KR102033030B1 - 풍력추진 기능이 구비된 선박 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 풍력추진 기능이 구비된 선박에 관한 것이다. 본 발명에서 선박(1)의 선체(10)에는 상기 선체(10)로부터 수직방향으로 굴뚝(20)이 연장되어 구비된다. 상기 굴뚝(20)의 외주면에는 관체형의 고정자(30)가 설치된다. 상기 고정자(30)의 외주면에는 상기 고정자(30)의 외경보다 큰 내경을 가지도록 형성되는 회전자(40)가 회전가능하게 끼워진다. 상기 회전자(40)는 동력전달부재(60)에 의해 회전하면서 압력차에 의한 추진력을 제공하는 역할을 한다. 상기 고정자(30)와 회전자(40) 사이에는 상기 회전자(40)가 원활하게 회전되도록 마찰저감부재(60)가 구비된다. 이와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 선박의 선체에 별도의 마그누스 효과를 이용한 로터를 설치할 필요가 없이 기존에 설치된 굴뚝에 적용할 수 있으므로, 공간 효율성이 향상될 뿐만 아니라 설치 비용도 줄일 수 있는 이점이 있다.

Description

풍력추진 기능이 구비된 선박{Wind-propelled function provided ship}
본 발명은 풍력추진 기능이 구비된 선박에 관한 것으로, 보다 상세하게는 바람에 의한 추진력을 얻을 수 있도록 굴뚝이 회전 가능하게 구성되는 풍력추진 기능이 구비된 선박에 관한 것이다.
최근에는 화물선과 같은 대형 선박의 연비를 향상시키기 위해 화물선의 상부에 마그누스 로터(magnus rotor)를 설치하여 바람을 이용한 추력(推力)을 얻는 연구가 활발하다.
마그누스 로터는 마그누스 효과(magnus effect)를 이용한 것으로, 마그누스 효과란 자신의 축을 중심으로 회전하고 그 축에 수직하게 유입 유동을 받는 실린더에서 그 축과 유입 유동 방향에 수직한 힘, 즉, 횡력(transverse force)이 발생하는 것을 말한다.
이러한 마그누스 로터는 US 4,602,584호에 개시되어 있다. 종축 둘레로 회전하는 원형 실린더는, 실린더의 종축에 수직으로 흐르는 공기류에 위치될 때의 양력, 즉, 공기 층류(laminar air flow)에 위치될 때 날개에 의해 발생되는 양력과 매우 유사한 것을 만들 수 있다는 것이 오래전에 알려졌다. 이러한 양력은 독일의 과학자인 Heinrich Gustav Magunus가 1853년에 이러한 현상을 처음 발견한 후에 명명됐다.
마그누스 효과는 Anton Flettner가 1924년에 선박을 추진하기 위해 처음 적용하였다. Flettner는 언급된 양력을 이용하여 선박을 추진하기 위해, 선박의 갑판에서부터 수직으로 세운 긴 실린더 구조를 사용하였다(이 구조는 "플레트너-로터(Flettner-rotor)"라고 부름). 종래의 돛에 대한 장점은, 약간 대향하여 비교적 바람직하지 못한 풍향에 대해 예각으로 선박이 항해할 수 있다는 점이다. 추가적으로, 플레트너-로터는 연료로 운행되는 선박의 추진을 보충함으로써, 선박의 연료 소모를 감소시킬 수 있다.
이러한 마그누스 로터는 대형 선박에 설치되는 경우 일반적으로 복수 개로 설치된다. 이때, 선박의 균형을 위해 분산되어 설치되므로 선박 상부의 공간을 많이 차지하게 되어 공간 효율성이 떨어지는 문제점이 있다.
따라서 마그누스 효과를 이용할 수 있는 것과 동시에 공간 효율성을 향상시킬 수 있는 장치가 요구된다.
