KR101834310B1 - 추력 향상 장치 및 이를 포함하는 선박 - Google Patents

추력 향상 장치 및 이를 포함하는 선박 Download PDF

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Abstract

추력 향상 장치가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 추력 향상 장치는 상기 프로펠러의 전방에서 상기 프로펠러 측으로 공기를 배출하는 공기 배출부를 포함하고, 상기 공기 배출부는 선체에 빙 저항(ice resistance)이 발생하는 상황에서 작동한다.

Description

추력 향상 장치 및 이를 포함하는 선박{Apparatus for improving thrust and ship including the same}
본 발명은 추력 향상 장치 및 이를 포함하는 선박에 관한 것이다.
유빙이 있는 지역(이하, 유빙 지역이라 함)을 운항하는 선박을 특히 아이스 클래스(Ice Class) 선박이라 한다.
아이스 클래스 선박은 운항 과정에서 유빙에 의한 빙 저항(ice resistance)이발생되는 조건(이하, 아이스 조건이라 함)뿐만 아니라 유빙에 의한 빙 저항이 없는 조건(이하, 오픈 씨(Open sea) 조건이라 함)에서 운항된다.
아이스 클래스 선박이 아이스 조건에서 운항되면 빙 저항(ice resistance)에 의해 선속이 감소하는 등 운항 성능이 떨어진다. 이러한 운항 성능 저감을 해결하기 위해 프로펠러의 추력이 증가해야 한다. 그리고 프로펠러의 추력이 증가하기 위해서는 엔진의 출력이 증가해야 한다.
이와 관련하여, 도 1은 일반적인 엔진 리미트 커브와 프로펠러 작동 커브를 나타내는 그래프이다. 도 1을 참조하면, 일반적으로 엔진은 도 1과 같이 엔진 리미트 커브(E)를 가진다. 엔진 리미트 커브(E)는 회전수에 따라 엔진이 낼 수 있는 최대 출력을 나타낸다. 프로펠러는 특정 조건에서 엔진 리미트 커브와 교차하는 특정 프로펠러 작동 커브(C1, C2)를 가질 수 있다.
엔진은 특정 조건에서 특정 프로펠러 작동 커브(C1, C2)를 따르는 출력을 프로펠러에 제공한다. 이때, 엔진은 특정 조건에서 프로펠러 작동 커브(C1, C2)와 엔진 리미트 커브(E)의 교차점에서의 출력(P1, P2)을 최대 출력으로 하여 프로펠러에 제공한다.
예컨대, 아이스 클래스 선박이 오픈 씨 조건에서 운항되는 경우, 프로펠러는 도 1에서 오른쪽에 위치하는 프로펠러 작동 커브(C1)를 가질 수 있다. 이때, 엔진은 프로펠러 작동 커브(C1)를 따르는 출력을 프로펠러에 제공하도록 작동할 수 있다. 이때, 엔진은 프로펠러 작동 커브(C1)와 엔진 리미트 커브(E)의 교차점에서의 출력(P1)을 최대 출력으로 하여 프로펠러에 제공할 수 있다.
아이스 클래스 선박이 아이스 조건에서 운항되는 경우, 프로펠러는 도 1에서 왼쪽에 위치하는 프로펠러 작동 커브(C2)를 가질 수 있다. 이때, 엔진은 프로펠러 작동 커브(C2)를 따르는 출력을 프로펠러에 제공하도록 작동할 수 있다. 이때, 엔진은 프로펠러 작동 커브(C2)와 엔진 리미트 커브(E)의 교차점에서의 출력(P2)을 최대 출력으로 하여 프로펠러에 제공할 수 있다.
아이스 클래스 선박의 운항 조건이 오픈 씨 조건에서 아이스 조건으로 변경되면, 빙 저항에 의해 프로펠러는 오른쪽에 위치하는 프로펠러 작동 커브(C1)보다 왼쪽에 위치하는 프로펠러 작동 커브(C2)를 가질 수 있다.
이 경우, 빙 저항(ice resistance) 때문에 오픈 씨 조건에 비해 선속이 감소하는 등 운항 성능이 떨어질 수 있다. 이러한 운항 성능 저감을 해결하기 위해 프로펠러의 추력이 증가해야 한다. 그리고 프로펠러의 추력이 증가하기 위해서는 엔진의 출력이 증가해야 한다.
