KR102095417B1 - 능동형 횡 동요 저감장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 능동형 횡 동요 저감장치에 관한 것으로, 선체에 설치된 횡 동요 저감 탱크 내부에 이중 반전 프로펠러 유닛을 설치하여 양 방향 유속조절이 가능함으로써, 유량의 변화로 인한 모멘트의 감소를 유발하지 않게 되므로 해상에서 작업을 하거나 항해하는 부유식 해양구조물과 선박의 횡 동요를 효과적으로 감쇠할 수 있다.

Description

능동형 횡 동요 저감장치{ACTIVE TYPE ANTI-ROLLING EQUIPMENT}

본 발명은 횡 동요 저감 탱크의 내부 중앙 부분에 이중 반전 프로펠러 유닛을 설치한 능동형 횡 동요 저감 장치에 관한 것으로, 좀더 상세하게는 선체에 설치된 횡 동요 저감 탱크 내부에 이중 반전 프로펠러 유닛을 설치하여 양 방향 유속조절이 가능함으로써, 유량의 변화로 인한 모멘트의 감소를 유발하지 않게 되므로 해상에서 작업을 하거나 항해하는 부유식 해양구조물과 선박의 횡 동요를 효과적으로 감쇠할 수 있는 능동형 횡 동요 저감장치에 관한 것이다.

일반적으로 해상을 항해하거나 해상작업을 위한 선박, 부유식 해상구조물은 파도로 인한 동요를 하게 되며, 이러한 선박의 동요는 승객, 작업자의 승선 감과 작업 성능을 떨어뜨릴 뿐 아니라, 심한 경우 전복에 이르는 경우도 있다.

선박의 동요는 그 움직임 양상에 따라 선박의 길이 방향의 운동인 전후 동요(surging), 폭 방향의 운동인 좌우동요(swaying), 상하방향의 운동인 상하동요(heaving)와 전후, 좌우, 상하동요 운동방향 축에 대한 회전운동인 횡 동요(rolling), 종 동요(pitching), 선수동요(yawing) 등 6 자유도 운동의 조합으로 나타난다. 그 중에서도 횡 동요는 해상파 주기와의 공진이 자주 발생하고 공진 시의 그 응답이 매우 큰 특성이 있어 횡 동요 저감기술이 많이 제안되고 있다.

대표적인 횡 동요 저감장치로는 빌지 키일(bilge keel), 횡요 감쇠 탱크(anti-rolling tank)와 안정핀 장치(fin-stabilizer)를 들 수 있다.

빌지 키일은 선체 빌지(bilge)에 길이방향으로 좁고 긴 판(plate)을 부착하여 횡 동요 시, 빌지 키일(bilge keel)에서 와류를 발생시켜 횡 동요 감쇠력(damping force)을 증가시킴으로써, 공진 시 횡 동요 응답을 감소시켜 준다. 그러나, 이러한 방법은 가장 저렴하고 설치가 용이하나, 그 효과는 가장 낮다.

횡 동요 감쇠 탱크(anti-rolling tank)는 U자형 튜브 구조를 선체 내부(주로 중앙부)에 설치하고, 튜브 구조 속에 액체(물)를 채워 U자형 튜브 내 액체 유동 공진을 유발하여 횡 동요의 공진 점을 이동시키고, 아울러 횡 동요 운동 감쇠력을 발생시켜 횡 동요 공진 시의 응답을 낮춰주는 장치이다. 이 장치는 설치 공간을 많이 차지하고, 횡 동요 주기가 짧을 때는 효율이 좋지 않으며, 경우에 따라 오히려 동요가 증폭될 수도 있다.

안정핀 장치(Fin-stabilizer)는 선체의 양현 빌지(bilge) 근처에 날개를 달고 횡 동요의 각도와 회전율, 가속도를 측정하여 날개의 각도를 능동제어함으로써 부가적인 감쇠력, 복원력을 발생시켜 횡 동요 응답수준을 대폭 감소시킬 수 있다.

