KR101932075B1 - 선박용 동력공급 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적어도 2개의 엔진(20a, 20b), 선박에 대한 전력을 발생시키고 엔진(20a, 20b) 중 하나 이상에 의해 구동되는 적어도 2개의 교류 발전기(18a, 18b), 선박을 구동시키는 프로펠러(12), 및 엔진(20a, 20b)을 적어도 프로펠러(12)와 연결하는 기어박스를 포함하고, 엔진(20a, 20b)은 적어도 하나의 교류 발전기(18a, 18b) 및 프로펠러에 동시에 연결될 수 있는, 선박용 동력공급 시스템(10)에 관한 것이다.

Description

선박용 동력공급 시스템{POWERING SYSTEM FOR A SHIP}
본 발명은 선박용 동력공급 시스템에 관한 것이며, 특히 다수의 동력 리던던시(power redundancy)를 제공하는 시스템에 관한 것이다.
해양 지역에서 동작하는 선박은 전기 시스템 및 프로펠러를 위한 신뢰성 있는 동력원(power supply)을 필요로 한다. 현재, 해양 선박은 프로펠러를 구동하기 위해 단일 엔진을 구비하며, 선박 상의 모든 전기 시스템을 가동하기 위한 전류를 발생시키는 교류 발전기(alternator)를 구동하기 위해 3개 또는 4개의 엔진을 더 구비한다. 프로펠러 및 교류 발전기용 구동 시스템의 분리에 관한 일반 시스템에 대한 예가 CN205259261U에 개시되어 있다.
선박 추진 시스템은 엔진, 부스터(booster), 보조 블로워(auxiliary blower), 제1 발전기 및 동력원 유닛을 포함하며, 부스터는 가압 공기를 엔진에 제공하고, 보조 블로워는 공기를 엔진에 공급하며, 제1 발전기는 제1 로드 세그먼트(load segment)에서 보조 블로워용 동력을 엔진의 로드 범위(load scope) 내에서 공급하고 제2 로드 세그먼트에서 정지시키며, 제2 로드 세그먼트는 제1 로드 세그먼트보다 더 높은 로드의 범위이며, 동력원 유닛은 제1 발전기의 동력원과 상이하고, 엔진의 구동 공정 동안 폐열로부터 발생되는 동력을 제2 로드 세그먼트에서 보조 블로워에 제공한다.
그러나 상술한 동력 시스템에서는 프로펠러의 엔진이 고장나고 선박이 정상적인 속도로 물 위에서 조금도 움직일 수 없는 위험이 항상 존재한다. 더욱이, 엔진은 선박 상에서 많은 공간을 점유하여, 선박이 화물을 위해 더 이상 사용될 수 없게 된다.
본 발명의 목적은 한편으로는 더 신뢰성 있고, 다른 한편으로는 더 적은 공간을 필요로 하는 선박용 동력공급 시스템을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 청구항 1에 따른 동력공급 시스템에 의해 성취된다. 바람직한 실시예는 종속 청구항에 기술된다.
본 발명에 따른 선박용 동력공급 시스템은, 적어도 2개의 엔진, 선박에 대한 전력(electrical power)을 발생시키고 엔진 중 하나 이상에 의해 구동되는 적어도 2개의 교류 발전기, 선박을 구동시키는 프로펠러, 및 엔진을 적어도 프로펠러와 연결하는 기어박스를 포함하고, 엔진은 적어도 하나의 교류 발전기 및 상기 프로펠러에 동시에 연결될 수 있다. 동력공급 시스템의 이러한 배치는 선박 시스템이 리던던트(redundant) 방식으로 구동되기 때문에, 선박의 추진력 및 전기 공급을 확보하는 면에서 매우 신뢰성이 있다.
바람직하게는, 엔진으로부터 적어도 연결 샤프트에 커플링이 제어되어, 그리고 바람직하게는 기어박스의 각각의 출력 샤프트에도 커플링이 제어되어, 이러한 샤프트의 맞물림(engaging) 및 맞물림 해제(disengaging)를 가능하게 한다. 이런 식으로, 단일 요소로의 힘의 전송이 용이하게 제어될 수 있다.
교류 발전기 각각은, 바람직하게는 적어도 2개의 엔진 중 특정한 하나에 의해 구동되도록 연결되고 상기 엔진의 출력 샤프트에 연결된다. 교류 발전기를 각각의 엔진에 직접적으로 연결함으로써, 교류 발전기가 더 안전하게 기능하게 되는 것이 보장될 수 있다.
