KR102028320B1 - 와류를 이용한 일체형 추진 장치 및 이의 에너지 하베스팅 시스템 - Google Patents

와류를 이용한 일체형 추진 장치 및 이의 에너지 하베스팅 시스템 Download PDF

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박정훈
최재엽
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엘아이지넥스원 주식회사
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Abstract

본 발명에 따르면, 모터로부터의 구동력을 전달받는 추진기, 추진기의 후방에 회전 가능하도록 위치하며, 추진기로부터 발생된 와류에 의하여 회전하는 와류 로터 및 와류 로터의 회전력을 전기에너지로 변환하는 발전기를 포함하여 추진기 와류에 의한 에너지를 활용하여 전기에너지를 생산하는 와류를 이용한 일체형 추진 장치 및 이의 에너지 하베스팅 시스템이 개시된다.

Description

와류를 이용한 일체형 추진 장치 및 이의 에너지 하베스팅 시스템{Integrated Propulsion Apparatus and Energy Harvesting System using Swirl}
본 발명은 추진 장치에 관한 것으로, 특히 수중에서 운용되는 추진 장치 및 이의 에너지 하베스팅 시스템에 관한 것이다.
종래의 수중에서 장기간 운용되는 무인잠수정은 대부분 추진기 구동에 의해 전진하는 방식이며, 추진기 후류의 스월(Swirl)에 의해 많은 에너지가 버려지고 있다.
수중에서 운용되는 무인잠수정 등 수중운동체 플랫폼의 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 기술로는 해양의 파도 에너지를 활용하는 기술, 표층수와 심층수의 온도차를 이용한 기술 등이 있다.
그러나, 해양의 파도 에너지, 표층수와 심층수의 온도차에 의한 열에너지는 자연 상태에 의존한 것으로서, 에너지량이 작으며 일정하지 않다. 따라서 수중글라이더 등과 같이 아주 저속으로 움직여 큰 에너지가 필요 없는 경우에만 적합하다. 무인잠수정이나 잠수함 등과 같이 부피가 크고 속도가 빠른 수중운동체에는 거의 적용하기 어려운 기술이다.
한국등록특허 제10-1661584호 (등록일 : 2016.09.26.)
본 발명은 와류를 이용한 일체형 추진 장치 및 이의 에너지 하베스팅 시스템에 관한 것으로 모터로부터의 구동력을 전달받는 추진기, 추진기의 후방에 회전 가능하도록 위치하며, 추진기로부터 발생된 와류에 의하여 회전하는 와류 로터 및 와류 로터의 회전력을 전기에너지로 변환하는 발전기를 포함하여 추진기 와류에 의한 에너지를 활용하여 전기에너지를 생산하는데 그 목적이 있다.
또한, 와류 로터에 의해 추진기 후류의 와도(Vorticity)가 감소하여, 선체에 걸리는 저항은 감소하고 추진기 효율이 증가하도록 하는데 또 다른 목적이 있다.
본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 와류를 이용한 일체형 추진 장치는, 덕트, 구동력을 발생시키며 상기 덕트의 내측에 위치하는 모터, 상기 모터로부터의 구동력을 전달받는 추진기, 상기 추진기의 후방에 회전 가능하도록 위치하며, 상기 추진기로부터 발생된 와류에 의하여 회전하는 와류 로터 및 상기 와류 로터의 회전력을 전기에너지로 변환하는 발전기를 포함한다.
여기서, 상기 와류 로터는, 상기 발전기의 구동축을 회전시키는 로터 코어, 상기 로터 코어의 외측에 일정 간격으로 이격 배치되는 복수 개의 로터 블레이드 를 포함한다.
여기서, 상기 추진기는, 상기 추진기 구동의 중심이 되는 중심축, 상기 중심축의 외측에 적어도 일부가 나선형의 곡면을 포함하는 다수의 프로펠러 날개를 포함한다.
여기서, 상기 추진기의 구동 시, 상기 추진기 후방에 와류(Swirl)가 발생하며, 상기 와류에 의해 상기 와류 로터가 회전하고, 상기 와류 로터의 회전력을 상기 발전기에 제공한다.
