KR101689228B1 - 추진장치 - Google Patents

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유카 바리스
톰미 렘피아이넨
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에이비비 슈바이쯔 아게
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Abstract

본 발명의 추진장치(100)는 케이스(20), 샤프트(31), 프로펠러(37), 환상의 하우징(40) 및 림 드라이브 전기모터(50)를 포함한다. 케이스(20)는 선박의 동체(10)에서 회전 가능하게 지지 된다. 샤프트(31)는 케이스(20)의 하부(22) 내에서 베어링들(32, 33)로 회전 가능하게 지지 된다. 프로펠러(37)는 케이스(20)의 하부(22)로부터 돌출하는 샤프트(31)의 외측 단부(31a)에 부착된다. 환상의 하우징(40)은 프로펠러(37)의 외주를 에워싸고 상기 환상의 하우징(40)의 내부를 통해 흐르는 물을 위한 덕트(45)를 형성한다. 림 드라이브 전기모터(50)는 프로펠러(37)의 외주 상에 제공되는 회전자 림(51) 및 환상의 하우징(40) 내에 제공되는 고정자(52)를 포함한다. 표준형의 윤활유 급유식 롤러 베어링들(32, 33)이 케이스(20) 내부의 샤프트(31) 상에 사용될 수 있다. 추진장치(100)의 축 방향(X) 길이(L1)는 짧게 만들어질 수 있고 높은 토크가 달성될 수 있다.

Description

추진장치{A PROPULSION UNIT}
본 발명은 특허청구범위 제1항의 전제부에 따른 추진장치(propulsion unit)에 관한 것이다.
종래기술의 추진장치는 통상적으로 케이스(casing), 전기모터, 샤프트 및 프로펠러를 포함하고 있다. 케이스는 선박의 동체에 회전 가능하게 장착된다. 전기모터는 그 케이스 내부에 위치한다. 샤프트는 전기모터를 통과하고 케이스 내부에서 베어링으로 회전 가능하게 지지 된다. 프로펠러는 케이스로부터 돌출된 샤프트의 외측 일단에 부착된다. 저속에서 높은 추력(thrust)이 요구되는 추진장치들에서는 그 프로펠러의 주위를 에워싸는 환상의 하우징(annular housing) 하우징이 또한 존재한다. 환상의 하우징은 케이스의 상부 그리고 상기 케이스에서 지지되고 있는 하나 또는 다수의 날개(vane)들에 부착된다. 환상의 하우징은 그 환상의 하우징의 제1 단부로부터 제2 단부 쪽으로 물의 축 방향 유동통로를 갖는 하나의 중앙부 덕트(duct)를 형성한다. 프로펠러에 의해 발생되는 추력은 저속에서 하우징에 의해 증폭된다. 이러한 상황하에서는 프로펠러가 저속에서 전체 추력의 60%를 생성하는 한편 하우징이 전체 추력의 40%를 생성하는 것일 수도 있다. 상기한 하우징은 석유탐사 시추작업에서 잘 사용되는 소위 "다이내믹 포지셔닝(Dynamic Positioning: DP)" 선박들에서 이용되고 있다. 그러한 선박들에서는 다수의 추진장치들이 존재하며, 그리고 그 선박들은 추진장치들에 의해 제 위치에서 안정되게 유지된다. 따라서 거친 바다에서 선박을 계속해서 제 위치에 유지하기 위해서는 저속에서 큰 추력이 필요하다. 하우징은 단지 저속에서만, 즉 약 15노트 미만의 크기의 속도에서만 프로펠러에 의해 생성되는 추력을 증가시킨다.
국제특허공개공보 제99/14113호는 케이스, 전기모터, 샤프트, 프로펠러, 및 프로펠러의 주위를 에워싸는 환상의 하우징을 포함하는 추진 시스템의 일례를 개시하고 있다. 이 시스템은 특히 결빙 조건에서 움직이는 선박들을 위한 것이다. 상기 시스템은 선박의 동체에 회전 가능하게 지지되는 지주(strut), 그 지주에 부착된 어뢰 형상의 케이스, 그 케이스 내부의 드라이브 샤프트 및 전기모터, 드라이브 샤프트의 외측 일단에 부착된 프로펠러, 및 그 프로펠러를 에워싸고 있는 노즐을 구비하고 있다. 상기 노즐은 물 흡입구와 물 배출구를 포함한다. 회전 가능한 블레이드(blade) 또는 날개(vane)들이 노즐의 물 흡입구 외부의 드라이브 샤프트의 가장 외측 단부에 부착되어 얼음조각이 노즐에 들어가기 전에 얼음을 파쇄하거나 그리고/또는 잘게 부숴버리게 된다.
케이스, 그 케이스 내부의 전기모터, 및 전기모터에 의해 구동되는 케이스 외부의 프로펠러를 포함하는 그러한 종래기술에 있어서의 문제점은 저속에서는 토크(torque)가 부족하다는 점이다. 케이스 내부의 전기모터의 직경은 제한되며, 케이스 내부의 전기모터의 길이도 또한 제한된다. 프로펠러의 외주부를 둘러싸는 하우징은 저속에서 구성장치의 추력을 증가시킬 것이다. 그러나, 저속에서 더 큰 토크, 그리하여 전술한 DP 선박들에서의 저속조건에서 더 큰 추력을 낼 필요성이 존재한다.
