 도시되어 있다. 발전기에 의해 발생한 전기 에너지는 선박 내 전기공급망의 전기 에너지와 마찬가지로 선박의 추진축 상의 전동기에 공급되는데, 이 경우 상기 전동기가 발전기로서 작동할 수도 있다. 즉, 전기 에너지를 선택적으로 공급받거나 발생시킬 수 있는 전동 발전기(motor-generator) 유닛을 의미한다. 또한, 선박 내 전기공급망의 전력 공급을 위해 일반적인 디젤 발전기 세트가 추가로 제공된다.

이러한 유형의 배기가스 활용의 경우, 선박 내 전기공급망용 디젤 발전기 세트의 발전기들 외에도, 선박용 전기 에너지를 발생시키기 위해 2개의 추가 발전기가 필요하다는 단점이 있다.

본 발명의 목적은, 선박용 대형 디젤 엔진의 배기가스 에너지를 이용하기 위한 방법 및 장치로서, 발전기 1개가 생략되는 방법 및 장치를 제공하는 것이다. 또한, 이러한 신규한 시스템을 제어공학적으로 매우 간단하게 그리고 매우 컴팩트한 장치로서 설계하는 것을 세부 목적으로 한다.

상기 목적은, 선박용 디젤 엔진의 배기가스가 배기가스 터빈에 공급되고, 상기 배기가스 터빈은 그의 출력을 기계적으로 발전기로 전달하며, 이 발전기는 동시에 축 발전기(shaft generator)이기도 하며 변속기를 통해 추진축과 연결됨으로써 달성된다. 이러한 구성을 통해 상기 목적이 매우 바람직하게 달성되며, 전기 에너지를 발생시키기 위한 발전기가 절약된다.

이 경우, 남은 발전기는 바람직하게 공지된 방식으로 전동기로도 구동될 수 있도록 설계된다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 가스 터빈이 회전수 제어 없이 구동되어, 오버런닝 클러치가 닫히고 주 엔진이 변속기를 통해 회전수 제어를 수행할 때까지 제어 없이 고속으로 회전한다. 즉, 가스 터빈은 바람직하게 온/오프 밸브를 통해 구동될 수 있기 때문에, 조정 밸브에 의한 복잡한 제어는 불필요하다. 터보 차저와 배기가스 터빈 사이의 고온의 배기가스 흐름 내에 제공되는 상기 유형의 조정 밸브가 공지되어 있긴 하나, 구동 및 유지보수 기술적인 측면의 문제들을 수반한다.

형성된 전동 발전기 유닛이 주파수 변환기를 통해 선박 내 전기공급망과 연결되어, 요구에 맞게 선택적으로 선박 내 전기공급망으로부터 에너지를 끌어오거나, 선박 내 전기공급망으로 에너지를 제공한다. 그럼으로써 선상에서 최적의 에너지 관리가 달성될 수 있으며, 특히 예컨대 선박이 예정보다 연착되는 경우에 수반되는 동력 보유(power reserve)가 제공될 수 있다. 이 경우, 통상 발전기로서 구동된 전동 발전기 유닛이 부스터로서 사용된다.

선박 내 전기공급망에 의해 필요한 정주파수에 도달하기 위해, 주파수 변환기에서 입력측 가변 주파수가 선박 내 전기공급망 주파수로 변환된다. 적절한 주파수 변환기는 공지되어 있으며, 예컨대 출원인에 의해 "시플링크(Siplink)"라는 상표로 판매되고 있다. 이 주파수 변환기는 본래 도시간(interurban) 회로망들의 접속을 위해 개발되었으며, 전술한 목적에 매우 적합하다.

선박 내 전기공급망을 구비한 선박의 추진 시스템을 구동하는 방법을 수행하기 위해, 선박을 구동하는 대형 디젤 엔진, 즉 충전된 대형 디젤 엔진이 주 추진 장치로서 선박의 추진축에 필요한 회전 에너지를 제공하며, 발전기의 한쪽 축 끝과 연결된 터널형 변속기를 포함하는 추진축이 제공되며, 발전기의 다른 쪽 축 끝은 오버런닝 클러치를 구비한 감속기를 통해 대형 디젤 엔진의 배기가스 터빈과 연결된다. 그럼으로써, 지금껏 달성되지 못했던, 대형 디젤 엔진과 배기가스 터빈을 구비한 선박 추진 시스템의 간단한 구성이 가능해진다.

