KR102195862B1 - 가변 피치 프로펠러를 장착한 선박의 디젤 엔진 성능 분석 방법 및 이를 구현하기 위한 프로그램이 저장된 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체 - Google Patents

가변 피치 프로펠러를 장착한 선박의 디젤 엔진 성능 분석 방법 및 이를 구현하기 위한 프로그램이 저장된 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체 Download PDF

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정성훈
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한국지질자원연구원
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Abstract

본 발명의 목적은 선박에서 선속의 저하로 인한 운항 손실을 극복하고, 이와 동시에 과부하 운전으로 인한 엔진 또는 선체의 손상을 회피할 수 있는 가변 피치 프로펠러를 장착한 선박의 디젤 엔진 성능 분석 방법 및 이를 구현하기 위한 프로그램이 저장된 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 가변 피치 프로펠러를 장착한 선박의 디젤 엔진 성능 분석 방법은, 고정 피치 프로펠러의 부하 커브선을 나타내는 그래프를 준비하는 단계; 및 상기 고정 피치 프로펠러의 부하 커브선을 나타내는 그래프를 마력비를 나타내는 세로축을 기준으로 상부 방향으로 20% 내지 40% 이동시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

가변 피치 프로펠러를 장착한 선박의 디젤 엔진 성능 분석 방법 및 이를 구현하기 위한 프로그램이 저장된 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체{METHOD FOR ANALIZING PERFORMANCE OF SHIP DIESEL ENGINE WITH VARIABLE PITCH PROPELLER AND COMPUTER-READABLE RECORDING MEDIA RECORDED PROGRAM FOR REALIZING THE SAME}
본 발명은 선박의 디젤 엔진 성능 분석 방법 및 이를 구현하기 위한 프로그램이 저장된 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가변 피치 프로펠러를 장착한 선박의 디젤 엔진 성능 분석 방법 및 이를 구현하기 위한 프로그램이 저장된 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 관한 것이다.
일반적으로 선박용 디젤 엔진은 대부분 용도에 적합하게 중저속에서 고토크 운전이 가능한 것을 장점으로 한다.
이와 같은 선박용 디젤 엔진, 특히 대형 디젤 엔진은 독일의 MAN B&W사와 스위스의 Sulzer사를 인수 합병한 핀란드의 Wartsila사의 디젤 엔진을 사용하거나 이들과의 기술 협력에 의해서 생산되고 있다.
통상 선박용 디젤 엔진은 이들 엔진 제작사에서 제공하는 엔진 성능 곡선을 참조하여 엔진의 성능 및 운전 상태를 파악하고, 이에 기초하여 선박을 운행하고 있다.
그러나, 해당 곡선을 유용하게 사용하기 위해서 필요한 자료의 계산 방식이 난이하기 때문에 해당 선박의 선장 또는 해당 선박을 보유하고 있는 해운 선사 등에서는 엔진 성능 곡선을 제대로 활용하고 있지 못하는 실정이다.
이로 인해, 통상 경험에 의한 엔진 운전 방식이 통용되고 있었고, 따라서 선속(speed) 저하로 인한 운항 손실, 혹은 과부하 운전으로 인한 빈번한 엔진의 손상 또는 선체 외판 등의 손상이 발생할 우려가 있었다.
예컨대, 경험이 많은 숙련된 운전자의 경우는 엔진의 안전적인 운전을 위한 저부하 운전을 추구하는 경향이 있어서 통상 낮은 선속으로 운전하고, 따라서 운항 손실이 발생할 우려가 있었으며, 경험이 적고 의욕이 넘치는 비숙련 운전자의 경우는 선속을 유지하는 운전을 하여 과부하 운전에 의한 엔진의 손상 사고 등이 발생할 우려가 있었다.
이에 해당 선박의 선장이나 및 해운 선사에서는 이와 같은 극단에 치우치는 운전 방법에 대한 뾰족한 해결책을 찾아내지 못하고 미봉책으로 안전 운전만을 강요하는 형편이었으며, 이에 선속 저하가 초래되어 외국 선사와의 경쟁에서 불리한 경우가 있었다.