또 다른 유형의 종래기술의 추진장치들은 소위 림 드라이브(rim drive) 구성에 기초하고 있다. 림 드라이브 추진장치는 프로펠러의 외주에 배치된 회전자(rotor)와 프로펠러를 에워싸는 환상의 하우징 내부에 배치된 고정자(stator)를 구비하고 있다. 전기모터의 고정자와 회전자의 직경은 상당히 증가될 수 있고, 이것에 의해 전기모터의 토크도 또한 증가될 수 있다. 프로펠러는 고정자와 회전자의 축 방향의 중심점을 통과하는 방사상 평면의 양 측면 상의 베어링들에 의해 지지되고 있는 샤프트에 부착된다. 샤프트 및 베어링들은 따라서 프로펠러의 내부에 있는 유동통로 내에 존재한다.
미국특허공개공보 제2012/0093668호는 환상의 하우징, 추진 조립체, 자기 회전자 조립체, 고정자 조립체를 포함하는 림 드라이브 추진기를 개시하고 있다. 환상의 하우징은 하나의 축을 따라 연장되는 유동통로를 형성한다. 상기 하우징의 전단부에는 원뿔형의 전방 페어링(forward faring)이 연결되고 그 하우징의 후단부에는 원통형의 고물쪽 페어링(aft faring)이 연결된다. 추진 조립체는 하우징 내부에서 지지되어 있고 유동통로의 축으로부터 방사상으로 연장되는 프로펠러 블레이드들을 구비하고 있다. 자기 회전자 조립체는 프로펠러 블레이드들의 외곽 단부들에 방사상으로 장착된다. 프로펠러 블레이드들은 상기 축을 중심으로 회전하도록 구성된다. 고정자 조립체는 환상의 하우징의 내주면에 장착되는 이격된 프로펠러 드라이브 모듈을 포함한다. 프로펠러 드라이브 모듈들은 자기 회전자 조립체에 대해 전자기적 토크를 제공하도록 구성된다. 환상의 하우징의 내측 표면으로부터 그 환상의 하우징의 중간에서 축을 향하는 방사상 방향으로 연장되는 환상의 하우징의 양단부들에서 지지용 브라켓들과 환상의 하우징의 중앙부에서 그 축을 따라서 연장되는 샤프트가 존재한다. 샤프트는 지지용 브라켓(support bracket)들에 대해 양단부들에서 베어링들에 의해 회전 가능하게 지지 된다.
미국특허 제6,837,757호는 림 드라이브 추진 장치를 개시하고 있다. 이 장치는 추진장치에 의해 추진될 인접한 선박으로부터 지주(strut)에 의해 지지되는 하우징을 구비하고 있다. 상기 하우징은 축 방향의 물 유동통로를 갖는 덕트를 형성한다. 이 덕트의 내부면은 하우징의 고물쪽 단부에서 원뿔형이다. 원뿔형 회전자 지지용 조립체는 하우징 내부에의 중앙부에 배치되고 그 하우징에서 블레이브의 형태로 된 지지 부재들의 배열에 의해 고물쪽 단부에서 지지 된다. 회전자 조립체는 허브와 그 허브에 부착된 방사형 프로펠러 블레이드들을 포함한다. 허브는 회전자 지지용 조립체의 전단부에서 회전자 지지용 조립체 내부에 중앙 고정지지용 샤프트에서 방사형 베어링들로써 회전 가능하게 지지 된다. 액시얼(axial) 베어링, 즉 쓰러스트(thrust) 베어링은 허브의 전단부에서 회전자와 함께 회전하는 쓰러스트 링 및 회전자 지지용 조립체에 부착된 고정용 쓰러스트 플레이트를 포함한다. 쓰러스트 베어링에서는 윤활용 매개체로서 물이 사용된다.
일본 특허공보 제10257752호는 선박용 드라이브 장치를 개시하고 있다. 상기 드라이브 장치는 원통형 케이스 내에서 베어링으로써 회전 가능하게 지지되는 중앙 샤프트 및 원통형 케이스를 에워싸는 하나의 환상의 하우징을 포함한다. 허브는 중앙 샤프트 상에 배치되고, 상기 허브는 그것에 방사상으로 부착된 프로펠러 블레이드들을 구비하고 있다. 프로펠러 블레이드들의 외측 모서리들에는 커플링 장치가 부착된다. 커플링 장치 상에는 여러 개의 회전자 코일들이 배열된다. 고정자 코일들은 케이스를 에워싸는 환상의 하우징에 배치된다. 고정자 코일 또는 회전자 코일들은 초전도체 물질로 제조되며, 또한 다른 코일들은 통상의 전도성 물질로 제조된다. 프로펠러 및 그의 중심 샤프트는 고정자 코일들과 회전자 코일들 사이에 전자력을 생성하도록 고정자 코일에 전류를 공급함으로써 회전이 된다.
전술한 세 개의 선행기술에 따른 림 드라이브(rim drive) 추진장치들 모두는 공통으로 회전자의 축 상의 중심점을 통과하는 방사상의 평면이 중심 샤프트의 방사형 베어링들 사이에 위치한 축 상의 중심점을 통과하는 방사상의 평면과 일치하도록 하는 구성을 갖는다. 이것은 종전에는 림 드라이브 추진장치를 구현함에 있어서 일종의 표준과 같은 방식이었다.