대안적으로, 교류 발전기는 교류 발전기 둘 모두가 엔진 각각에 의해 구동될 수 있기 때문에, 더 유연한 배치를 가능하게 하는 기어박스에 연결된다.
단일의 교류 발전기는 선박 시스템에 충분한 전기 에너지를 제공하도록 조절될 수 있다. 이것은 또한 선박에 필요한 전기를 고려하여 리던던시를 제공한다. 단일의 교류 발전기가 전체 선박에 대한 모든 전기를 생성할 수 있도록 교류 발전기가 더 크게 구축될 필요가 있지만, 동력공급 시스템을 위해 필요한 전체 공간은 공지된 시스템에서보다 여전히 더 작다. 더욱이, 동력공급 시스템은 전체적으로 더 적은 이동부(moving parts)를 가지므로, 더 적은 유지보수를 필요로 하고, 종래의 배치보다 더 적은 무게로 인한 장점을 제공한다.
바람직하게는, 단일의 엔진이 프로펠러만을 구동하도록 구성된다. 즉, 하나의 엔진은 추진 시스템이 선박을 구동하는데 충분한 동력을 제공할 수 있다.
본 동력공급 시스템에서 사용되는 엔진은 바람직하게는, 4행정 저압 엔진이다. 특히, 이러한 엔진은 이중 연료 4행정 저압 엔진이다. 특히, 여러 오염물질(CO2, SOx, NOx)의 배출이 매우 감소될 수 있기 때문에, 액화 천연 가스를 사용하면 선박의 환경 영향이 개선된다.
동력공급 시스템은, 이상적으로는 정확히 2개의 엔진을 포함한다. 더욱이, 동력공급 시스템은 또한 정확히 2개의 교류 발전기를 포함할 수 있다. 이러한 수의 엔진 및/또는 교류 발전기는 추진력 및 전력에 대한 리던던시를 제공하는데 충분하지만, 엔진 및/또는 교류 발전기에 대한 필요한 공간을 고려하여 또한 최소화된다.
프로펠러는, 바람직하게는 제어가능한 피치형(pitch type) 중 하나이다. 이 경우는, 복잡하지 않은 방식으로 선박을 반대방향으로 움직일 수 있고 속도를 조절할 수 있으며, 조종 성능(manoeuvrability) 및 로드 제어(load control)를 개선시킬 수 있다.
더욱이, 교류 발전기(18a, 18b)는, 바람직하게는 가변 주파수형 교류 발전기이다. 이 방식에서, 엔진은 가변 속도로 항상 자체 최적의 효율로 가동될 수 있고, 일정하고 신뢰성 있는 전기 출력을 가질 교류 발전기를 여전히 구동시킬 수 있다.
도 1은 정확히 2개의 엔진과 교류 발전기를 포함하는 본 발명에 따른 동력공급 시스템 배치의 개략도이다.
도 2는 액화 천연 가스로 가동되는 엔진을 가진 엔진 룸(engine room)의 개략도이다.
도 1은 본 발명에 따른 동력공급 시스템(10)의 바람직한 실시예의 개략적인 배치를 도시한다. 본 발명은 일반적으로 온-보드 엔진(on-board engine)을 가진 어느 종류의 선박에도 사용될 수 있지만, 예를 들어, 300gt 이상의 대형 선박에 사용되는 것이 가장 적합하다.
동력공급 시스템은 복수의 엔진, 이상적으로는 적어도 프로펠러(12)와, 동력 인출 장치(PTO: power-take-off) 또는 교류 발전기(18a, 18b)를 각각 구동할 수 있는 정확히 2개의 엔진(20a, 20b)을 포함한다. 엔진(20a, 20b)은 바람직하게는, 액화천연가스(LNG) 또는 다른 종래의 액체 연료(HFO/MDO/LSMGO)로 가동될 수 있는 이중 연료 4행정 저압 엔진(dual fuel 4-stroke low pressure engine)이다. LNG가 사용되면, 특정 가스 밸브 유닛(22)이 엔진 로드에 따라 엔진에 가스 압력을 제어하기 위해 제공된다. LNG는 이의 배출이 선박을 위해 사용된 종래의 연료만큼 환경적으로 유해하지 않기 때문에 바람직하다. 동력공급 시스템으로 인해 절약되는 공간의 작은 부분은 여분의 가스 밸브 유닛(22)을 위해 사용되어야 한다. 그러나 가스 밸브 유닛(22)은 매우 크지 않아서, 5개의 엔진까지를 가진 종래의 배치를 고려할 때 절약되는 큰 공간이 여전히 존재한다(도 2 참조). 엔진(20a, 20b)의 출력 샤프트(21a, 21b)는 탄성 커플링(elastic coupling)(14a, 14b)을 포함하여 출력 샤프트에서의 회전 응력 및 엔진(20a, 20b)으로부터의 진동을 흡수한다.