여기서, 상기 로터 블레이드는, 상기 로터 코어에 접합하는 코어 접합부, 상기 코어 접합부를 중심으로 상단에 위치하며, 적어도 일부가 곡면을 포함하는 상단 곡면부 및 상기 코어 접합부를 중심으로 하단에 위치하며, 평면으로 이루어지는 하단 평면부를 포함한다.
여기서, 상기 프로펠러 날개의 곡면의 방향과 상기 로터 블레이드의 상기 하단 평면부의 방향은 서로 반대이며, 상기 하단 평면부는 상기 로터 코어의 축을 중심으로 기울어져 배치된다.
여기서, 상기 프로펠러 날개로부터 상기 로터 블레이드에 유입되는 제1 유체는, 상기 하단 평면부에 부딪히게 되며, 상기 제1 유체의 부딪히는 압력에 의하여 상기 로터 블레이드의 회전력을 증가시킨다.
여기서, 상기 프로펠러 날개로부터 상기 로터 블레이드에 유입되는 제2 유체는, 상기 상단 곡면부에 부딪힌 후 상기 프로펠러 날개 측으로 유입되어, 상기 추진기의 추력을 증가시킨다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 시스템은, 덕트, 구동력을 발생시키며 상기 덕트의 내측에 위치하는 모터, 상기 모터로부터의 구동력을 전달받는 추진기, 상기 추진기의 후방에 회전 가능하도록 위치하며, 상기 추진기로부터 발생된 와류에 의하여 회전하는 와류 로터, 상기 와류 로터의 회전력을 전기에너지로 변환하는 발전기 및 상기 발전기로부터 생산된 전기에너지를 충전하여 저장하는 2차 전지를 포함한다.
여기서, 상기 와류 로터는, 상기 발전기의 구동축을 회전시키는 로터 코어 및 상기 로터 코어의 외측에 일정 간격으로 이격 배치되는 복수 개의 로터 블레이드를 포함하고, 상기 추진기는, 상기 추진기 구동의 중심이 되는 중심축 및 상기 중심축의 외측에 적어도 일부가 나선형의 곡면을 포함하는 다수의 프로펠러 날개를 포함한다.
여기서, 상기 로터 블레이드는, 상기 로터 코어에 접합하는 코어 접합부, 상기 코어 접합부를 중심으로 상단에 위치하며, 적어도 일부가 곡면을 포함하는 상단 곡면부 및 상기 코어 접합부를 중심으로 하단에 위치하며, 평면으로 이루어지는 하단 평면부를 포함하고, 상기 프로펠러 날개의 곡면의 방향과 상기 로터 블레이드의 상기 하단 평면부의 방향은 서로 반대이며, 상기 하단 평면부는 상기 로터 코어의 축을 중심으로 기울어져 배치된다.
여기서, 상기 추진기의 구동 시, 상기 추진기 후방에 와류(Swirl)가 발생하며, 상기 와류에 의해 상기 와류 로터가 회전하고, 상기 와류 로터의 회전력을 상기 발전기에 제공한다.
여기서, 상기 프로펠러 날개로부터 상기 로터 블레이드에 유입되는 제1 유체는, 상기 하단 평면부에 부딪히게 되며, 상기 제1 유체의 부딪히는 압력에 의하여 상기 로터 블레이드의 회전력을 증가시킨다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 의하면, 모터로부터의 구동력을 전달받는 추진기, 상기 추진기의 후방에 회전 가능하도록 위치하며, 상기 추진기로부터 발생된 와류에 의하여 회전하는 와류 로터 및 상기 와류 로터의 회전력을 전기에너지로 변환하는 발전기를 포함하여 추진기 와류에 의한 에너지를 활용하여 전기에너지를 생산할 수 있다.
또한, 와류 로터에 의해 추진기 후류의 와도(Vorticity)가 감소하여, 선체에 걸리는 저항은 감소하고 추진기 효율이 증가하도록 할 수 있다.