본 발명 상기한 문제점을 개선하기 위해 발명된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 굴뚝 외주면에 압력차에 의한 추진력을 제공하는 고정자 및 회전자를 설치하여 공간 효율성을 향상시킬 수 있는 풍력추진 기능이 구비된 선박을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력추진 기능이 구비된 선박에 따르면, 선체로부터 수직방향으로 연장되는 굴뚝이 구비되는 선박에 있어서, 상기 굴뚝의 외주면에 설치되는 관체형의 고정자와; 상기 고정자의 외경보다 큰 내경을 가지도록 형성되어 상기 고정자의 외주면에 회전가능하게 끼워지고, 동력에 의해 회전하면서 압력차에 의한 추진력을 제공하는 관체형의 회전자; 상기 회전자가 회전할 수 있도록 상기 고정자와 회전자 사이에 구비되는 마찰저감부재; 그리고 상기 회전자가 회전할 수 있도록 상기 회전자에 동력을 전달하는 동력전달부재로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 마찰저감부재는 상기 고정자와 회전자 사이에 상기 고정자의 길이 방향을 따라 적어도 하나 이상 구비되는 볼베어링인 것을 특징으로 한다.
상기 동력전달부재는, 상기 회전자의 외주면 하단부에 설치되어 상기 회전자와 함께 회전하는 링 형상의 웜 휠(Worm wheel)과, 상기 웜 휠과 맞물려 상기 웜 휠을 회전시키는 웜(Worm), 상기 웜의 중심과 결합되어 상기 웜에 회전력을 전달하는 모터축이 구비되는 모터, 그리고 상기 모터와 전기적으로 연결되어 상기 모터의 작동을 제어하는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 동력전달부재는, 상기 회전자의 외주면 하단부에 설치되어 상기 회전자와 함께 회전하는 벨트와, 상기 벨트의 일측에 걸어져 상기 벨트를 회전시키는 구동롤러, 상기 구동롤러의 중심과 결합되어 상기 구동롤러에 회전력을 전달하는 모터축이 구비되는 모터, 그리고 상기 모터와 전기적으로 연결되어 상기 모터의 작동을 제어하는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 회전자의 외주면에는 유선형으로 돌출 형성되어 공기의 유동을 안내하는 다수 개의 블레이드가 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 굴뚝의 양단 중 적어도 일단에는 상기 회전자 및 고정자의 이탈을 방지하도록 상기 고정자의 내경보다 작은 내경을 갖고, 상기 회전자의 외경보다 큰 외경을 갖는 플랜지가 구비되는 것을 특징으로 한다.
상기 굴뚝은 사각관체형으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 풍력추진 기능이 구비된 선박에 따르면, 굴뚝 외주면에 압력차에 의한 추진력을 제공하는 고정자 및 회전자를 설치하였다. 따라서, 선박의 선체에 별도의 마그누스 효과를 이용한 로터를 설치할 필요가 없이 기존에 설치된 굴뚝에 적용할 수 있으므로, 공간 효율성이 향상될 뿐만 아니라 설치 비용도 줄일 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력추진 기능이 구비된 선박의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력추진 기능이 구비된 선박의 일부 구성을 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력추진 기능이 구비된 선박의 일부 구성을 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력추진 기능이 구비된 선박의 일부 구성을 나타내는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 블레이드의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 블레이드의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 굴뚝의 구성을 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력추진 기능이 구비된 선박의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 평면도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
실시예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 각 도면에서 동일한 또는 대응하는 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하였다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력추진 기능이 구비된 선박의 구성이 사시도로 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력추진 기능이 구비된 선박의 일부 구성이 단면도로 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 선박(1)의 외관 및 구성은 선체(10)에 의해 형성된다. 상기 선체(10)는 수상 영역(12)과 수중 영역(14)으로 이루어진다.
상기 선체(10)에는 데크(deck)(16)가 구비된다. 상기 데크(16)에는 항해하는 선원이나 승객들을 위한 생활 또는 객실공간(예컨데, 숙박실, 식당, 휴게실 등) 이나, 운항공간(예컨데, 선박 조타실, 선박 엔진실)이 형성된다.