동력공급 시스템(10)은 또한 선박의 요구를 공급하고 커버하기 위해 전기 에너지를 발생시키는 역할을 하는 동력 인출 장치(PTO) 또는 교류 발전기(18a, 18b)를 포함한다. 교류 발전기는 엔진에 직접적으로 또는 기어박스(16)를 통해서 연결된다.
도 1에서, 교류 발전기(18a, 18b)는 기어박스를 간단하게 하기 위해, 연결 샤프트(13a, 13b)에 의해 엔진에 직접적으로 연결된다. 도시된 실시예에서, 교류 발전기(18a, 18b)는 기어박스(16)보다는 엔진의 동일한 연결 샤프트(13a, 13b)에 연결되지만, 커플링(17a, 17b) 이전에 연결된다. 교류 발전기만을 위한 엔진의 추가적인 출력 샤프트를 제공하는 것이 또한 가능하다. 그러나 교류 발전기(18a, 18b)가 엔진에 직접적으로 연결되면, PTO/교류 발전기(18a, 18b)는 바람직하게는 입력 샤프트(15a, 15b)의 분당 회전수(round per minute)와 무관하게 일정한 전기 출력을 가질 수 있도록 가변 주파수로 동작한다. 이것은 모터가 추진 시스템의 각각의 동력 요구에 따라 다른 출력을 가질 것이고, 이에 따라 입력 샤프트(15a, 15b) 또한 상이한 입력을 교류 발전기에 제공할 것이기 때문에, 직접적인 연결에 특히 유용하다. 다른 실시예에서, PTO/교류 발전기(18a, 18b)는 기어박스(16)를 통해서 구동되고, 바람직하게는 각각 커플링이 구비된다. 이 방식에서, 교류 발전기가 발전을 위해 필요할 때, 교류 발전기를 연결 및 분리하는 것이 가능하다. 기술 상태에 따라 일정한 분당회전수로 구동되는 교류 발전기의 사용을 가능하게 하기 위해, 바람직하게는 일정한 출력 속도를 전송할 수 있는 자체적인 기어박스를 교류 발전기에 제공하는 것이 가능하다.
도 1에 도시된 실시예에서, 기어박스(16)가 파선 박스로서 도시되어 있다. 기어박스(16)는 엔진(20a, 20b)을 프로펠러(12)와 연결시킨다. 기어박스(16)는 개략적으로 도시되어 있고, 연결 샤프트(13a, 13b)에 연결되는 2개의 커플링(17a, 17b)을 포함한다. 회전력이 기어박스(16)의 입력 샤프트(19a, 19b)로부터 기어박스의 출력 샤프트(11)로 전송되고, 프로펠러(12)로 전송된다.
프로펠러는 프로펠러 블레이드(blades)가 조절될 수 있도록, 바람직하게는 제어가능한 피치형 프로펠러이다. 이 경우에, 선박은 커플링(17a, 17b)을 정지시키거나 맞물림 해제시키기 위해 엔진 없이 반대 방향으로 움직일 수 있다. 엔진(20a, 20b)을 맞물림 해제하지 않고 프로펠러(12)를 맞물림 해제하는 것을 가능하게 하기 위해 기어박스(16)의 출력 샤프트에 또 다른 커플링을 제공하는 것이 가능하다. 이것은 교류 발전기(18a, 18b)를 정지시키지 않고 프로펠러(12)를 맞물림 해제하도록, 교류 발전기(18a, 18b)가 기어박스(16)에 연결되어 기어박스(16)를 통해 구동되는 경우에 유용하다.
선박을 구동함으로써, 단일 구성요소가 필요에 따라 사용되도록 제어될 수 있다. 즉, 필요한 속도에 따라, 엔진(20a, 20b) 둘 모두는 프로펠러(12) 및/또는 교류 발전기(18a, 18b)를 가동 및 구동시킬 수 있다. 교류 발전기의 용량이 어느 동작 조건에서 선박의 요구의 100%를 커버하는 것이 충분하기 때문에, 필요한 속도가 더 높은 전체 동력 출력이 필요하도록 하지 않는다면, 하나의 엔진만을 가동하는 것이 또한 가능하다. 그리고 하나의 엔진의 고장난 경우에, 다른 엔진은 선박이 적어도 적절한 속도로 구동되는데 충분한 추진력을 제공하고, 적어도 하나의 교류 발전기(18a, 18b)를 구동할 수 있다.