이에 따라, 수중 플랫폼의 전체적인 에너지 효율을 증가시킬 수 있다.
여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 와류를 이용한 일체형 추진 장치의 에너지 하베스팅 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 와류를 이용한 일체형 추진 장치를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 와류를 이용한 일체형 추진 장치의 로터 블레이드를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 적용되는 추진기 후방의 와류(Swirl) 발생에 의한 유동장의 교란에 따른 결과를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명에 관련된 와류를 이용한 일체형 추진 장치 및 이의 에너지 하베스팅 시스템에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.
및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 발명은 와류를 이용한 일체형 추진 장치 및 이의 에너지 하베스팅 시스템에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 와류를 이용한 일체형 추진 장치의 에너지 하베스팅 시스템을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 와류를 이용한 일체형 추진 장치의 에너지 하베스팅 시스템(1)은 덕트(100), 추진기(200), 와류 로터(300), 발전기(400), 2차 전지(500), 전원 공급부(600)를 포함한다.
에너지 하베스팅 시스템(1)은 태양광, 진동, 열, 풍력 등과 같이 자연적인 에너지원으로부터 발생하는 에너지를 전기 에너지로 전환시켜 수확하는 시스템이다.
일상적으로 버려지거나 사용하지 않은 작은 에너지를 수확하여 사용 가능한 전기 에너지로 변환해주는 기술로, 신재생 에너지 원천 기술로 각광 받고 있다.　에너지 하베스팅 기술의 구성은 발생된 에너지를 변환 수집하는 부분과 에너지를 축적하는 부분으로 구성된다.
수중에서 장기간 운용되는 무인잠수정은 에너지원의 용량의 한계로 인하여, 작전시간과 성능에 제약을 받게 된다. 무인잠수정은 대부분 추진기 구동에 의해 전진하는 방식인데, 추진기 후류의 스월(Swirl)에 의해 많은 에너지가 버려지고 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 와류를 이용한 일체형 추진 장치의 에너지 하베스팅 시스템은 추진기 회전에 의해 발생하는 스월 에너지를 회수하여 사용할 수 있으므로, 작전시간과 성능 향상에 큰 도움이 될 수 있다.
또한, 무인잠수정, 잠수함, 무인수상정 등 모든 수중추진장치에 적용이 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 와류를 이용한 일체형 추진 장치의 에너지 하베스팅 시스템은 와류 로터(Post-Swirl Rotor)를 포함한 림 구동 일체형 추진장치 구조인 것이 바람직하다.
여기서, 림은 가장 바깥쪽에 있는 고리모양의 부분이다. 유체의 흐름에 간섭되어 회전력을 발생시키거나, 반대로 회전력을 통해 유체를 가속하는 기계적 수단으로 사용되는 추진기는 프로펠러 날개의 회전을 통해 유체(물)을 가속하여 추력을 발생시킨다.
림 구동 일체형 추진장치는 각 프로펠러 날개의 팁을 연결하는 림(Rim)이 구비되며 구동부의 모터가 프로펠러 날개를 포함한 림을 회전 구동시키는 방식을 사용한다.
덕트(100)는 유동통로에 대응되는 크기의 중공 원통형 부재로 이뤄질 수 있으며, 선체의 전단 또는 후단에 장착 배치되어 유체의 유출입을 안내할 수 있다. 이와 같은 덕트(100)는 유동통로 내에서 유체의 흐름을 개선하여 발전 또는 추진효율을 향상시키는데 기여할 수 있다.
모터(110)는 구동력을 발생시키며 상기 덕트의 내측에 위치한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 와류를 이용한 일체형 추진 장치는 덕트 내부에 모터가 위치하여 림 구동하는 형태의 일체형 추진기, 혹은 수중에서 동작하는 모든 추진장치를 이용할 수 있으며, 후방에 위치하는 와류 로터로는 Post-Swirl Rotor가 장착된다.
추진기(200)는 상기 모터로부터의 구동력을 전달받는다.
추진기(200)는 중심축(210), 프로펠러 날개(230)를 포함한다.