림 드라이브 추진장치는 회전자와 고정자의 직경의 증가로 인하여 저속에서 더 높은 토크를 발생한다. 그러나, 종래기술의 림 드라이브 추진장치들에 있어서의 문제는 그러한 림 드라이브 추진장치의 회전자를 지지하는 샤프트의 베어링에 대한 윤활제의 급유 문제이다. 종래기술의 림 드라이브 장치에서 사용되는 레이디얼 및 액시얼 베어링들은 종종 상기한 응용을 위해 설계된 특별한 구성장치들에 기초하고 있다. 이러한 특별한 장치들은 윤활유 매개체로서 물의 이용에 기초하고 있다. 그러나, 물을 이용한 윤활은 부식문제를 야기할 것이며, 그리고 물의 윤활제 속성은 상당한 제한을 갖는다. 해수(sea water)는 특히나 부식성이고, 따라서 종종 담수(fresh water)가 윤활작용을 위해 사용된다. 윤활작용을 위한 담수의 사용은 개별적인 담수 탱크가 이러한 목적을 위한 선박에 구비될 필요가 있다는 것을 의미한다.
본 발명의 목적은 종래기술의 추진장치들과 연관된 전술한 문제점들을 해소하기 위한 개량된 추진장치를 제공함에 있다.
본 발명에 따른 추진장치는 특허청구범위 제1항의 특징부에 기재된 것을 특징으로 한다.
상기 추진장치는,
상부와 하부를 포함하는 케이스로서, 선박의 동체에서 상기 상부로부터 회전 가능하게 지지되는 상기 케이스와,
상기 케이스의 하부 내에서 레이디얼 및 액시얼 베어링들로써 회전 가능하게 지지되는 샤프트로서, 상기 케이스의 하부의 제1단부로부터 돌출되는 외측 단부와 축상 중심선을 갖는 상기 샤프트와,
상기 케이스의 하부의 제1단부 외측에 상기 샤프트의 외측 단부에 부착된, 상기 샤프트와 함께 회전하는 프로펠러와, 그리고
상기 케이스에서 고정되게 지지되는 환상의 하우징으로서, 상기 샤프트의 상기 축상 중심선은 또한 상기 환상의 하우징의 축상 중심선을 형성하고, 상기 환상의 하우징은 프로펠러의 외주를 에워싸도록 구성되고 상기 환상의 하우징의 내부를 통해 흐르는 물을 위한 덕트를 형성하도록 된, 상기 환상의 하우징을 포함한다.
상기 추진장치는 회전자 림(rotor rim) 및 고정자(stator)를 포함하는 림 드라이브(rim drive) 전기모터를 더 포함하되, 상기 회전자 림은 프로펠러의 외주 상에 제공되는 한편 상기 프로펠러와 함께 회전하고, 상기 고정자는 상기 환상의 하우징 내부에 제공되며 상기 회전자 림을 에워싸도록 구성된다.
본 발명의 장치설비는 케이스 내의 샤프트를 지지하는 레이디얼(radial) 및 액시얼(axial) 베어링들로서 표준형 윤활유 롤러 베어링들을 사용하는 것을 가능하게 해준다. 상기 베어링들은 어떤 방식으로든 해수와는 접촉하지 않는다. 케이스의 하부의 제1단부로부터 돌출하는 샤프트는 그 케이스 안으로 해수가 침투할 수 없도록 밀봉된다. 샤프트가 케이스로부터 돌출하는 현재의 추진장치에서 사용되는 것과 같은 샤프트와 케이스 사이의 밀봉(sealing) 구조체는 본 발명에서도 또한 사용될 수 있다. 현재의 추진장치들에서 사용되는 것과 동일 유형의 윤활유 공급식 롤러 베어링들이 본 발명에서 사용될 수 있다. 윤활유 공급은 롤러 베어링의 하부가 윤활유 층 내에 놓여있도록 각각의 롤러 베어링 하부에 적절한 윤활유 용기를 배치함으로써 간단하게 구현될 수 있다. 따라서 윤활유는 롤러 베어링의 각각의 회전하는 동안 제공될 것이다.
케이스 안에 위치하는 통상적인 전기모터는 본 발명의 장치에서는 프로펠러를 에워싸는 하우징에 배치된 림 드라이브 전기모터로써 대체되었다. 따라서 상기 케이스는 샤프트를 지지하는 레이디얼 및 액시얼 베어링들뿐만 아니라 샤프트를 포함한다. 그리하여 케이스 내에서 열을 발생하는 것은 단지 레이디얼 및 액시얼 베어링들뿐이다. 케이스 내에서 발생된 열의 양은 전기모터가 케이스 내에 위치해 있는 구조의 장치에 비교하여 상당히 더 적다. 베어링들에 의해 발생되는 상당히 적은 양의 열은 그 케이스를 에워싸는 해수에 의해 직접적으로 케이스의 외각을 통해서 용이하게 냉각이 가능하다. 따라서 케이스 내부에 어떤 특별한 냉각장치들이 필요가 없게 된다.
케이스 내에서의 열을 발생하는 전기모터의 부재는 또한 샤프트와 케이스 사이의 밀봉장치의 수명에 이로운 효과를 가질 것이다. 상기한 밀봉장치는 밀봉장치 부근의 레이디얼 베어링에 의해 생성된 열에 대해서만 종속될 것이며, 전기모터에 의해서 발생된 열에 대해서는 종속되지 않을 것이다. 따라서 밀봉장치의 동작 온도는 더 낮게 되며, 이것은 밀봉장치의 수명을 늘려줄 것이다.