그런데 아이스 조건에서 엔진이 프로펠러에 제공할 수 있는 최대 출력(P2)은 오픈 씨 조건에서 엔진이 프로펠러에 제공할 수 있는 최대 출력(P1)에 비해 작다. 따라서 아이스 조건에서는 프로펠러의 추력을 향상시키기 위해 엔진이 프로펠러에 제공할 수 있는 최대 출력이 작기 때문에 저하된 선박의 운항 성능을 향상시키기 매우 어렵다.
공개특허공보 제10-2015-0061884호(2015.6.5.)
본 발명의 실시예는, 빙 저항이 발생하거나 발생 가능한 상황에서 프로펠러의 추력을 향상시키도록 구성된 추력 향상 장치 및 이를 포함하는 선박을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 프로펠러의 전방에서 상기 프로펠러 측으로 공기를 배출하는 공기 배출부를 포함하고, 상기 공기 배출부는 선체에 빙 저항(ice resistance)이 발생하는 상황에서 작동하는, 추력 향상 장치가 제공될 수 있다.
상기 추력 향상 장치는 상기 빙 저항(ice resistance)이 발생하거나 발생 가능한 상황을 인지하여 상기 공기 배출부를 작동시키는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 추력 향상 장치는, 상기 프로펠러를 회전시키는 엔진의 회전수를 측정하는 회전수 측정부; 및 상기 엔진의 출력을 측정하는 출력 측정부를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 회전수 측정부 및 상기 출력 측정부로부터 각각 측정 회전수와 측정 출력을 수신하고, 상기 측정 회전수에서 상기 엔진이 낼 수 있는 최대 출력에 대한 상기 측정 출력의 비율이 설정값에 도달하면, 상기 빙 저항이 발생한 것으로 판단하여 상기 공기 배출부를 작동시킬 수 있다.
상기 추력 향상 장치는 유빙을 감지하는 센서를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 센서로부터 유빙 감지 신호를 수신하면, 상기 빙 저항이 발생 가능한 것으로 상기 공기 배출부를 작동시킬 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 추력 향상 장치를 포함하는 선박이 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 공기 배출부는 아이스 조건에서 프로펠러 측으로 공기를 배출하여 프로펠러가 낼 수 있는 추력을 향상시킴으로써, 아이스 조건에서 떨어진 선박의 주행 성능을 회복 또는 향상시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 엔진 리미트 커브와 프로펠러 작동 커브를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 선미를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 추력 향상 장치의 작동 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 추력 향상 장치를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 4의 제어부가 빙 저항이 발생한 상황을 인지하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 추력 향상 장치를 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 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 선미를 나타내는 도면이다. 도 2를 참조하면, 선박(1)은 선체(10)와 프로펠러(30)와 추력 향상 장치(100)를 포함한다.
선체(10)의 선미에는 프로펠러(30)가 회전 가능하게 설치된다. 프로펠러(30)는 선체(10)의 보스부(11)에서 돌출된 샤프트(40)에 결합된다. 프로펠러(30)가 회전하여 추력을 발생하면 선체(10)는 전진한다.
선체(10)에는 프로펠러(30)에 출력을 제공하기 위한 엔진(50)이 탑재된다. 엔진(50)의 출력은 샤프트(40)에 의해 프로펠러(30)로 전달된다.
본 실시예에 따른 추력 향상 장치(100)는 공기 배출부(110)를 포함한다.
공기 배출부(110)는 프로펠러(30)의 전방에서 프로펠러(30) 측으로 공기를 배출한다.
공기 배출부(110)는 공기 공급원(111)과, 공기 라인(113)을 포함한다. 공기 공급원(111)은 선체(10)에 설치될 수 있다. 공기 공급원(111)은 공기 펌프, 공기 컴프레서를 포함할 수 있으나 이에 국한되지 않는다.