중심축(210)은 상기 추진기 구동의 중심이 된다.
다수의 프로펠러 날개(230)는 상기 중심축의 외측에 위치하며 적어도 일부가 나선형의 곡면을 포함한다. 또한 중심축(210)은 선체 연결부(220)를 이용하여 선체와 연결될 수 있다.
모터가 회전하면 추진기가 회전하여 추력이 발생한다. 추진기 회전에 의해 발생하는 스월(Swirl) 에너지에 의해 와류 로터(Post-Swirl Rotor)가 회전한다.
또한, 추진기(200)는 피치각 제어부를 더 포함하여, 다수의 프로펠러 날개(230)의 피치각을 제어할 수도 있으며, 이에 따라 발전 또는 추진효율을 향상시킬 수 있다.
와류 로터(300)는 상기 추진기의 후방에 회전 가능하도록 위치하며, 상기 추진기로부터 발생된 와류에 의하여 회전한다.
와류 로터(300)는 로터 코어(310), 로터 블레이드(330)를 포함한다.
로터 코어(310)는 상기 발전기의 구동축을 회전시킨다.
로터 코어(310)는 발전기의 구동축과 연결되는 하나의 축이며 무인잠수정, 잠수함, 무인수상정 등 플랫폼 내부에 위치한 발전기(Generator)와 연결된다.
구체적으로 와류 로터(Post-Swirl Rotor)의 회전에 의해 연결되어 있는 축이 회전하면, 축에 물려 있는 발전기가 회전하여 전기 에너지를 생산한다.
복수 개의 로터 블레이드(330)는 상기 로터 코어의 외측에 일정 간격으로 이격 배치된다.
추진기의 구동 시, 상기 추진기 후방에 와류(Swirl)가 발생하며, 상기 와류에 의해 상기 와류 로터가 회전하고, 상기 와류 로터의 회전력을 상기 발전기에 제공한다.
발전기(400)는 상기 와류 로터의 회전력을 전기에너지로 변환한다.
발전기(400)는 플랫폼 선체(20) 내부에 위치하며, 발전기의 구동축과 로터 코어(310)가 연결되어 있다.
2차 전지(500)는 상기 발전기로부터 생산된 전기에너지를 충전하여 저장한다.
발전기(400)에서 생산된 전기 에너지는 2차 전지에 충전되며, 2차 전지에 충전된 전기 에너지는 전원공급부(600)를 통해서 모터(추진전원) 또는 내부 전자장비(제어전원)로 연결되어 활용 가능하다.
발전기는 2차 전지(500)에 연결되어 2차 전지(500) 충전이 가능하며, 전원 공급부(600)를 통하여 모터(110)에 연결되어 전원 공급이 가능하다.
부가적으로 추진기 후류의 와도가 감소함에 따라, 선체 저항이 감소하고 및 추진기 효율이 증가하여, 플랫폼 전체적인 에너지 효율이 증가하는 효과를 얻을 수 있다.
도 1에 나타난 구동 진행 방향은, 추진기 회전, Post-Swirl Rotor 회전, 축 회전, 발전기 구동 순으로 구동이 진행된다.
또한, 전기 에너지 공급 방향은 발전기에서 생산된 전기가 2차 전지에 충전 및 저장되어 전원 공급부로 연결되고 모터는 전원 공급부로부터 전원을 공급 받는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 와류를 이용한 일체형 추진 장치의 에너지 하베스팅 시스템은 와류 로터(300)를 이용하여 무인잠수정이나 잠수함 등과 같이 부피가 크고 속도가 빠른 수중운동체에 적용할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 와류를 이용한 일체형 추진 장치를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 와류를 이용한 일체형 추진 장치(10)는 덕트(100), 추진기(200), 와류 로터(300), 발전기(400)를 포함한다.
와류를 이용한 일체형 추진 장치(10)는 추진기 후류의 와류(Swirl) 에너지를 활용하여 전기에너지를 생산함으로써, 적용되는 플랫폼의 수중체류시간 혹은 성능을 향상시킬 수 있는 추진 장치이다.