본 발명의 장치에서의 전기모터는 회전자가 프로펠러의 외주 상에 배치되고 고정자는 프로펠러를 에워싸는 하우징 내에 배치되는 구조를 갖는 림 드라이브 전기모터에 기초하고 있다. 프로펠러의 외주 직경과 하우징의 직경은 수 미터 정도로 크다. 이것은 회전자 주변에 큰 면이 존재하고 고정자 주변에는 더욱 큰 면이 존재하여서, 그 양자의 면들은 해수와 직접 접촉상태에 있다는 것을 의미한다. 이에 따라서 회전자와 고정자를 에워싸는 해수에 대한 회전자와 고정자의 직접적인 냉각은 효율적이다. 림 드라이브 전기모터를 위한 어떤 특별한 냉각장치들이 필요 없다.
전기모터가 케이스 내부에 위치한 구조에 비교하여 훨씬 더 큰 직경을 갖는 림 드라이브 전기모터 덕분에 본 발명의 장치에서는 높은 토크가 달성된다.
본 발명의 장치는 전술한 DP 선박들에서 사용하기에 특히 적합하다. 본 발명이 특히 적합한 경우의 DP 선박에서 필요한 추력은 50 내지 150톤 범위이다. 이러한 응용에 있어서 전기모터의 출력은 메가와트 급의 크기이다. 프로펠러의 외주의 직경은 수 미터 정도의 크기이다.
본 발명의 장치에 있어서 케이스와 하우징의 축 방향 길이는 케이스 내에 전기모터를 구비하는 종래기술의 추진장치에서의 하우징과 케이스의 축 방향의 길이보다 훨씬 더 작은데, 예를 들면, 40 내지 50% 정도나 더 작다. 이것은 장비를 아래로 내릴 때 케이스와 하우징이 장착되는 선박의 저부에 있는 서비스 구멍의 크기가 해당하는 방식으로는 더 작게 만들어질 수 있다는 것을 의미한다.
본 발명의 장치는 또한 프로펠러를 지지하는 샤프트의 크기에 대해 영향을 미친다. 전기모터에 의해 발생되는 토크가 프로펠러의 외주 상에 배치된 회전자 림으로부터 프로펠러에 직접적으로 전달될 때 샤프트는 토크에 저항할 필요가 없다. 샤프트는 프로펠러에 의해 발생되는 추력(thrust force)과 굽힘력(bending force)에만 저항하여야 한다. 이것은 속이 빈 샤프트가 본 발명의 장치에서 사용될 수가 있음을 의미한다. 냉각수는 베어링들과 밀봉장치에 대한 냉각작용을 강화하기 위하여 속이 빈 샤프트를 통해서 안내될 수도 있을 것이다.
추진장치의 크기를 예증하기 위해서는 본 출원인에 의해 제공되는 DP 선박을 위한 종래기술의 장치(Azipod®)를 참조할 수도 있을 것이다. 케이스 내에 배치된 전기모터의 출력은 4.5MW이고, 전기모터의 토크는 200kNm이고, 전기모터의 회전속도는 210rpm이고, 프로펠러의 외주 직경은 3.5m이고, 그리고 하우징과 케이스를 포함하는 전체 개체의 축 방향 길이는 6m 정도이다. 동일한 토크를 갖는 4.5MW 림 드라이브 전기모터를 사용함으로써 전체 개체의 길이를 약 50%까지 줄일 수 있다. 프로펠러의 직경은 전기모터의 토크 능력 증가로 인하여 증가될 수 있을 것이다. 프로펠러의 직경의 증가는 프로펠러에 의해 생성되는 추력을 증가시킬 것이다. 케이스 내부에 위치한 전기모터에 있어서의 고정자의 길이는 약 2.2m정도이고 림 드라이브 전기모터의 고정자의 길이는 약 0.35m정도이다. 림 드라이브 전기모터의 직경에 있어서의 증가는 모터의 질량이 상응하게 감소되지 않는 것으로 자연스럽게 귀착될 것이다. 전기모터에 사용되는 영구자석들의 질량은 림 드라이브 전기모터에서는 약 1000kg에서 약 400kg으로 감소가 가능할 것이다. 림 드라이브 전기모터의 동작효율은 약 97.8%이다.
이하에서 본 발명은 첨부한 도면들을 참조하여 바람직한 실시예들을 통하여 더 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 종래기술에 따른 추진장치를 도시한다;
도 2는 본 발명에 따른 추진장치의 제1실시예를 도시한다;
도 3은 본 발명에 따른 추진장치의 제2실시예를 도시한다.
도 1은 종래기술의 추진장치를 도시하고 있다. 프로펠러는 제1방향(S1)으로 선박을 전방으로 밀고 있다. 추진장치(100)는 케이스(20), 전기모터(30), 샤프트(31), 프로펠러(37) 및 환상(고리 모양)의 하우징(40)을 포함한다. 속이 빈 케이스(20)는 상부(21)와 하부(22)를 포함한다. 케이스의 상부(21)는 그 케이스(20)를 위한 곡선형의 지지부재를 형성한다. 케이스(20)는 선박의 동체(10)에 상부(21)로부터 회전 가능하게 지지 된다. 따라서 케이스(20)는 선박의 동체(10)에 관련하여 수직의 중심축(Y) 주위에서 360도로 회전이 가능하다. 케이스(20)의 하부(22)는 제1 단부(22A) 및 제2 단부(22B)를 구비한다. 케이스(20)의 하부(22)는 어뢰 형상을 갖는 길이 방향의 격실을 형성한다. 전기모터(30)는 케이스(20)의 하부(22)의 내부에 배치된다.