이때, 배기가스 터빈은 비제어 방식으로 설계된다. 그로 인해 매우 간단한 배기가스 터빈이 구현된다. 배기가스 터빈은 온/오프 밸브에 의해 작동된다. 회전수 제어는 무제한 고속 회전 이후에 주 엔진이 수행한다. 발전기는 전동기로도 구동될 수 있도록, 즉 전동 발전기 유닛이 구현되도록 설계된다.

그 밖에도 전동 발전기 유닛은 주파수 변환기를 포함하며, 이 주파수 변환기는 전동 발전기 유닛을 선박 내 전기공급망과 연결한다. 그럼으로써 선박 내 전기공급망으로부터 전기 에너지가 전동 발전기 유닛으로 공급될뿐 아니라, 선박 내 전기공급망을 위해 제공될 수도 있다.

본 발명의 범주에서는, 대형 디젤 엔진이 회전수 제어부를 구비하며, 상기 회전수 제어부는 연속 작동 중인 변속기의 진동 여기가 나타나는 회전수 범위를 방지한다. 변속기를 통해 서로 연결되며 상이한 특성곡선을 갖는 2개의 회전 에너지 발생 유닛의 경우, 경우에 따라 회전 진동이 발생할 수 있다. 이러한 회전 진동은 변속기에 매우 유해할 수 있고, 2개의 유닛이 지속적으로 여기될 수 있는 회전수 범위들이 변속기 손상을 야기할 수 있다. 따라서 이러한 범위들은, 대형 디젤 엔진 자체의 경우에도 통상적인 것처럼, 빠르게 통과된다. 조선 분야에서 상기 목적에 적합한 변속기로서 이미 터널형 변속기가 공지되어 있으므로, 여기서는 신규 기술 분야는 다루지 않는다.

본 발명의 또 다른 실시예에서는, 배기가스 터빈과, 오버런닝 클러치를 구비한 후방 접속된 변속기와, 전동 발전기 유닛과 터널형 변속기가 공동의 오일 공급부를 갖는다. 따라서 추가의 비용 절감이 달성된다. 경우에 따라 상기 유닛 내에 비틀림 진동 댐퍼도 통합된다.

전체적으로, 대형 디젤 엔진의 배기가스 터빈의 발전기로서 축 발전기가 사용됨으로써, 기술적 기능 유닛 형태의 간단한 추가 부품들과 관련하여 충전된 대형 디젤 엔진의 우수한 효율이 저하되지 않고도 현저한 비용 축소가 달성된다.

본 발명은 도면을 참고로 더 상세히 설명되며, 도면 설명과 관련된 본 발명의 추가적인 세부 사항들은 상기 도면뿐 아니라 종속항들에도 제시된다.

도 1은 선박 추진 시스템의 개략적인 구동 회로도이다.

도면부호 "1", "2" 및 "3"은 각각 디젤 엔진, 선박 프로펠러 및 터널형 변속기(tunnel gearbox)를 나타낸다. 도면부호 "4"는 예컨대 1800rpm으로부터 100rpm으로의 감속비를 갖는 변속기의 발전기 측을 나타낸다. 또한, 상기 터널형 변속기는 통상 1000 내지 1500킬로와트의 출력을 가질 수 있는 전동 발전기 유닛(5)을 위한 입력축을 갖는다. 상기 출력은 현격히 변동할 수 있다.

전동 발전기 유닛(5)과 주파수 변환기(6)가 연결되며, 주파수 변환기는 디젤 발전기 유닛들(8)로부터 전력을 공급받는 선박 내 전기공급망(7)과 연결되어 있다. 선박 내 전기공급망의 개별 부품들은 개략적으로 도시된 스위치에 의해 상호간에 그리고 주파수 변환기로부터 분리된다.

충전된 디젤 엔진(1)의 배기가스 부분 흐름이 온/오프 밸브(9)를 통해 배기 가스 터빈(11)의 배기가스 관(10) 내에 제공되고, 배기가스 터빈(11)은 오버런닝 클러치(12)를 구비한 감속기를 통해, 이미 언급한 것처럼 전동기로도 스위칭될 수 있는 발전기(5)를 구동한다. 배기가스 터빈의 회전수는 약 20,000rpm이고, 변속기에서 발전기에 필요한 1800rpm의 회전수로 감속된다. 배기가스 터빈의 출력은, 발전기의 출력과 마찬가지로, 약 1000 내지 1500킬로와트에 달하며, 이는 예컨대 대형 컨테이너 선박의 설계에 거의 상응한다. 출력은 선박 크기에 각각 매칭될 수 있다. 그러나 배기가스 활용 원리는 동일하다. 개별 부품들도 원칙적으로 동일하다.