이를 해결하기 위해 특허 문헌 1은 선속의 저하로 인한 운항 손실을 극복하고, 이와 동시에 과부하 운전으로 인한 엔진 또는 선체의 손상을 회피할 수 있는 선박용 디젤 엔진의 성능 관리 방법을 제공하고 있다.
이러한 특허 문헌 1은 선박에서 선속의 저하로 인한 운항 손실을 극복하면서, 이와 동시에 과부하 운전으로 인한 엔진 또는 선체의 손상을 회피할 수 있고, 숙련자이든 비숙련자이든 본 발명의 선박용 디젤 엔진의 성능 관리 방법에 따라서 선박의 운행을 적절하게 수행할 수 있어, 경제적인 선박의 운항을 기대할 수 있지만, 상기 특허 문헌 1은 고정 피치 프로펠러를 갖는 디젤 엔진이 장착된 선박에 만 적용할 수 있고, 가변 피치 프로펠러를 갖는 디젤 엔진이 장착된 선박에는 적용할 수 없는 문제점이 있었다.
대한민국 등록특허공보 제10-1823074호 (2018.01.29. 공고)
상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 선박에서 선속의 저하로 인한 운항 손실을 극복하고, 이와 동시에 과부하 운전으로 인한 엔진 또는 선체의 손상을 회피할 수 있는 가변 피치 프로펠러를 장착한 선박의 디젤 엔진 성능 분석 방법 및 이를 구현하기 위한 프로그램이 저장된 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 가변 피치 프로펠러를 장착한 선박의 디젤 엔진 성능 분석 방법은, 고정 피치 프로펠러의 부하 커브선을 나타내는 그래프를 준비하는 단계; 및 상기 고정 피치 프로펠러의 부하 커브선을 나타내는 그래프를 마력비를 나타내는 세로축을 기준으로 상부 방향으로 20% 내지 40% 이동시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 가변 피치 프로펠러를 장착한 선박의 디젤 엔진 성능 분석 방법에서, 상기 고정 피치 프로펠러의 부하 커브선의 이동은 가변 피치 프로펠러의 날개 각도가 증가하기 이전인 선속 제로의 무부하 운전 구간에서 부하의 증가에 의해 이동되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 가변 피치 프로펠러를 장착한 선박의 디젤 엔진 성능 분석 방법에서, 상기 부하의 증가는, 엔진의 무부하 운전에 의해 걸리는 부하와, 엔진에 연결된 축발전기에 의해 걸리는 부하와, 선박에 장착된 스러스터에 의해 걸리는 부하 중 하나 이상에 의해 증가하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 가변 피치 프로펠러를 장착한 선박의 디젤 엔진 성능 분석 방법에서, 상기 가변 피치 프로펠러의 피치 각도가 0 인 무부하 운전 구간에서, 20% 내지 대략 40%의 마력비에 의해 연료가 소모되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 가변 피치 프로펠러를 장착한 선박의 디젤 엔진 성능 분석 방법에서, 상기 마력비는, PS = (K1 * (V * 100)3 + α) / 100 인 수학식 7에 의해 획득되며, PS는 마력비이고, V는 회전수비, 즉 속력비이며, K1은 상수이고, α는 마력비 이동값인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 가변 피치 프로펠러를 장착한 선박의 디젤 엔진 성능 분석 방법에서, 상기 부하는, Pe = (K2 * (PS - α%) / V + α) / 100 인 수학식 8에 의해 획득되며, Pe는 부하이고, K2는 상수이며, PS는 마력비이고, V는 회전수비, 즉 속력비이고, α는 마력비 이동값인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 가변 피치 프로펠러를 장착한 선박의 디젤 엔진 성능 분석 방법에서, 상기 고정 피치 프로펠러의 부하 커브선을 20% 내지 40% 이동시킨 이후, 가변 피치 프로펠러를 장착한 선박용 디젤 엔진의 운전 데이터를 획득하는 단계; 획득된 상기 운전 데이터 중에서 현재 운전점의 마력비로부터 예상 속력비를 구하는 단계; 구해진 상기 예상 속력비로부터 현재 운전점의 운전 영역이 속하는 운전 영역을 식별하는 단계; 식별된 운전 영역에서 허용되는 최고 운전점을 구하기 위하여 현재 운전점의 제 1 상수값을 구하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 가변 피치 프로펠러를 장착한 선박의 디젤 엔진 성능 분석 방법에서, 식별된 상기 운전 영역이 안전 부하 운전 영역인 경우, 현재 운전점의 마력비 및 속력비를 사용하여 속력비와 마력비의 제한선에 따라 허용 최고 마력비와 허용 최고 속력비의 값을 구하는 단계; 식별된 상기 운전 영역이 과부하 운전 영역인 경우, 현재 운전점의 마력비 및 속력비를 