공기 라인(113)은 공기 공급원과 선체(10)에 형성된 공기 배출구(111)를 상호 연결한다. 공기 배출구(111)는 보스부(11)에 형성될 수 있으나 이에 국한되지 않는다. 공기 배출구(111)는 다수로 제공될 수 있고, 다수의 공기 배출구(111)는 배출된 공기가 프로펠러(30)를 전체적으로 통과하도록 선체(10)에 분포 형성될 수 있다.
공기 공급원(111)에서 공급된 공기는 공기 라인(113)을 경유하여 공기 배출구(111)를 통해 프로펠러(30) 측으로 배출된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 추력 향상 장치의 작동 원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 선박(1)이 빙 저항이 발생하는 아이스 조건에서 운항될 때, 프로펠러(30)는 도 3의 왼쪽에 위치하는 프로펠러 작동 커브(Ca)를 가질 수 있다.
이때, 엔진(50)은 프로펠러 작동 커브(Ca)를 따르는 출력을 프로펠러(30)에 제공하도록 작동할 수 있고, 프로펠러 작동 커브(Ca)와 엔진 리미트 커브(E)의 교차점에서의 출력(Pa)을 최대 출력으로 제공할 수 있다.
선박(1)이 위와 같이 아이스 조건에서 운항되는 상황에서 공기 배출부(110)가 작동하면, 프로펠러(30)에는 공기가 섞인 물이 유입된다. 공기가 섞인 물은 그렇지 않은 물에 비해 상대적으로 밀도가 낮다. 이와 같이 낮은 밀도의 물에서 프로펠러(30)에 걸리는 토크는 낮아지고, 이에 따라 프로펠러(30)의 회전수가 증가하게 된다.
이 경우, 프로펠러(30)는 도 3의 오른쪽에 위치하는 프로펠러 작동 커브(Cb)를 가질 수 있다. 이때, 엔진(50)은 프로펠러 작동 커브(Cb)를 따르는 출력을 프로펠러(30)에 제공하도록 작동할 수 있고, 프로펠러 작동 커브(Cb)와 엔진 리미트 커브(E)의 교차점에서의 출력(Pb)을 최대 출력으로 제공할 수 있다.
선박(1)이 아이스 조건에서 운항될 때, 엔진(50)은 공기 배출부(110)가 작동하지 않는 상태의 프로펠러 작동 커브(Ca)를 따르는 경우에 비해 공기 배출부(110)가 작동하는 상태의 프로펠러 작동 커브(Cb)를 따르는 경우 더 큰 출력을 프로펠러에 제공할 수 있다(Pa < Pb).
프로펠러(30)의 추력은 엔진(5)이 제공하는 출력과 비례한다. 따라서 프로펠러는 공기 배출부(110)가 작동하지 않는 상태의 프로펠러 작동 커브(Ca)를 가지는 경우에 비해 공기 배출부(110)가 작동하는 상태의 프로펠러 작동 커브(Cb)를 가지는 경우가 더 큰 추력을 제공할 수 있다.
본 실시예에 따른 공기 배출부(110)는 아이스 조건에서 프로펠러(30) 측으로 공기를 배출하여 위와 같은 원리로 프로펠러(30)가 낼 수 있는 추력을 향상시킬 수 있다. 이에 따라 아이스 조건에서 떨어진 선박(1)의 주행 성능을 회복 또는 향상시킬 수 있다.
공기 배출부(110)는 선체(10)에 빙 저항이 발생하거나 발생 가능한 상황에서 유저의 조작에 의해 수동으로 작동할 수 있다.
또는 공기 배출부(110)는 선체(10)에 빙 저항이 발생하거나 발생 가능 상황에서 이를 인지한 제어부(미도시)의 명령에 의해 자동으로 작동할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 추력 향상 장치를 나타내는 도면이다. 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 추력 향상 장치(100')는 공기 배출부(110)와, 제어부(120)와, 회전수 측정부(130)와, 출력 측정부(140)를 포함할 수 있다.
제어부(120)는 빙 저항이 발생한 상황을 인지하여 공기 배출부(110)를 작동시킨다. 이에 대한 설명은 후술한다.
회전수 측정부(130)는 엔진의 회전수를 측정한다. 회전수 측정부(130)는 프로펠러와 엔진을 상호 연결하는 샤프트의 회전수를 측정하는 방식으로 엔진의 회전수를 측정할 수 있다. 이 경우, 회전수 측정부(130)는 샤프트의 회전수를 측정하기 위한 공지된 장치일 수 있다.