도 1에서, 상이한 입력 및 출력 샤프트 및 커플링을 지지하는 스러스트 베어링(thrust bearing)(23), 슬리브 베어링(sleeve bearing)(24), 및 롤러 베어링(roller bearing)(25)이 개략적으로 도시되어 있다. 예를 들어, 프로펠러 샤프트(11)는 스러스트 베어링(23)으로 지지되고, 커플링(17a, 17b)은 롤러 베어링에 의해 지지되며, 다른 샤프트는 슬리브 베어링에 의해 지지된다.
동력공급 시스템은, 바람직하게는 상이한 구성요소의 기능 면에서 대칭적으로 구축된다. 즉, 엔진(20a, 20b)으로부터 프로펠러(12) 및 교류 발전기(18a, 18b)로의 추진/구동 트레인(propulsion/drive trains)은 동일하게 엔진(20a, 20b) 둘 모두가 동일한 태스크(task)를 성취할 수 있다는 것을 확인하기 위한 것이다.
10: 동력공급 시스템
11: 프로펠러 샤프트
12: 프로펠러
13a, 13b: 연결 샤프트
14a, 14b: 탄성 커플링
15a, 15b: 입력 샤프트 교류 발전기
16: 기어박스
17a, 17b: 커플링
18a, 18b: 교류 발전기
19a, 19b: 입력 샤프트 기어박스
20a, 20b: 엔진
21a, 21b: 출력 샤프트 엔진
22: 가스 밸브 유닛
23: 스러스트 베어링
24: 슬리브 베어링
25: 롤러 베어링

Claims (11)

  1. 선박용 동력공급 시스템(10)에 있어서,
    적어도 2개의 엔진(20a, 20b);
    상기 선박에 대한 전력을 발생시키고, 상기 엔진(20a, 20b) 중 하나 이상에 의해 구동되며, 입력 샤프트(15a, 15b)의 분당 회전수와 무관하게 일정한 전기 출력을 가질 수 있도록 하기 위해 가변 주파수형 교류 발전기인 적어도 2개의 교류 발전기(18a, 18b);
    상기 선박을 구동시키는 프로펠러(12); 및
    상기 엔진(20a, 20b)을 적어도 상기 프로펠러(12)와 연결하는 기어박스를 포함하고,
    상기 엔진(20a, 20b)은 적어도 하나의 교류 발전기(18a, 18b) 및 상기 프로펠러에 동시에 연결될 수 있으며, 상기 교류 발전기(18a, 18b)는 상기 기어박스(16)보다는 상기 엔진의 동일한 연결 샤프트(13a, 13b)에 의해 상기 엔진에 직접적으로 연결되거나, 상기 교류 발전기만을 위한 상기 엔진의 추가적인 출력 샤프트에 의해 상기 엔진에 직접적으로 연결되는 선박용 동력공급 시스템(10).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 엔진(20a, 20b)으로부터 상기 연결 샤프트(13a, 13b)에 커플링(17a, 17b)이 제공되는, 선박용 동력공급 시스템(10).
  3. 제1항에 있어서,
    상기 교류 발전기(18a, 18b) 각각이 상기 적어도 2개의 엔진(20a, 20b) 중 특정한 하나에 의해 구동되도록 연결되고, 상기 엔진의 출력 샤프트에 직접적으로 연결되는, 선박용 동력공급 시스템(10).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 교류 발전기(18a, 18b)가 상기 기어박스(16)에 연결되는, 선박용 동력공급 시스템(10).
  5. 제1항에 있어서,
    단일의 교류 발전기(18a, 18b)가 상기 선박의 시스템에 에너지를 공급하도록 조절되는, 선박용 동력공급 시스템(10).
  6. 제1항에 있어서,
    단일의 엔진(20a, 20b)이 상기 프로펠러(12)를 구동시키도록 구성되는, 선박용 동력공급 시스템(10).
  7. 제1항에 있어서,
    상기 엔진(20a, 20b)이 이중 연료 4행정 저압 엔진인, 선박용 동력공급 시스템(10).
  8. 제1항에 있어서,
    2개의 엔진(20a, 20b)을 포함하는 선박용 동력공급 시스템(10).
  9. 제1항에 있어서,
    2개의 교류 발전기(18a, 18b)를 포함하는 선박용 동력공급 시스템(10).
  10. 제1항에 있어서,
    상기 프로펠러(12)가 제어가능한 피치형 프로펠러인, 선박용 동력공급 시스템(10).
  11. 삭제
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