그러나, 안정핀 장치(Fin-stabilizer)는 가장 효과가 좋은 것으로 알려 있으나, 선속이 10-15노트 이상인 경우에만 효과적이며, 가장 고가이고 저항 증가로 인한 선속 감소 효과가 있으며, 작동을 위한 추가 동력이 필요하다는 문제점이 있다.

또한, 종래에 질량 이동을 이용하는 횡 동요 감쇠 장치에 대한 개념은 알려져 있으나, 아직 기술적으로 완성되지 못하고 있다.

이와 같은 질량이동을 이용하는 횡 동요 감쇠 장치는 이동질량의 위치 변경을 위하여 외부의 동력원을 사용하는가에 따라 수동형과 능동형으로 분류할 수 있는데, 수동형의 경우 장치의 감쇠력을 수동으로 조절하여야 하므로, 운항조건이나 선박의 변경에 따라 최적의 감쇠력을 얻을 수가 없고, 사용자가 최적의 감쇠력이 되도록 조절하기 힘든 문제점이 있다. 또한, 능동형의 경우 그 크기가 커지고 전력을 많이 소모하는 문제점이 있다.

일반적으로 횡 동요 저감 탱크는 외부로부터 동력이 전달되거나 별도의 제어를 행하지 않는 수동형(passive type)과, 동력이나 제어가 가해지는 능동형(active type)으로 구분되는데, 수동형의 경우에는 1911년 Frahm이 U-튜브 타입(tube type)의 횡 동요 저감 탱크를 개발하고, Stigter가 이를 이론적으로 규명하고 해석을 수행함에 따라 많은 선박에 적용되어 왔다.

수동형은 별도의 동력 및 제어가 필요하지 않아 간편하다는 장점이 있는 반면, 선박의 고유 횡 동요 주기를 벗어난 주파수 영역에서는, 오히려 횡 동요 저감 탱크를 사용하지 않을 때보다 횡 동요가 더 크게 발생하는 단점이 있다.

이런 문제를 보완하기 위해서 능동형 횡 동요 저감 탱크가 도입되었다. 독일의 Intering사는 대표적인 능동형 횡 동요 저감 탱크의 제작사인데, 공기밸브를 개폐시켜가면서 주기 변화를 줄 수 있는 시스템을 개발하였다.

한편, 탱크의 형상에 따라 횡 동요 저감 탱크는 자유면 타입(free surface type)의 횡 동요 저감 탱크와 U-튜브 타입의 횡 동요 저감 탱크로 나눌 수 있는데, 기본적으로 횡 동요 저감 탱크 내부에 수용된 유체의 고유진동수를 이용한다는 점에서 원리는 같다고 할 수 있다.

횡 동요 저감 탱크는 선박의 횡 동요를 줄이기 위한 것이 목적이므로, 선박이 운동함에 따라 내부 유체가 주기적으로 좌/우 방향으로 원활히 유동할 수 있도록 만들어져야 한다.

그러므로, 일반적으로는 유체의 흐름을 막는 내부 부재는 가능한 사용하지 않는 것이 좋다. 하지만 수동형 횡 동요 저감 탱크를 사용하는 경우에는, 선박의 횡 동요 주기 근처에서 선박의 횡 동요를 줄여주지만, 주기에서 멀어지는 주파수 영역에서는 오히려 선박의 횡 동요가 커지는 단점이 있다.

예를 들어, 횡 동요 저감 탱크를 사용하지 않는 경우에는 주파수비가 대략 1인 공진 점 주위에서 선박은 횡 동요가 피크 값을 갖게 되는데, 횡 동요 저감 탱크를 사용하는 경우에는 피크였던 주파수비가 대략 1인 공진 점에서 선박의 횡 동요가 거의 없을 정도로 감소하지만, 주파수비가 대략 0.8과 1.1 근방에서 각각 새로운 피크를 갖게 되면서 오히려 이런 구간에서 횡 동요 저감 탱크를 사용하지 않는 경우보다 안 좋은 결과를 얻게 된다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서, 횡 동요 저감 탱크의 내부 유동에 댐핑(damping)을 증가시키는 방법이 있는데, 이렇게 되면 뚜렷하던 두 개의 피크가 뭉개지면서, 거의 전 주기영역에서 완만한 형태의 횡 동요 값을 갖게 된다.