또한, 상기 선체(10)에는 선박(1)이 추진되는 동력을 발생시키도록 구비되는 엔진이 설치되는 엔진룸(미도시)이 구비된다. 상기 엔진룸은 통상 선체(10)의 하부 측에 구비된다.
상기 엔진룸의 상부에는 굴뚝(funnel)(20)이 설치된다. 상기 굴뚝(20)은 선박(1)의 운항 중에 엔진의 구동에 의해 발생되는 각종 배기가스를 외부로 매출시킴으로써, 해당 배기가스에 의한 선체(10)의 오염을 미리 차단하는 역할을 수행한다.
본 실시예에서, 상기 굴뚝(20)은 관체형으로, 상기 선체(10)로부터 수직방향으로 연장되어 형성된다. 일반적으로 굴뚝(20)은 높이가 높을수록 배출 효율도 좋기 때문에 약 15m 이상의 높이를 가지며, 직경은 3.2m 이상으로 형성되나, 입항하는 항구의 제한 높이와 선실꼭대기의 레이더 탐지각도에 걸리지 않기 위해 높이를 제한해 설계된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 굴뚝(20)의 양단 중 적어도 일단에는 플랜지(22)가 형성될 수 있다. 본 실시예에서 상기 플랜지(22)는 상기 굴뚝(20)의 일단에 형성된다. 상기 플랜지(22)는 아래에서 설명될 고정자(30)의 내경보다 작은 내경을 갖고, 아래에서 설명될 회전자(40)의 외경보다 큰 외경을 갖도록 형성된다. 상기 플랜지(22)는 고정자(30) 및 회전자(40)의 이탈을 방지하도록 하기 위한 것이다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 굴뚝(20)의 외주면에는 고정자(30)가 설치된다. 상기 고정자(30)는 관체형으로 형성된다. 상기 고정자(30)는 아래에서 설명될 회전자(40)가 결합되는 부분이다.
상기 고정자(30)에는 회전자(40)가 회전가능하게 끼워진다. 상기 회전자(40)는 관체형으로, 상기 고정자(30)의 외경보다 큰 내경을 가지도록 형성된다. 상기 회전자(40)는 아래에서 설명될 동력전달부재(60)에 의해 회전하면서 압력차에 의한 추진력을 제공하는 역할을 한다. 상기 회전자(40)의 동작 설명은 아래에서 보다 자세히 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 고정자(30)와 회전자(40) 사이에는 마찰저감부재(50)가 구비된다. 본 실시예에서, 상기 마찰저감부재(50)는 볼 베어링으로, 상기 회전자(40)가 원활하게 회전되도록 하는 역할을 한다.
본 실시예에서, 상기 마찰저감부재(50)는 볼 베어링이지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 마찰저감부재는, 상기 회전자(40)의 내주면 및 상기 고정자(30)의 외주면을 따라 서로 같은 극의 띠 형 자석(미도시)이 결합되어 상기 회전자(40)와 고정자(30)가 밀착되지 않고 유격이 형성되도록 자기부상수단을 적용할 수도 있고, 롤러 또는 윤할유를 적용할 수도 있다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 회전자(40)가 회전할 수 있도록 상기 회전자(40)의 일측에는 동력전달부재(60)가 설치된다. 상기 동력전달부재(60)는 상기 회전자(40)에 동력을 전달하는 역할을 한다.
본 실시예에서, 상기 동력전달부재(60)에는 상기 회전자(40)의 외주면 하단부에 설치되어 상기 회전자(40)와 함께 회전하는 링 형상의 웜 휠(Worm Wheel)(62)과, 상기 웜 휠(62)과 맞물려 상기 웜 휠(62)을 회전시키는 웜(Worm)(64)이 구비된다.
상기 웜(64)의 중심에는 모터(M)에 구비되는 모터축(66)이 결합된다. 상기 모터(M)는 상기 웜(64)에 회전력을 전달하는 역할을 한다.