구동되어야 하는 배기가스 터빈(11)은 간단하게 온/오프 밸브(9)의 개방에 의해 구동된다. 배기가스 터빈은 오버런닝 클러치가 닫힐 때까지 제어 없이 고속으로 회전한다. 이는 발전기(5)의 회전수에 도달하면 자동으로 실시된다. 즉, 매우 바람직하게는 스타트 과정 시 발전기 회전수에 도달할 때까지 어떠한 제어도 불필요하다. 발전기(5)는 선박 내 전기공급망(7)에 의해 조작된다. 발전기(5)를 위해 별도의 주파수 제어는 필요치 않다. 즉, 발전기 제어가 최소로 제한됨에 따라 발전기는 제어 기술적으로도 매우 간단하게 구현될 수 있다. 따라서 제2 발전기의 생략 및 사용되는 발전기의 매우 간단한 구현 그리고 가스 터빈의 제어 생략으로 인한 상당한 비용 이득이 획득된다. 이는 터널형 변속기(4)에 의한 비용을 충분히 보상한다. 발전기 자체가 종래 기술에 공지된 것과 같은 축 발전기보다 훨씬 더 작게 구현될 수 있다. 왜냐하면, 훨씬 더 높은 속도로 회전하기 때문이다. 그럼으로써 발전기 자체도 공지된 종래 기술의 경우보다 더 저렴해진다.

별도의 배기가스 터보 발전기로 연결되는 에너지 전달 라인들의 생략 등에 의해서도 획득되는 장점들은 변속기 비용 문제보다 훨씬 중요하다.

Claims (14)

1. 선박 내 전기공급망을 구비한 선박의 추진 시스템이며,

   상기 선박은 선박의 추진축과 연결된 충전된 대형 디젤 엔진(1)을 주 구동 장치로서 포함하며, 상기 추진축은 발전기(5)의 한쪽 축 끝과 연결된 터널형 변속기(3)를 포함하며, 발전기(5)의 다른 쪽 축 끝은 오버런닝 클러치를 구비한 감속기(12)를 통해 배기가스 터빈(11)과 연결되고, 감속기(12)는 배기가스 터빈(11)의 회전속도를 발전기(5)의 회전속도까지 감소시키며, 터널형 변속기(3)는 발전기(5)의 회전속도를 추진축의 회전 속도까지 감소시킴으로써, 대형 디젤 엔진(1)의 배기가스로부터 프로펠러(2)를 위한 회전 에너지가 발생할 수 있으며,

   발전기(5)가 전동기로서 스위칭 가능하도록 설계됨에 따라, 선택적으로 전동기 모드로 또는 발전기 모드로 구동될 수 있고, 발전기(5)는 주파수 변환기(6)를 통해 선박 내 전기공급망(7)과 연결되어 전기 에너지가 발전기(5)로 또는 발전기(5)로부터 공급되는, 선박 추진 시스템.
2. 제1항에 있어서, 배기가스 터빈(11)은 비제어 방식으로 설계되는 것을 특징으로 하는, 선박 추진 시스템.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 대형 디젤 엔진(1)과 배기가스 터빈(11) 사이에 온/오프 밸브(9)가 배치되는 것을 특징으로 하는, 선박 추진 시스템.
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5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 대형 디젤 엔진(1)은 회전수 제어부를 구비하며, 상기 회전수 제어부는 연속 작동 중인 변속기(3, 4)의 진동 여기가 나타나는 회전수 범위를 방지하는 것을 특징으로 하는, 선박 추진 시스템.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 선박 추진 시스템은 변속기(3, 4)와 연결되어 있는 비틀림 진동 댐퍼를 구비한 것을 특징으로 하는, 선박 추진 시스템.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 배기가스 터빈(11)은 오버런닝 클러치(12), 전동기로서도 스위칭 가능한 발전기(5), 및 변속기(3, 4)와 함께 공동의 오일 공급부를 구비한 기술적 기능 유닛을 형성하는 것을 특징으로 하는, 선박 추진 시스템.
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