한편, 횡 동요 저감 탱크를 설계할 때, 선체 내부에 있는 보강 벽들의 연속성을 확보해 주어야 구조 안전성을 확보할 수 있으며, 나아가 프로펠러, 엔진 등의 기진 원으로부터 전달되는 진동 문제를 줄일 수 있게 된다.

그러나, 보강 벽들의 연속성을 만족시키기 위해 횡 동요 저감 탱크의 내부에 내부 벽을 설치할 경우, 횡 동요 저감 탱크 내부의 유체 이동을 어렵게 할 우려가 있으므로, 구조 및 진동 관점뿐만 아니라 횡 동요 저감 탱크의 성능까지 고려하여 횡 동요 저감 탱크를 설계할 필요가 있다.

한편, 횡 동요 저감 탱크는 기본적으로 내부의 작동 유체가 잘 움직여야 하는데, 자유면 타입의 경우에는, 탱크의 좌우 측 끝 부분에서 내부 유체의 유동으로 인한 유압(hydraulic) 점프 충격을 포함한 다양한 형태의 충격력이 탱크에 가해질 수 있다. 이는, 기본적으로 횡 동요 저감 방식이 일종의 슬로싱 현상이기 때문인데, 이런 충격압력이 발생하는 경우, 소음, 진동을 포함한 구조 부재의 파괴, 누출(Leakage) 발생 등 여러 가지 문제점을 야기할 수 있다.

없음

전술한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 선체에 설치된 횡 동요 저감 탱크 내부에 이중 반전 프로펠러 유닛을 설치하여 해상에서 작업을 하거나 항해하는 부유식 해양구조물과 선박의 횡 동요를 효과적으로 감쇠함으로써, 승선 감과 작업성능을 향상시키고 나아가 운항 안전성과 작업 안전성을 도모할 수 있는 능동형 횡 동요 저감장치를 제공함에 그 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 능동형 횡 동요 저감장치는 횡 동요 저감장치는 횡 동요를 저감하기 위하여 선체에 횡 동요 저감 탱크가 설치되고, 상기 횡 동요 저감 탱크의 내부에 이중 반전 프로펠러 유닛이 설치된다.

상기 이중 반전 프로펠러 유닛은 상기 횡 동요 저감 탱크의 유체 내부에 설치된다.

상기 이중 반전 프로펠러 유닛은 상기 횡 동요 저감 탱크의 수직 센터 라인에 하나가 배치될 수 있다.

상기 이중 반전 프로펠러 유닛은 상기 횡 동요 저감 탱크의 수직 센터 라인을 기준으로 좌우 측에 각각 배치될 수 있다.

상기 이중 반전 프로펠러 유닛은 제1 프로펠러와 제2 프로펠러가 서로 반대로 배치되어 양 방향의 유체 흐름을 감소시킨다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 선체에 설치된 횡 동요 저감 탱크 내부에 이중 반전 프로펠러 유닛을 설치하고, 양 방향 유속조절이 가능하여, 유량의 변화로 인한 모멘트의 감소를 유발하지 않게 되므로 해상에서 작업을 하거나 항해하는 부유식 해양 구조물과 선박의 횡 동요를 효과적으로 감쇠함으로써, 승선 감과 작업성능을 향상시키고 나아가 운항 안전성과 작업 안전성을 도모할 수 있다.

도 1a 및 1b는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 능동형 횡 동요 저감장치의 배치를 보인 도면
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 능동형 횡 동요 저감장치를 보인 사시도
도 3은 도 2의 정면도
도 4는 이중 반전 프로펠러 유닛을 보인 개념도
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 능동형 횡 동요 저감장치를 보인 정면도
도 6은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 능동형 횡 동요 저감장치를 보인 정면도
도 7 및 도 8은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 능동형 횡 동요 저감장치를 보인 정면도

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 능동형 횡 동요 저감장치에 대하여 상세하게 설명한다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

도 1a 및 1b는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 능동형 횡 동요 저감장치의 배치를 보인 도면이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 능동형 횡 동요 저감장치를 보인 사시도이며, 도 3은 도 2의 정면도이고, 도 4는 이중 반전 프로펠러 유닛을 보인 개념도이다.