전기모터(30)는 선박 내부에 배치된 발전기에 케이블(35)로써 연결되며, 상기 발전기는 디젤 엔진에 의해 구동된다. 축상의 중심선(X)을 갖는 샤프트(31)는 전기모터(30)를 통과한다. 샤프트(31)는 케이스(20)의 하부(22)의 격실에 있는 베어링들(32, 33)에서 회전 가능하게 지지 된다. 레이디얼 베어링(32)은 케이스(20)의 하부(22)의 제1 단부(22A)에서 전기모터(30)의 일측에 배치되며 조합된 레이디얼/액시얼 베어링(33)은 케이스(20)의 하부(22)의 제2 단부(22B)에서 전기모터(30)의 반대편의 타측에 배치된다. 전기모터(30)의 회전자는 샤프트(31)에 배치되며, 전기모터(30)의 고정자는 그 회전자를 에워싼다. 케이스(20) 내부의 전기모터(30)의 직경(D1)은 0.5 내지 2미터 정도의 크기이다. 전기모터(30)의 직경(D1)의 증가는 케이스(20)의 물리적 크기를 증가시켜 케이스(20)의 유체역학적 특성을 약화시킬 것이다. 샤프트(31)의 외측 단부(31A)는 케이스(20)의 하부(22)의 제1 단부(22A)에서 개구부로부터 돌출한다. 샤프트(31)는 샤프트(31)를 따라 케이스(20) 안으로 물이 침투하지 않도록 케이스(20)의 하부(22)의 제1단부(22A)에서 밀봉장치(34)로써 밀페된다. 케이스(20)의 하부(22)의 제1 단부(22A) 바깥쪽의 샤프트(31)의 외측 단부(31A)에는 허브(36)가 부착되며, 그 허브(36)에는 프로펠러(37)가 부착된다.
프로펠러(37)의 외주를 에워싸는 환상의 하우징(40)이 또한 존재한다. 환상의 하우징(40)은 케이스(20)의 하부(22)로부터 아래쪽으로 연장되는 날개(vane)(23)에 그리고 케이스(20)의 상부(21)에 부착된다. 케이스(20)에서 환상의 하우징(40)을 지지하는 여러 개의 날개들(23)이 제공될 수도 있다. 환상의 하우징(40)은 그 환상의 하우징(40)의 제1 단부(41)로부터 제2 단부(42) 쪽으로의 축 방향의 물의 유동통로를 갖는 중앙부 덕트(45)를 형성한다. 전기모터(30)는 샤프트(31)를 통해 프로펠러(37)를 구동시킨다. 샤프트(31)의 축상 중심선(X)은 또한 하우징(40)의 축상 중심선을 형성한다. 축 방향에서의 환상의 하우징(40) 및 케이스(20)의 전체길이(L1)는 이러한 종래기술의 구성장치에 있어서는 상당히 크다. 환상의 하우징(40)의 내측 면은 샤프트(31)의 축 방향 중심축(X)과 일치하는 축 방향 중심축을 갖는 하나의 실린더를 형성한다. 회전하는 프로펠러(37)는 중앙부 덕트(45)의 제1 단부(41)로부터 그 중앙부 덕트(45)의 제2 단부(42) 쪽으로의, 상기한 제1방향(S1)과는 반대인, 제2방향(S2)으로 중앙부 덕트(45)를 통과해 물이 흐르도록 해준다.
회전자(51)의 축상 중간지점을 통과하는 제1 방사상 평면(Y1)은 케이스(20)의 하부(22)의 제1단부(22A) 외측에 배치된다. 따라서, 회전자(51)의 상기 축상 중간지점을 통과하는 제1 방사상 평면(Y1)과 베어링들(32, 33) 사이의 축상 중간지점을 통과하는 제2 방사상 평면(Y2)은 서로에 대해 축 방향의 거리(A1)에 존재한다. 상기 회전자(51)는 축 방향으로 소정의 폭을 가지며 회전자(51)의 축상 중간지점은 상기 폭의 중앙에 위치한다. 베어링들(32, 33)은 축 방향에서 서로로부터 소정의 거리에 배치되어 있다. 베어링들(32, 33) 사이의 축상 중간지점은 상기 거리의 중앙에 위치한다.
샤프트(31)의 외측 단부(31A) 근처의 레이디얼 베어링(32)은 보통은 롤러 베어링이며, 샤프트(31)의 반대편의 내측 단부(31B)에서의 조합형 레이디얼/액시얼 베어링(33)도 또한 보통은 롤러 베어링이다. 상기한 조합형 레이디얼/액시얼 베어링(33)은 방사 방향 및 축 방향의 이동에 대해 샤프트(31)를 지지한다. 회전하는 프로펠러(37)는 샤프트(31)를 따라서 축 방향의 힘을 발생하는 추력(쓰러스트)을 생성한다. 조합형 레이디얼/액시얼 베어링(33)은 이 힘을 케이스(20) 내부로 전달하고 그 케이스(20)는 선박의 동체(10)에 그것을 더한층 전달한다. 프로펠러(37)에 의해 생성된 추력은 저속에서 하우징(40)에 의해 증강된다. 이러한 상황은 프로펠러(37)가 전체 추력의 60%를 생성하는 한편 하우징(40)이 저속에서 전체 추력의 40%를 생성하도록 할 수 있다. 하우징(40)은 일종의 노즐을 형성하며 그리고 석유시추에서 사용되는 소위 다이내믹 포지셔닝(Dynamic Positioning: DP) 선박들의 추진장치들에서 유익하게 사용된다. 이러한 선박들에서는 여러 개의 추진장치들이 존재하며 선박들은 그 추진장치에 의해 제 위치에 유지된다. 이것은, 특히 거친 바다에서 선박을 계속해서 제 위치에 유지하기 위해서는 큰 추력이 저속에서 필요하다는 것을 의미한다.