사용하여 부하비의 제한선에 따라 허용 최고 마력비와 허용 최고 속력비의 값을 구하는 단계; 및 구해진 상기 현재 운전점을 마력과 속력의 3 승 곡선과 엔진의 부하선을 나타낸 그래프에 도시하고 상기 현재 운전점과 상기 허용 최고 운전점을 비교 분석한 결과 자료를 그래프에 도시하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 가변 피치 프로펠러를 장착한 선박의 디젤 엔진 성능 분석 방법을 구현하기 위한 프로그램이 저장된 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는, 고정 피치 프로펠러의 부하 커브선을 나타내는 그래프를 준비하는 단계; 및 상기 고정 피치 프로펠러의 부하 커브선을 나타내는 그래프를 마력비를 나타내는 세로축을 기준으로 상부 방향으로 20% 내지 40% 이동시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 가변 피치 프로펠러를 장착한 선박의 디젤 엔진 성능 분석 방법을 구현하기 위한 프로그램이 저장된 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에서, 상기 고정 피치 프로펠러의 부하 커브선의 이동은 가변 피치 프로펠러의 날개 각도가 증가하기 이전인 선속 제로의 무부하 운전 구간에서 부하의 증가에 의해 이동되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 가변 피치 프로펠러를 장착한 선박의 디젤 엔진 성능 분석 방법을 구현하기 위한 프로그램이 저장된 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에서, 상기 부하의 증가는, 엔진의 무부하 운전에 의해 걸리는 부하와, 엔진에 연결된 축발전기에 의해 걸리는 부하와, 선박에 장착된 스러스터에 의해 걸리는 부하 중 하나 이상에 의해 증가하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 가변 피치 프로펠러를 장착한 선박의 디젤 엔진 성능 분석 방법을 구현하기 위한 프로그램이 저장된 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에서, 상기 가변 피치 프로펠러의 피치 각도가 0 인 무부하 운전 구간에서, 20% 내지 대략 40%의 마력비에 의해 연료가 소모되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 가변 피치 프로펠러를 장착한 선박의 디젤 엔진 성능 분석 방법을 구현하기 위한 프로그램이 저장된 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에서, 상기 마력비는, PS = (K1 * (V * 100)3 + α) / 100 인 수학식 7에 의해 획득되며, PS는 마력비이고, V는 회전수비, 즉 속력비이며, K1은 상수이고, α는 마력비 이동값인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 가변 피치 프로펠러를 장착한 선박의 디젤 엔진 성능 분석 방법을 구현하기 위한 프로그램이 저장된 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에서, 상기 부하는, Pe = (K2 * (PS - α%) / V + α) / 100 인 수학식 8에 의해 획득되며, Pe는 부하이고, K2는 상수이며, PS는 마력비이고, V는 회전수비, 즉 속력비이고, α는 마력비 이동값인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 가변 피치 프로펠러를 장착한 선박의 디젤 엔진 성능 분석 방법을 구현하기 위한 프로그램이 저장된 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에서, 상기 고정 피치 프로펠러의 부하 커브선을 20% 내지 40% 이동시킨 이후, 가변 피치 프로펠러를 장착한 선박용 디젤 엔진의 운전 데이터를 획득하는 단계; 획득된 상기 운전 데이터 중에서 현재 운전점의 마력비로부터 예상 속력비를 구하는 단계; 구해진 상기 예상 속력비로부터 현재 운전점의 운전 영역이 속하는 운전 영역을 식별하는 단계; 식별된 운전 영역에서 허용되는 최고 운전점을 구하기 위하여 현재 운전점의 제 1 상수값을 구하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 가변 피치 프로펠러를 장착한 선박의 디젤 엔진 성능 분석 방법을 구현하기 위한 프로그램이 저장된 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에서, 식별된 상기 운전 영역이 안전 부하 운전 영역인 경우, 현재 운전점의 마력비 및 속력비를 사용하여 속력비와 마력비의 제한선에 따라 허용 최고 마력비와 허용 최고 속력비의 값을 구하는 단계; 식별된 상기 운전 영역이 과부하 운전 영역인 경우, 현재 운전점의 마력비 및 속력비를 사용하여 부하비의 제한선에 따라 허용 최고 마력비와 허용 최고 속력비의 값을 구하는 단계; 및 구해진 상기 현재 운전점을 마력과 속력의 3 승 곡선과 엔진의 부하선을 나타낸 그래프에 도시하고 상기 현재 운전점과 상기 허용 최고 운전점을 비교 분석한 결과 자료를 그래프에 도시하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