위 도면을 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 능동형 횡 동요 저감장치(100)는 선체(1)의 데크(D)의 하부에 선체 폭 방향으로 설치되며, 선체 길이 방향으로 약 3:2 되는 위치에 배치될 수 있다.

본 발명의 능동형 횡 동요 저감장치(100)는 횡 동요를 저감하기 위하여 선체(1)에 횡 동요 저감 탱크(110)가 설치되고, 상기 횡 동요 저감 탱크(110)의 내부에 유체가 있고, 이중 반전 프로펠러 유닛(120)은 상기 횡 동요 저감 탱크(110)의 유체 내부에 설치된다.

본 발명의 이중 반전 프로펠러 유닛(contra-rotating propellers unit)(120)은 하나의 축에 서로 반대로 돌아가는 2개의 프로펠러(121)(122)를 끼운 형태를 말한다. 이중 반전 프로펠러 유닛(120)은 싱글의 프로펠러보다 6~16% 정도 효율이 더 좋은 것으로 알려져 있다.

상기 이중 반전 프로펠러 유닛(120)은 제1 프로펠러(121)와 제2 프로펠러(122)가 서로 반대로 배치되어 양 방향의 유체 흐름을 감소시키도록 한다. 상기 이중 반전 프로펠러 유닛(120)의 회전축은 횡 동요 저감 탱크(110) 안에 설치되는 축 지지체(미 도시)에 의해서 회전 가능하게 설치됨은 물론이다. 상기 회전축 및 회전축을 지지하는 상기 축 지지체는 통상적인 구성에 해당하므로 도면에서 생략하기로 한다.

상기 이중 반전 프로펠러 유닛(120)은 상기 횡 동요 저감 탱크(110) 내에 홀수개 설치될 수 있는데, 예를 들어 수직 센터 라인(L)에 하나가 배치될 수 있다.

한편, 도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 능동형 횡 동요 저감장치를 보인 정면도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 능동형 횡 동요 저감장치(200)는 횡 동요를 저감하기 위하여 선체(1)에 횡 동요 저감 탱크(210)가 설치되고, 상기 횡 동요 저감 탱크(210)의 내부에 유체가 있고, 이중 반전 프로펠러 유닛(220)은 상기 횡 동요 저감 탱크(210)의 유체 내부에 설치된다.

상기 이중 반전 프로펠러 유닛(220)은 상기 횡 동요 저감 탱크(210)의 수직 센터 라인(L)을 기준으로 좌우 측(롤링 방향)에 대칭으로 배치될 수도 있다.

한편, 도 6은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 능동형 횡 동요 저감장치를 보인 정면도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 능동형 횡 동요 저감장치(300)는 횡 동요를 저감하기 위하여 선체에 횡 동요 저감 탱크(310)가 설치되고, 상기 횡 동요 저감 탱크(310)의 내부에 유체가 있고, 이중 반전 프로펠러 유닛(320)은 상기 횡 동요 저감 탱크(310)의 유체 내부에 설치된다.

상기 이중 반전 프로펠러 유닛(220)은 상기 횡 동요 저감 탱크(310)의 수직 센터 라인(L)을 기준으로 전후 측(피칭 방향)에 대칭으로 배치될 수도 있다.

도 7 및 도 8은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 능동형 횡 동요 저감장치를 보인 정면도이다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 제4 실시 예에 따른 능동형 횡 동요 저감장치(400)는 횡 동요를 저감하기 위하여 선체에 횡 동요 저감 탱크(410)가 설치되고, 상기 횡 동요 저감 탱크(410)의 내부에 유체가 있고, 싱글의 프로펠러(421)가 복수 개로 설치되어 이중, 삼중 또는 다중 반전 프로펠러 유닛(420)으로 구성될 수도 있다.