도 2는 본 발명에 따른 추진장치의 제1 실시예를 도시하고 있다. 본 실시예에 있어서 프로펠러는 제1방향(S1)으로 선박을 전방으로 추진하고 있다. 본 실시예에서 추진장치(100)는 케이스(20), 전기모터(50), 샤프트(31), 프로펠러(37), 및 환상의 하우징(40)을 포함한다. 속이 빈 케이스(20)는 상부(21) 및 하부(22)를 포함한다. 케이스(20)의 상부(21)는 그 케이스(20)를 위한 곡선형의 지지부재를 형성한다. 케이스(20)는 선박의 동체(10)에 상부(21)로부터 회전 가능하게 지지 된다. 케이스(20)는 따라서 선박의 동체(10)에 관련하여 수직의 중심축(Y) 주위에서 360도로 회전이 가능하다. 케이스(20)의 하부(22)는 제1단부(22A) 및 반대편의 제2단부(22B)를 구비한다. 케이스(20)의 하부(22)는 베어링들(32, 33) 및 샤프트(31)를 위한 길이 방향의 격실을 형성한다.
케이스(20)에 배치된 전기모터(30)는 하우징(40) 내에 배치된 림 드라이브형 전기모터(50)에 의해 대체되었다. 축상 중심선(X)을 갖는 샤프트(31)는 레이디얼 베어링(32) 및 조합형의 레이디얼/액시얼 베어링(33)을 갖춘 케이스(20)의 하부(22)에 있는 격실(compartment)에 회전 가능하게 지지 된다. 샤프트(31)의 외측 단부(31A)는 케이스(20)의 하부(22)의 제1단부(22A)에서의 개구로부터 돌출한다. 케이스(20)의 하부(22)의 제1단부(22A) 바깥쪽의 샤프트(31)의 외측 단부(31A)에는 허브(36)가 부착되며, 그 허브(36)에는 프로펠러(37)가 부착된다.
케이스(20)에 지지된 환상의 하우징(40)이 또한 제공된다. 이 환상의 하우징(40)은 케이스(20)의 상부(21)에서 직접적으로 그리고 케이스(20)의 하부(22)에서는 날개(vane)(23)을 통해 지지 된다. 상기한 환상의 하우징(40)은 프로펠러(37)의 외주를 둘러싸며 그리고 상기 환상의 하우징(40)의 제1단부(41)로부터 제2단부(42) 쪽으로의 축 방향의 물의 유동통로를 갖는 중앙부 덕트(45)를 형성한다. 프로펠러(37)는 림 드라이브 전기모터(50)에 의해 구동된다. 상기한 림 드라이브 전기모터(50)는 회전자 림(rotor rim)(51)과 고정자(stator)(52)를 포함하는 유도전동기이다. 회전자 림(51)은 프로펠러(37)의 외주 상에, 즉 프로펠러(37)의 블레이드들의 외측 끝단 상에 제공되며, 프로펠러(37)와 함께 회전한다. 고정자(52)는 환상의 하우징(40) 내에 장착되고 회전자 림(51)을 둘러싼다. 회전자 림(51)은 영구자석을 포함하며 영구 자석 회전자를 형성한다.
회전자(51)의 축상 중심지점을 통과하는 제1 방사상 평면(Y1)은 케이스(20)의 하부(22)의 제1단부(22A) 외부에 배치된다. 상기한 회전자(51)의 축상 중심지점을 통과하는 제1 방사상 평면(Y1)과 베어링들(32, 33) 사이의 축상 중심지점을 통과하는 제2 방사상 평면(Y2)은 따라서 서로로부터 축 방향 거리(A1)에 존재한다. 회전자(51)는 축 방향으로 소정의 폭을 가지며, 회전자(51)의 축상 중간 지점은 상기 폭의 중앙에 위치한다. 베어링들(32, 33)은 축 방향으로 서로로부터 소정의 거리에 배치되어 있다. 베어링들(32, 33) 사이의 축상 중간 지점은 상기 거리의 중앙에 위치한다.
림 드라이브 전기모터(50)에 필요한 전력은 선박의 동체(10) 내에서 발생 된다. 전력은 디젤 엔진에 접속된 발전기에 의해 생성될 수도 있다. 림 드라이브 전기모터(50)의 고정자(52)에 대한 전력은 케이스(20)를 통해 선박의 동체(10)의 내부에 있는 발전기로부터 환상의 하우징(40) 내의 고정자(52)에까지 연장되는 케이블에 의해 제공된다.
케이스(20)의 하부(22)의 적어도 제1단부(22A)는 환상의 하우징(40) 내에 배치된다. 회전하는 프로펠러(37)는 중앙부 덕트(45)의 제1단부(41)로부터 중앙부 덕트(45)의 제2단부(42) 쪽으로의, 제1방향(S1)과는 반대인, 제2방향(S2)으로 물이 중앙부 덕트(45)를 통과해 흐르도록 해준다. 따라서 물의 유동은 중앙부 덕트(45) 안으로 들어가기 전에 케이스(20)의 외측 표면을 따라서 통과한다. 케이스(20)와 환상의 하우징(40)은 상기 장비의 표면들을 따라서 물이 부드럽게 통과하도록 해주기 위한 매끈한 형상을 갖는다. 케이스(20)의 상부(21)는 프로펠러(37)로부터 축 방향으로 떨어져 배치되는데, 이것은 케이스(20)가 프로펠러(37) 쪽으로의 물의 유동을 현저하게 방해하지 않는다는 것을 의미한다. 물의 유동은 케이스(20)를 통과하기 전에 그리고 프로펠러(37)에 들어가기 전에 안정화할 시간을 갖는다. 상기한 제2방향(S2)은 샤프트(31)의 중심축(X)을 따라서 연장된다.