덕트(100)는 유동통로에 대응되는 크기의 중공 원통형 부재로 이뤄질 수 있으며, 선체의 전단 또는 후단에 장착 배치되어 유체의 유출입을 안내할 수 있다. 이와 같은 덕트(100)는 유동통로 내에서 유체의 흐름을 개선하여 발전 또는 추진효율을 향상시키는데 기여할 수 있다.
모터(110)는 구동력을 발생시키며 상기 덕트의 내측에 위치한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 와류를 이용한 일체형 추진 장치는 덕트 내부에 모터가 위치하여 림 구동하는 형태의 일체형 추진기, 혹은 수중에서 동작하는 모든 추진장치를 이용할 수 있으며, 후방에 위치하는 와류 로터로는 Post-Swirl Rotor가 장착된다.
추진기(200)는 상기 모터로부터의 구동력을 전달받는다.
추진기(200)는 중심축(210), 프로펠러 날개(230)를 포함한다.
중심축(210)은 상기 추진기 구동의 중심이 된다.
다수의 프로펠러 날개(230)는 상기 중심축의 외측에 위치하며 적어도 일부가 나선형의 곡면을 포함한다. 또한 중심축(210)은 선체 연결부(220)를 이용하여 선체와 연결될 수 있다.
모터가 회전하면 추진기가 회전하여 추력이 발생한다. 추진기 회전에 의해 발생하는 스월(Swirl) 에너지에 의해 와류 로터(Post-Swirl Rotor)가 회전한다.
또한, 추진기(200)는 피치각 제어부를 더 포함하여, 다수의 프로펠러 날개(230)의 피치각을 제어할 수도 있으며, 이에 따라 발전 또는 추진효율을 향상시킬 수 있다.
와류 로터(300)는 상기 추진기의 후방에 회전 가능하도록 위치하며, 상기 추진기로부터 발생된 와류에 의하여 회전한다.
와류 로터(300)는 로터 코어(310), 로터 블레이드(330)를 포함한다.
로터 코어(310)는 상기 발전기의 구동축을 회전시킨다.
로터 코어(310)는 발전기의 구동축과 연결되는 하나의 축이며 무인잠수정, 잠수함, 무인수상정 등 플랫폼 내부에 위치한 발전기(Generator)와 연결된다.
구체적으로 와류 로터(Post-Swirl Rotor)의 회전에 의해 연결되어 있는 축이 회전하면, 축에 물려 있는 발전기가 회전하여 전기 에너지를 생산한다.
복수 개의 로터 블레이드(330)는 상기 로터 코어의 외측에 일정 간격으로 이격 배치된다.
추진기의 구동 시, 상기 추진기 후방에 와류(Swirl)가 발생하며, 상기 와류에 의해 상기 와류 로터가 회전하고, 상기 와류 로터의 회전력을 상기 발전기에 제공한다.
구동 원리는 추진기의 구동 시, 상기 추진기 후방에 와류(Swirl)가 발생하며, 상기 와류에 의해 상기 와류 로터가 회전하고, 상기 와류 로터의 회전력을 상기 발전기에 제공한다.
발전기(400)는 상기 와류 로터의 회전력을 전기에너지로 변환한다.
발전기(400)는 플랫폼 선체(20) 내부에 위치하며, 발전기의 구동축과 로터 코어(310)가 연결되어 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 와류를 이용한 일체형 추진 장치의 로터 블레이드를 나타낸 도면이다.
와류 로터(300)는 상기 추진기의 후방에 회전 가능하도록 위치하며, 상기 추진기로부터 발생된 와류에 의하여 회전한다.
와류 로터(300)는 로터 코어(310), 로터 블레이드(330)를 포함한다.
로터 코어(310)는 상기 발전기의 구동축을 회전시킨다.
복수 개의 로터 블레이드(330)는 상기 로터 코어의 외측에 일정 간격으로 이격 배치된다.
로터 블레이드(330)는 코어 접합부(331), 상단 곡면부(333), 하단 평면부(335)를 포함한다.