상기 싱글의 프로펠러(420)는 상기 횡 동요 저감 탱크(410)의 수직 센터 라인(L)을 기준으로 좌우 측(롤링 방향)에 대칭으로 배치될 수도 있고(도 7 참조), 상기 횡 동요 저감 탱크(410)의 수직 센터 라인(L)을 기준으로 전후 측(피칭 방향)에 대칭으로 배치될 수 있다(도 8 참조).

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 선체(1)에 설치된 횡 동요 저감 탱크(110) 내부에 이중 반전 프로펠러 유닛(120)을 설치하여, 양 방향 유속조절이 가능함으로써 유량의 변화로 인한 모멘트의 감소를 유발하지 않고, 해상에서 작업을 하거나 항해하는 부유식 해양 구조물과 선박의 횡 동요를 효과적으로 감쇠한다. 이로써 승선 감과 작업성능을 향상시키고 나아가 운항 안전성과 작업 안전성을 도모할 수 있다.

그리고, 본 발명은 한정된 실시 예와 도면을 통하여 설명되었으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재된 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

1: 선체
100: 능동형 횡 동요 저감장치
110: 횡 동요 저감 탱크
120: 이중 반전 프로펠러 유닛
121: 제1 프로펠러
122: 제2 프로펠러
200: 능동형 횡 동요 저감장치
210: 횡 동요 저감 탱크
220: 이중 반전 프로펠러 유닛
L: 수직 센터 라인

Claims (10)

1. 주기 변화가 가능한 능동형 횡 동요 저감장치로서,
   자유면 타입의 횡 동요 저감 탱크;
   자유면을 갖도록 상기 횡 동요 저감 탱크의 내부에 들어있는 유체; 및
   상기 유체 내부에 설치되는 이중 반전 프로펠러 유닛을 포함하고,
   상기 이중 반전 프로펠러 유닛에 의해 양 방향 유속조절이 가능한 능동형 횡 동요 저감장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 이중 반전 프로펠러 유닛은,
   상기 횡 동요 저감 탱크의 자유면 아래에 배치되는 능동형 횡 동요 저감장치.
3. 삭제
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 이중 반전 프로펠러 유닛은 상기 횡 동요 저감 탱크의 수직 센터 라인에 하나가 배치되는 것을 특징으로 하는 능동형 횡 동요 저감장치.
5. 청구항 2에 있어서,
   상기 이중 반전 프로펠러 유닛은 상기 횡 동요 저감 탱크의 수직 센터 라인을 기준으로 좌우 측(롤링 방향)에 대칭으로 배치되는 것을 특징으로 하는 능동형 횡 동요 저감장치.
6. 청구항 2에 있어서,
   상기 이중 반전 프로펠러 유닛은 상기 횡 동요 저감 탱크의 수직 센터 라인을 기준으로 전후 측(피칭 방향)에 대칭으로 배치되는 것을 특징으로 하는 능동형 횡 동요 저감장치.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 이중 반전 프로펠러 유닛은 제1 프로펠러와 제2 프로펠러가 서로 반대로 배치되는 것을 특징으로 하는 능동형 횡 동요 저감장치.
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 이중 반전 프로펠러 유닛은 싱글의 프로펠러가 다수 개로 구성되는 것을 특징으로 하는 능동형 횡 동요 저감장치.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 싱글의 프로펠러는 상기 횡 동요 저감 탱크의 수직 센터 라인을 기준으로 좌우 측(롤링 방향)에 대칭으로 배치되는 것을 특징으로 하는 능동형 횡 동요 저감장치.
10. 청구항 8에 있어서,
    상기 싱글의 프로펠러는 상기 횡 동요 저감 탱크의 수직 센터 라인을 기준으로 전후 측(피칭 방향)에 대칭으로 배치되는 것을 특징으로 하는 능동형 횡 동요 저감장치.

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