도 2에 도시된 케이스(20)는 도 1에서의 케이스(20)에 비교하면 축 방향으로 훨씬 더 짧게 만들어질 수 있다. 이것은 프로펠러(37)를 구동하는 전기모터(50)가 케이스(20)로부터 하우징(40)으로 이동되었다는 사실 덕분이다. 케이스(20)의 하부(22)에서의 격실 내에서 샤프트(31)를 지지하는 베어링들(32, 33)은 전통적인 윤활유 방식의 롤러 베어링들(32, 33)일 수도 있다. 롤러 베어링들(32, 33)의 하부는 베어링들(32, 33)의 회전시 윤활성을 제공하도록 윤활유 통에 배치될 수도 있다. 따라서, 베어링들(32, 33)의 윤활을 위한 어떤 특별한 장치들을 만들 필요가 없게 된다. 베어링들(32, 33)에 의해 생성되는 열은 케이스(20) 내의 공기를 가열할 것이며, 케이스(20) 내부의 이러한 가열된 공기는 케이스(20)의 외각의 내면을 따라서 지나갈 때 냉각될 것이다. 케이스(20)의 외각의 외면은 주변의 해수와 직접적으로 접촉 상태에 있게 되고, 따라서 케이스(20)의 외각의 외면을 따라서 지나가는 해수에 의해 냉각될 것이다.
샤프트(31)의 외측 단부(31)가 케이스(20)의 하부(22)의 제1단부(22A)로부터 돌출하는 경우 케이스(20)의 하부(22)의 제1단부(22A)에서 샤프트(31)를 밀폐하는 밀봉장치(34)는 베어링들(32, 33)에 의해 발생되는 열에 의해서만 외부적으로 가열된다. 밀봉장치(34)에 외부 열을 생성하는 것은 주로 그 밀봉장치(34)에 인접하게 위치한 레이디얼 베어링(32)이다. 밀봉장치(34)의 부가적인 외부 가열을 일으키는 케이스(20)의 하부(22) 내에는 어떤 전기모터도 없다. 이것은 밀봉장치(34)의 동작 온도가 밀봉장치(34)의 수명을 연장시켜 주는 더 낮은 레벨에서 유지될 것이라는 것을 의미한다.
림 드라이브 전기모터(50)는 추진장치 응용에서 유익한 높은 토크를 발생한다. 높은 토크는 림 드라이브 전기모터(50)에서 회전자(51)의 큰 직경(D2) 때문이다. 전기모터의 토크는 전기모터의 체적에 비례한다. 림 드라이브 전기모터(50)의 체적은 림 드라이브 전기모터(50)의 큰 직경(D2)에 의해 증가 된다. 도 2에서의 림 드라이브 전기모터(50)의 직경(D2)은 도 1에서의 전기모터(30)의 직경(D1)의 2 내지 6배 정도이다. 림 드라이브 전기모터(50)는 주변의 해수에 대해 직접적으로 고정자(52)의 충분한 냉각이 달성될 수 있도록 설계될 수 있다. 또한 림 드라이브 전기모터(50)의 회전자(51)는 주변의 해수에 직접적으로 냉각이 될 수 있다. 회전자(51)는 하우징(40)의 내부 면에 형성된 환상의 홈(46)에서 회전한다. 회전자(51)와 고정자(52) 사이의 환상의 홈(46)에 통로(P1)가 배열되어 해수가 중앙부 덕트(45)를 통과하고 있을 때 상기 통로(P1)를 통과하게 된다. 통로(P1)에서 흐르는 해수는 회전자(51)와 고정자(52) 양자를 냉각시킬 것이다. 림 드라이브 전기모터(50)의 고정자(52)는 또한 환상의 하우징(40)의 외면 상에서 통과하는 해수에 의해서도 냉각될 것이다. 하우징(40)의 외면은 하우징(40)의 큰 직경 때문에 크고, 따라서 고정자(52)를 위한 큰 냉각면을 형성하게 되며, 이러한 큰 냉각면은 해수와 직접적인 접촉에 있게 된다. 따라서 회전자(52)의 냉각은 직접적으로 하우징(40)의 외각을 통해서 그 하우징(40)의 외각을 에워싸는 해수에 대해 수동형 냉각(passive cooling)으로서 배열될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 추진장치의 제2 실시예를 도시하고 있다. 본 실시예에서 프로펠러는 제2방향(S2)에서 선박을 전방으로 잡아당기고 있다.
추진장치(100)의 이러한 제2 실시예는 프로펠러(37)와 하우징(40)을 제외하고는 도 2에 도시된 추진장치(100)의 제1 실시예에 상당한다. 이 제2 실시예에 있어서 프로펠러(37)는 도 2에 도시된 제1 실시예에서의 프로펠러(37)의 작동 방향(S2)에 비교하여 반대 방향(S1)으로 작동하고 있다. 제2 실시예에서 하우징(40)의 방향은 도 2에 도시된 제1 실시예에서의 하우징(40)의 방향에 비교하여 180도 전환된다. 이러한 제2 실시예에 있어서 케이스(20)의 하부(22)의 적어도 제1단부(22A)는 또한 환상의 하우징(40) 내에 위치한다. 회전하는 프로펠러(37)는 물이 중앙부 덕트(45)의 제1 단부(41)로부터 중앙부 덕트(45)의 제2 단부(42) 쪽으로 제1방향(S1)으로 중앙부 덕트(45)를 통해 흐르도록 해준다. 따라서 물은 중앙부 덕트(45) 안으로 자유롭게 흘러들어가고 중앙부 덕트(45)를 벗어날 때 케이스(20)의 외면을 따라서 지나간다. 케이스(20)와 환상의 하우징(40)은 상기한 장비의 표면을 따라서 부드럽게 물이 통과하게 해주기 위해 도 1의 실시예에서와 같은 매끈한 형태를 갖는다. 케이스(20)의 상부(21)는 프로펠러(37)로부터 축 방향으로 일정 거리에 배치되는데, 이것은 프로펠러(37)로부터 사출된 물의 흐름을 케이스(20)가 현저하게 방해하지 않는다는 것을 의미한다.