코어 접합부(331)는 상기 로터 코어에 접합하는 부분이다. 도 3에 나타난 단면부의 형상대로 로터 코어에 접합된다.
상단 곡면부(333)는 상기 코어 접합부를 중심으로 상단에 위치하며, 적어도 일부가 곡면을 포함한다.
상단 곡면부(333)는 추진기(200)측에 가까이 위치하는 제1 상단 곡면부(332a)와 후단에 위치하는 제2 상단 곡면부(332b)로 구분할 수 있으며, 추진기로부터 오는 유동이 제1 상단 곡면부(332a)의 옆면에 부딪히면서 추력이 발생하게 된다.
하단 평면부(335)는 상기 코어 접합부를 중심으로 하단에 위치하며, 평면으로 이루어진다.
상기 프로펠러 날개의 곡면의 방향(D1)과 상기 로터 블레이드의 상기 하단 평면부의 방향(D2)은 서로 반대이며, 상기 하단 평면부는 상기 로터 코어의 축을 중심으로 기울어져 배치된다.
구체적으로, 로터 코어의 축을 L이라고 할 때, 축 L로부터 5 내지 10도의 기울기를 갖고 배치되는 것이 바람직하다.
상기 프로펠러 날개로부터 상기 로터 블레이드에 유입되는 제1 유체(F1)는, 상기 하단 평면부에 부딪히게 되며, 상기 제1 유체(F1)의 부딪히는 압력에 의하여 상기 로터 블레이드의 회전력을 증가시킨다.
또한, 제1 유체(F1)는 하단 평면부에 부딪힌 유체(F2)가 와류 로터를 빠져나가게 된다.
즉, 추진기 날개로부터 유입되는 유동은 직선으로 되어 있는 하단 평면부(335)에 부딪혀서 회전력은 극대화되고, 와류 로터(300)의 회전에 의한 저항은 윗면의 상단 곡면부(333)의 NACA 곡선에 의해 최소화되어, 주어진 조건에서 최대의 회전속도를 얻을 수 있고 이에 따라 발전량을 증가시킬 수 있다.
또한, 상기 프로펠러 날개로부터 상기 로터 블레이드에 유입되는 제2 유체는, 상기 상단 곡면부에 부딪힌 후 상기 프로펠러 날개 측으로 유입(F3)되어, 상기 추진기의 추력을 증가시킨다.
즉, 추진기로부터 오는 유동이 와류 로터(Post-Swirl Rotor)의 옆면에 부딪히면서 추력이 발생하는 방향이므로 Post-Swirl Rotor에 의한 저항 증가 없이 오히려 추력 증가 효과가 발생하며, 추진기로부터 오는 유동의 Swirl을 감소시킴으로써 추진 효율을 향상시킬 수 있다.
여기서, 로터 블레이드의 갯수는 추진기의 프로펠러 날개의 갯수의 2배수인 것이 바람직하며 가장 효율적인 조합이다.
또한, 추진기(200)는 상기 모터로부터의 구동력을 전달받는다.
추진기(200)는 중심축(210), 프로펠러 날개(230)를 포함한다.
중심축(210)은 상기 추진기 구동의 중심이 된다.
다수의 프로펠러 날개(230)는 상기 중심축의 외측에 위치하며 적어도 일부가 나선형의 곡면을 포함한다. 또한 중심축(210)은 선체 연결부(220)를 이용하여 선체와 연결될 수 있다.
모터가 회전하면 추진기가 회전하여 추력이 발생한다. 추진기 회전에 의해 발생하는 스월(Swirl) 에너지에 의해 와류 로터(Post-Swirl Rotor)가 회전한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 와류를 이용한 일체형 추진 장치는 추진기 구동의 중심이 되는 중심축(210)의 반경보다 와류 로터(300)의 회전에 의해 발전기의 구동축을 회전 시키는 로터 코어(310)의 반경이 작게 형성 되고, 중심축의 내부에 로터 코어 및 로터 코어와 연결되는 발전기의 구동축이 삽입되어 회전 가능한 구조로써, 추진기의 회전과 로터의 회전이 서로 영향을 주지 않고 인접한 공간 내에서 회전이 가능하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 적용되는 추진기 후방의 와류(Swirl) 발생에 의한 유동장의 교란에 따른 결과를 나타낸 것이다.