상기 모터(M)에는 컨트롤러(미도시)가 전기적으로 연결된다. 상기 컨트롤러는 상기 모터(M)의 작동을 제어하는 역할을 한다.
본 실시예에서, 상기 동력전달부재(60)에는 웜휠(62)과 훰(Worm)이 구비되지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 동력전달부재(70)에는 상기 회전자(40)의 외주면 하단부에 설치되어 상기 회전자(40)와 함께 회전하는 벨트(72)와, 상기 벨트(72)의 일측에 걸어져 상기 벨트(62)를 회전시키는 구동롤러(74)가 구비될 수 있다.
상기 구동롤러(74)의 중심에는 모터(M')에 구비되는 모터축(76)이 결합된다. 상기 모터(M')는 상기 구동롤러(74)에 회전력을 전달하는 역할을 한다.
상기 모터(M')에는 컨트롤러(미도시)가 전기적으로 연결된다. 상기 컨트롤러는 상기 모터(M)의 작동을 제어하는 역할을 한다.
이와 같이, 상기 동력전달부재를 이루는 구성은 통상적으로 본 발명이 속하는 분야에서 사용되는 임의의 구성이 채택될 수 있다.
한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 회전자(40)의 외주면에는 다수 개의 블레이드(80)가 설치될 수 있다. 상기 블레이드(80)는 유선형으로 돌출형성되어, 공기의 유동을 안내하는 역할을 한다. 또한, 상기 블레이드(80)는 상기 회전자(40)와 함께 회전되면서 상기 회전자(40)가 보다 원활하게 회전하도록 도와주는 역할도 한다.
그리고 상기 블레이드(80)는 모두 일정한 간격으로 상기 회전자(40)의 외주면에 설치되는 것이 바람직하다. 이는 상기 블레이드(80)의 회전의 원심력이 고르게 작용하게 되어, 한쪽으로 편심력이 작용하는 것을 방지할 수 있으며, 따라서 안정적인 회전운동이 가능하게 된다.
한편, 도 6에 도시된 바와 같이, 블레이드(80')의 외주면에는 복수 개의 소용돌이 형상의 홈(82)이 형성될 수 있다. 이는 상기 블레이드(80')의 외주면에 부딪히는 공기에 와류를 발생시킬 때 이 와류가 공기윤활제처럼 작용하여 상기 블레이드(80')의 외면에 일어나는 공기의 마찰 저항을 줄여주는 역할을 하게 된다.
상기 회전자(40)와 마주보는 상기 블레이드(80')의 내주면에는 복수 개의 원뿔 형상의 돌기(84)가 형성될 수 있다. 이는 상기 블레이드(80')의 내주면에 충돌한 공기가 상기 돌기(84)에 의해 와류로 형성되면서 분해되어 신속히 빠져나갈 수 있도록 하기 위한 것이다.
한편, 본 실시에에서는 굴뚝(20)이 관체형으로 형성되만 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 굴뚝(20')은 사각관체형으로 형성될 수도 있다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력추진 기능이 구비된 선박의 동작을 도 1 및 도 8을 참고하여 설명한다.
도 1 및 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 회전자(40)가 시계 방향, 즉, 화살표 A 방향으로 회전하는 상태에서, 바람이 화살표 B 방향으로 상기 회전자(40)에 부딪히고, 상기 회전자(40)에 힘이 인가된다. 이하, 그러한 힘을 풍력으로서 또는 약자 Fw로서 지칭하기로 한다.
이와 같이 되면, 마그누스 효과에 의거하여 화살표 C 방향으로 힘이 발생한다. 이하, 그러한 힘을 마그누스 힘 또는 약자 Fm으로서 지칭하기로 한다. 즉, 도 8에 도시된 바와 같이, 벡터 Fm은 벡터 Fw와 직교하여 연장된다.
따라서, 화살표 C 방향으로 힘이 발생하므로, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 선박(1)은 C 방향으로 항해할 때 같은 방향의 추진력을 얻게 되는 것이다. 이때, 바람 및 선박(1)의 항해 방향에 따라서 상기 회전자(40)의 회전 방향은 시계 반대 방향으로 회전될 수 있다.