케이스(20)는 선박의 동체(10)에 관련하여 수직 중심축(Y) 주위에서 360도 회전이 가능하다. 샤프트(31)는 수평 중심축(X) 주위에서 회전한다. 따라서 케이스(20)의 스위블 축(swivel axis)(Y)과 샤프트(31)의 스위블 축(X) 사이의 각도는 도면에서는 90도이다. 샤프트(31)의 스위블 축(X)는 수평면에 관하여 자연스럽게 경사가 지게 할 수 있다. 샤프트(31)의 경사진 스위블 축(X)는 유체역학적인 장점으로 귀착될 수도 있다. 샤프트(31)의 경사진 스위블 축(X)은 선박의 동체(10)에 관련하여 전체 케이스(20)를 기울임으로써 달성될 수 있다.
본 발명과 그의 실시예들은 전술한 예들에만 한정되지는 않으며, 특허청구범위의 범위 내에서 변화할 수도 있다.

Claims (11)

  1. 어뢰 형상을 갖는 길이 방향의 격실을 형성하는 하부(22)와 상부(21)를 포함하는 속이 빈 케이스(20)로서, 선박의 동체(10)에서 상기 상부(21)로부터 회전 가능하게 지지되는 상기 케이스(20),
    상기 케이스(20)의 하부(22) 내에서 윤활유 방식의 롤러 베어링들인 레이디얼 및 액시얼 베어링들(32, 33)로써 회전 가능하게 지지되는 샤프트(31)로서, 상기 케이스(20)의 하부(22)의 제1 단부(22A)로부터 돌출되는 외측 단부(31A)와 축상 중심선(X)을 갖는 상기 샤프트(31),
    상기 케이스(20)의 하부(22)의 제1 단부(22A) 외측에 상기 샤프트(31)의 외측 단부(31A)에 부착된, 상기 샤프트(31)와 함께 회전하는 프로펠러(37), 및
    상기 케이스(20)에서 고정적으로 지지되는 환상의 하우징(40)으로서, 상기 샤프트(31)의 상기 축상 중심선(X)은 또한 상기 환상의 하우징(40)의 축상 중심선을 형성하고, 상기 환상의 하우징(40)은 프로펠러(37)의 외주를 에워싸도록 구성되고 상기 환상의 하우징(40)의 내부를 통해 흐르는 물을 위한 덕트(45)를 형성하도록 된, 상기 환상의 하우징(40)을 포함하는 추진장치로서,
    상기 추진장치는 회전자 림(51) 및 고정자(52)를 포함하는 림 드라이브 전기모터를 더 포함하되, 상기 회전자 림(51)은 프로펠러(37)의 외주 상에 제공되고 상기 프로펠러(37)와 함께 회전하고, 상기 고정자(52)는 상기 환상의 하우징(40) 내부에 제공되며 상기 회전자 림(51)을 에워싸도록 구성되고,
    상기 샤프트(31)의 외측 단부(31A)는 상기 케이스(20) 안으로 물이 침투하는 것을 방지하기 위하여 상기 케이스(20)의 하부(22)의 제1단부(22A)에 밀봉장치(34)로써 밀봉되며,
    상기 회전자 림(51)의 축상(X) 중심지점을 통과하는 제1 방사상 평면(Y1)은 상기 케이스(20)의 하부(22)의 제1 단부(22A) 외측에 배치되고,
    상기 회전자 림(51)의 축상(X) 중심지점을 통과하는 상기 제1 방사상 평면(Y1) 및 상기 베어링들(32, 33) 사이의 축상 중심지점을 통과하는 제2 방사상 평면(Y2)은 서로로부터 축 방향으로 일정 거리(A1)에 놓여 있는 것인 추진장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 환상의 하우징(40)의 내면은 환상의 홈(46)을 포함하되, 상기 회전자 림(51)은 상기 환상의 홈(46) 내에서 회전하는 것인 추진장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 홈(46)에는 상기 하우징(40)과 회전자 림(51) 사이에 통로(P1)가 존재하고, 상기 회전자 림(51)과 고정자(52)를 냉각하기 위하여 물이 상기 통로(P1)를 통과할 수 있도록 된 추진장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 환상의 하우징(40)의 내부를 통과하는 상기 덕트(45)는 원통형인 추진장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 케이스(20)의 하부(22)의 적어도 상기 제1 단부(22A)는 상기 환상의 하우징(40) 내에 위치되는 것인 추진장치.
  6. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 회전자 림(51)은 영구자석 회전자인 추진장치.
  7. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 고정자(52)의 냉각은 상기 하우징(40)의 외각을 에워싸는 해수에 대하여 상기 하우징(40)의 외각을 통해 직접적으로 패시브 냉각으로서 구성되는 것인 추진장치.
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