도 4에 나타난 바와 같이, 추진 장치는 추진기 후류의 스월(Swirl) 유동이 발생한다.
스월(Swirl)은 많은 에너지의 손실을 가져오며, 선체 후방의 유동장을 교란시켜 저항 증가 및 효율을 감소시키는 역할을 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 와류를 이용한 일체형 추진 장치는 추진기 후류의 스월 에너지를 활용하여 와류 로터(Post-Swirl Rotor)와 그에 붙어 있는 발전기 축을 회전시켜 발전기를 구동하여 전기 에너지 생산 및 활용이 가능해진다.
즉, 추진기 후류의 스월(Swirl) 에너지를 활용하여 전기에너지를 생산함으로써, 적용되는 플랫폼의 수중체류시간 혹은 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 와류 로터(Post-Swirl Rotor)에 의해 추진기 후류의 와도(Vorticity)가 감소하여, 선체에 걸리는 저항은 감소하고 추진기 효율은 증가한다. 따라서 플랫폼의 전체적인 에너지 효율이 증가하는 효과를 가져온다.
이상의 설명은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 범위는 전술한 실시예에 한정되지 않고 특허 청구 범위에 기재된 내용과 동등한 범위 내에 있는 다양한 실시 형태가 포함되도록 해석되어야 할 것이다.
1: 와류를 이용한 일체형 추진 장치의 에너지 하베스팅 시스템
10: 와류를 이용한 일체형 추진 장치
100: 덕트
200: 추진기
300: 와류 로터
400: 발전기
500: 2차 전지

Claims (13)

  1. 덕트;
    상기 덕트의 내측에 마련되는 홈에 회전 가능하도록 안착되는 림을 포함하여, 림 구동하는 형태로 마련되어 공급되는 전원에 의해 구동력을 발생시키는 모터;
    상기 모터의 림과 일단이 연결되어, 상기 모터의 회전 시 일체로 회전하는 추진기;
    상기 추진기 구동의 중심이 되는 중심축의 내측에 위치하여 상기 중심축과 별개로 회전하는 구동축의 일단과 연결되고, 상기 추진기의 후방에 회전 가능하도록 위치하여, 상기 추진기로부터 발생된 와류에 의하여 회전하는 와류 로터; 및
    상기 구동축의 타단과 연결되어, 상기 구동축의 회전에 의해 상기 와류 로터의 회전력을 전기에너지로 변환하는 발전기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 와류를 이용한 일체형 추진 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 와류 로터는,
    상기 발전기의 구동축을 회전시키는 로터 코어;
    상기 로터 코어의 외측에 일정 간격으로 이격 배치되는 복수 개의 로터 블레이드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 와류를 이용한 일체형 추진 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 추진기는,
    상기 추진기 구동의 중심이 되는 중심축;
    상기 중심축의 외측에 적어도 일부가 나선형의 곡면을 포함하는 다수의 프로펠러 날개;를 포함하는 것을 특징으로 하는 와류를 이용한 일체형 추진 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 추진기의 구동 시, 상기 추진기 후방에 와류(Swirl)가 발생하며, 상기 와류에 의해 상기 추진기의 후방에 위치한 와류 로터가 회전하고, 상기 와류 로터의 회전력을 상기 추진기의 전방에 위치한 상기 발전기에 제공하는 것을 특징으로 하는 와류를 이용한 일체형 추진 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 로터 블레이드는,
    상기 로터 코어에 접합하는 코어 접합부;
    상기 코어 접합부를 중심으로 상단에 위치하며, 적어도 일부가 곡면을 포함하는 상단 곡면부; 및