이와 같이, 상기 선박(1)의 선체(10)에 별도의 마그누스 효과를 이용한 로터를 설치할 필요가 없이 기존에 설치된 굴뚝(20)에 적용할 수 있으므로, 공간 효율성이 향상될 뿐만 아니라 설치 비용도 줄일 수 있는 효과가 있다.
한편, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
1: 선박 10: 선체
12: 수상영역 14: 수중영역
20: 굴뚝 30: 고정자
40: 회전자 50: 마찰저감부재
60: 동력전달부재 62: 웜 휠
64: 웜 66: 모터축
80: 블레이드 M: 모터

Claims (7)

  1. 선체(10)로부터 수직방향으로 연장되는 굴뚝(20)이 구비되는 선박(1)에 있어서,
    상기 굴뚝(20)의 외주면에 설치되는 관체형의 고정자(30)와;
    상기 고정자(30)의 외경보다 큰 내경을 가지도록 형성되어 상기 고정자(30)의 외주면에 회전가능하게 끼워지고, 동력에 의해 회전하면서 압력차에 의한 추진력을 제공하는 관체형의 회전자(40);
    상기 회전자(40)가 회전할 수 있도록 상기 고정자(30)와 회전자(40) 사이에 구비되는 마찰저감부재(50); 그리고
    상기 회전자(40)가 회전할 수 있도록 상기 회전자(40)에 동력을 전달하는 동력전달부재(60)로 구성되며,
    상기 회전자(40)의 외주면에는 유선형으로 돌출 형성되어 공기의 유동을 안내하는 다수 개의 블레이드(80')가 일정 간격으로 설치되고,
    상기 블레이드(80')의 외주면에는 소용돌이 형상의 홈(82)이 형성되는 것을 특징으로 하는 풍력추진 기능이 구비된 선박.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 마찰저감부재(50)는 상기 고정자(30)와 회전자(40) 사이에 상기 고정자(30)의 길이 방향을 따라 적어도 하나 이상 구비되는 볼베어링인 것을 특징으로 하는 풍력추진 기능이 구비된 선박.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 동력전달부재(60)는,
    상기 회전자(40)의 외주면 하단부에 설치되어 상기 회전자(40)와 함께 회전하는 링 형상의 웜 휠(Worm wheel)(62)과,
    상기 웜 휠(62)과 맞물려 상기 웜 휠(62)을 회전시키는 웜(Worm)(64),
    상기 웜(64)의 중심과 결합되어 상기 웜(64)에 회전력을 전달하는 모터축(66)이 구비되는 모터(M), 그리고
    상기 모터(M)와 전기적으로 연결되어 상기 모터(M)의 작동을 제어하는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력추진 기능이 구비된 선박.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 동력전달부재(60)는,
    상기 회전자(40)의 외주면 하단부에 설치되어 상기 회전자(40)와 함께 회전하는 벨트(72)와,
    상기 벨트(72)의 일측에 걸어져 상기 벨트(72)를 회전시키는 구동롤러(74),
    상기 구동롤러(74)의 중심과 결합되어 상기 구동롤러(74)에 회전력을 전달하는 모터축(76)이 구비되는 모터(M'), 그리고
    상기 모터(M')와 전기적으로 연결되어 상기 모터(M')의 작동을 제어하는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력추진 기능이 구비된 선박.
  5. 삭제
  6. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 굴뚝(20)의 양단 중 적어도 일단에는 상기 회전자(40) 및 고정자(30)의 이탈을 방지하도록 상기 고정자(30)의 내경보다 작은 내경을 갖고, 상기 회전자(40)의 외경보다 큰 외경을 갖는 플랜지(22)가 구비되는 것을 특징으로 하는 풍력추진 기능이 구비된 선박.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 굴뚝(20)은 사각관체형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 풍력추진 기능이 구비된 선박.
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