출력 측정부(140)는 엔진의 출력을 측정한다. 엔진의 출력은 샤프트를 통해 프로펠러로 제공된다. 출력 측정부(140)는 엔진의 출력을 측정하기 위한 공지된 장치일 수 있다.
제어부(120)는 회전수 측정부(130) 및 출력 측정부(140)로부터 측정 회전수와 측정 출력을 수신하고, 측정 회전수에서 엔진이 낼 수 있는 최대 최대 출력과 측정 출력의 비가 설정값에 도달하면 공기 배출부(110)를 작동시킨다.
도 5는 도 4의 제어부가 빙 저항이 발생한 상황을 인지하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 선박의 운항 조건이 오픈 씨 조건에서 아이스 조건으로 변경되면, 엔진은 오른 쪽에 위치하는 프로펠러 작동 커브(C1) 상의 제1포인트(X1)에서 작동하다가 왼쪽에 위치하는 프로펠러 작동 커브(C2) 상의 제2포인트(X2)에서 작동할 수 있다.
엔진이 제1포인트(X1)에서 작동할 때, 엔진은 제1회전수(R1)에서 제1출력(P)을 프로펠러에 제공하도록 작동할 수 있다. 이때, 회전수 측정부(130)는 제1회전수(R1)를 측정하고, 출력 측정부(140)는 제1출력(P)을 측정할 수 있다. 이때, 엔진은 설계 상으로 제1회전수(R1)에서 엔진 리미트 커브(E) 상에 위치하는 최대 출력(P1m)까지 낼 수 있다.
엔진이 제2포인트(X2)에서 작동할 때, 엔진은 제2회전수(R2)에서 제2출력(P)을 프로펠러에 제공하도록 작동할 수 있다. 이때, 회전수 측정부(130)는 제1회전수(R2)를 측정하고, 출력 측정부(140)는 제2출력(P)을 측정한다. 이때, 엔진은 설계 상으로 제2회전수(R2)에서 엔진 리미트 커브(E)와 만나는 최대 출력(P2m)까지 낼 수 있다.
엔진이 제1포인트(X1)에서 작동할 때, 엔진이 낼 수 있는 최대 출력(P1m)에 대해 엔진이 프로펠러에 제공하는 제1출력(P)의 비율(이하, 제1비율이라 함)은 P/P1m 이다. 그리고 엔진이 제2포인트(X2)에서 작동할 때, 엔진이 낼 수 있는 최대 출력(P2m)에 대해 엔진이 프로펠러에 제공하는 제2출력(P)의 비율(이하, 제2비율이라 함)는 P/P2m이다.
도 5를 참조하면, 제1포인트(X1)가 제2포인트(X2)에 비해 오른쪽에 위치하기 때문에 제1비율은 제2비율보다 작다. 달리 표현하면, 제2포인트(X2)가 제1포인트(X1)에 비해 왼쪽에 위치하기 때문에 제2비율은 제1비율보다 크다.
위와 같은 내용을 종합하면, 선박의 운항 조건이 오픈 씨 조건에서 아이스 조건으로 변경되면, 엔진의 작동 포인트는 왼쪽으로 이동하고, 엔진의 작동 포인트에서 엔진이 설계 상으로 낼 수 있는 최대 출력에 대해 엔진이 프로펠러에 제공하는 출력의 비율은 작아진다.
본 실시예에 따르면, 제어부(120)는 회전수 측정부(130)에서 측정된 측정 회전수와 출력 측정부(140)에서 측정된 측정 출력을 수신한다.
제어부(120)는 측정 회전수에서 엔진이 낼 수 있는 최대 출력에 대한 측정 출력의 비율이 설정값보다 작으면 선체에 빙 저항이 발생한 것으로 판단할 수 있다. 그리고 제어부(120)는 측정 회전수에서 엔진이 낼 수 있는 최대 출력에 대한 측정 출력의 비율이 설정값보다 크면 선체에 빙 저항이 발생하지 않은 것으로 판단할 수 있다.