    상기 코어 접합부를 중심으로 하단에 위치하며, 평면으로 이루어지는 하단 평면부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 와류를 이용한 일체형 추진 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 하단 평면부는 상기 로터 코어의 축을 중심으로 기울어져 배치되어, 상기 프로펠러 날개로부터 상기 로터 블레이드에 유입되는 제1 유체는, 상기 하단 평면부에 부딪히게 되며, 상기 제1 유체의 부딪히는 압력에 의하여 상기 로터 블레이드의 회전력을 증가시키는 것을 특징으로 하는 와류를 이용한 일체형 추진 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 프로펠러 날개로부터 상기 로터 블레이드에 유입되는 제1 유체는, 상기 하단 평면부에 부딪히게 되며, 상기 제1 유체의 부딪히는 압력에 의하여 상기 로터 블레이드의 회전력을 증가시키는 것을 특징으로 하는 와류를 이용한 일체형 추진 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 프로펠러 날개가 상기 구동축에 접합하는 부분의 양끝 지점을 이은 선의 방향과 상기 로터 블레이드의 상기 하단 평면부의 방향은 서로 반대방향으로 기울어져 있으며,
    상기 프로펠러 날개로부터 상기 로터 블레이드에 유입되는 제2 유체는, 상기 상단 곡면부에 부딪힌 후 상기 프로펠러 날개 측으로 유입되어, 상기 추진기의 추력을 증가시키는 것을 특징으로 하는 와류를 이용한 일체형 추진 장치.
  9. 덕트;
    상기 덕트의 내측에 마련되는 홈에 회전 가능하도록 안착되는 림을 포함하여, 림 구동하는 형태로 마련되어 공급되는 전원에 의해 구동력을 발생시키는 모터;
    상기 모터의 림과 일단이 연결되어, 상기 모터의 회전 시 일체로 회전하는 추진기;
    상기 추진기 구동의 중심이 되는 중심축의 내측에 위치하여 상기 중심축과 별개로 회전하는 구동축의 일단과 연결되고, 상기 추진기의 후방에 회전 가능하도록 위치하여, 상기 추진기로부터 발생된 와류에 의하여 회전하는 와류 로터;
    상기 구동축의 타단과 연결되어, 상기 구동축의 회전에 의해 상기 와류 로터의 회전력을 전기에너지로 변환하는 발전기; 및
    상기 발전기로부터 생산된 전기에너지를 충전하여 저장하는 2차 전지;를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 와류 로터는, 상기 발전기의 구동축을 회전시키는 로터 코어; 및
    상기 로터 코어의 외측에 일정 간격으로 이격 배치되는 복수 개의 로터 블레이드;를 포함하고,
    상기 추진기는, 상기 추진기 구동의 중심이 되는 중심축; 및
    상기 중심축의 외측에 적어도 일부가 나선형의 곡면을 포함하는 다수의 프로펠러 날개;를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 로터 블레이드는,
    상기 로터 코어에 접합하는 코어 접합부;
    상기 코어 접합부를 중심으로 상단에 위치하며, 적어도 일부가 곡면을 포함하는 상단 곡면부; 및
    상기 코어 접합부를 중심으로 하단에 위치하며, 평면으로 이루어지는 하단 평면부;를 포함하고,
    상기 프로펠러 날개의 곡면의 방향과 상기 로터 블레이드의 상기 하단 평면부의 방향은 서로 반대이며, 상기 하단 평면부는 상기 로터 코어의 축을 중심으로 기울어져 배치되는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 추진기의 구동 시, 상기 추진기 후방에 와류(Swirl)가 발생하며, 상기 와류에 의해 상기 추진기의 후방에 위치한 와류 로터가 회전하고, 상기 와류 로터의 회전력을 상기 추진기의 전방에 위치한 상기 발전기에 제공하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 하단 평면부는 상기 로터 코어의 축을 중심으로 기울어져 배치되어,
    상기 프로펠러 날개로부터 상기 로터 블레이드에 유입되는 제1 유체는, 상기 하단 평면부에 부딪히게 되며, 상기 제1 유체의 부딪히는 압력에 의하여 상기 로터 블레이드의 회전력을 증가시키는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 시스템.
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