설정값은 실험 또는 수치 해석으로 결정될 수 있다. 설정값은 0.9 이상 1.0 이하일 수 있으나 이에 국한되지 않는다.
제어부(120)는 선체에 빙 저항이 발생한 것으로 판단하면, 공기 배출부(110)를 작동시킨다.
예컨대, 공기 배출부(110)가 작동하면 엔진의 작동 포인트는 제2포인트(X2)에서 제1포인트(X1)로 이동할 수 있다. 이 경우, 엔진이 제2포인트(X2)에서 작동하는 경우에 비해 엔진이 프로펠러에 추가적으로 제공할 수 있는 출력값이 커질 수 있다. 이에 따라 아이스 조건에서 프로펠러(30)가 낼 수 있는 추력을 향상시킬 수 있고 선박(1)의 주행 성능을 회복 또는 향상시킬 수 있다.
위와 같은 추력 향상 장치(100')는 빙 저항이 발생한 상황을 인지하여 공기 배출부(110)를 작동시켜 프로펠러의 추력을 향상시킴으로써, 아이스 조건에서 이미 발생된 선박의 운항 성능의 저하를 회복 또는 향상시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 추력 향상 장치를 나타내는 도면이다. 도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 추력 향상 장치(100")는 공기 배출부(110)와, 제어부(120)와, 센서(150)를 포함할 수 있다.
본 실시예에서, 제어부(120)는 빙 저항이 발생 가능한 상황을 인지하여 공기 배출부(110)를 작동시킨다. 이에 대한 설명은 후술한다.
센서(150)는 유빙을 감지한다. 예컨대, 센서(150)는 카메라, 레이더 등을 포함할 수 있으나 이에 국한되지 않는다.
제어부(120)는 센서(150)로부터 유빙 감지 신호를 수신하면, 빙 저항이 발생 가능한 상황으로 판단하여 공기 배출부(110)를 작동시킨다.
위와 같은 추력 향상 장치(100")는 빙 저항이 발생할 가능성이 있는 상황을 미리 인지하여 공기 배출부(110)를 작동시켜 프로펠러의 추력을 향상시킴으로써, 장래 아이스 조건에서 발생할 선박의 운항 성능의 저하를 미연에 방지할 수 있다.
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
30 : 프로펠러
40 : 샤프트
50 : 엔진
100 : 추력 향상 장치
110 : 공기 배출부
120 : 제어부
130 : 회전수 측정부
140 : 출력 측정부

Claims (5)

  1. 프로펠러의 전방에서 상기 프로펠러 측으로 공기를 배출하는 공기 배출부;
    상기 프로펠러를 회전시키는 엔진의 회전수를 측정하는 회전수 측정부;
    상기 엔진의 출력을 측정하는 출력 측정부; 및
    선체에 빙 저항(ice resistance)이 발생하거나 발생 가능한 상황을 인지하여 상기 공기 배출부를 작동시키는 제어부를 포함하고,
    상기 공기 배출부는 상기 빙 저항(ice resistance)이 발생하는 상황에서 작동하되,
    상기 제어부는,
    상기 회전수 측정부 및 상기 출력 측정부로부터 각각 측정 회전수와 측정 출력을 수신하고, 상기 측정 회전수에서 상기 엔진이 낼 수 있는 최대 출력에 대한 상기 측정 출력의 비율이 설정값에 도달하면, 상기 빙 저항이 발생한 것으로 판단하여 상기 공기 배출부를 작동시키고,
    상기 공기 배출부가 작동하면, 상기 프로펠러로 유입되는 물의 밀도가 낮아지고 상기 프로펠러에 걸리는 토크가 낮아지고 상기 프로펠러의 회전수가 증가함으로써 상기 프로펠러의 추력이 향상되는, 추력 향상 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    유빙을 감지하는 센서를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 센서로부터 유빙 감지 신호를 수신하면, 상기 빙 저항이 발생 가능한 것으로 판단하여 상기 공기 배출부를 작동시키는, 추력 향상 장치.
  5. 제1항 또는 제4항에 따른 추력 향상 장치를 포함하는 선박.
KR1020160052804A 2016-04-29 2016-04-29 추력 향상 장치 및 이를 포함하는 선박 KR101834310B1 (ko)

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