기타 실시 예의 구체적인 사항은 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 및 첨부 "도면"에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 각종 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 각 실시 예의 구성만으로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로도 구현될 수도 있으며, 단지 본 명세서에서 개시한 각각의 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐임을 알아야 한다.
본 발명에 의하면, 선박에서 선속의 저하로 인한 운항 손실을 극복하고, 이와 동시에 과부하 운전으로 인한 엔진 또는 선체의 손상을 회피할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 마력과 속력의 3 승 곡선 및 엔진의 부하선(load line)의 기본도를 나타낸 도면.
도 2는 고정 피치 프로펠러의 부하 커브선을 나타내는 그래프.
도 3은 도 2의 고정 피치 프로펠러의 부하 커브선에 가변 피치 프로펠러를 갖는 디젤 엔진의 데이터를 입력한 그래프.
도 4는 고정 피치 프로펠러의 부하 커브선에서 회전수비를 속력비로 변경하고, 가변 피치 프로펠러를 갖는 디젤 엔진의 데이터를 입력한 그래프.
도 5는 고정 피치 프로펠러용 부하 커브선을 세로축 상부 방향으로 20% 이동시킨 그래프.
도 6은 고정 피치 프로펠러용 부하 커브선을 세로축 상부 방향으로 30% 이동시킨 그래프.
도 7은 고정 피치 프로펠러용 부하 커브선을 세로축 상부 방향으로 35% 이동시킨 그래프.
도 8은 고정 피치 프로펠러용 부하 커브선을 세로축 상부 방향으로 20% 내지 40% 이동시킨 후, 가변 피치 프로펠러를 갖는 디젤 엔진의 데이터를 입력한 그래프.
본 발명을 상세하게 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있고, 더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.
즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니며, 이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있으며, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.
본 명세서의 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 임의의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.
더 나아가서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"라고 기재한 경우에는, 이 구성 요소가 다른 구성 요소와 직접적으로 연결되어 있거나 접촉하여 설치되어 있을 수 있고, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있을 수도 있으며, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있는 경우에 대해서는 해당 구성 요소를 다른 구성 요소에 고정 내지 연결하기 위한 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재할 수 있으며, 이 제 3의 구성 요소 또는 수단에 대한 설명은 생략될 수도 있음을 알아야 한다.
반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결"되어 있다거나, 또는 "직접 접속"되어 있다고 기재되는 경우에는, 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재하지 않는 것으로 이해하여야 한다.
마찬가지로, 각 구성 요소 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 " ~ 사이에"와 "바로 ~ 사이에", 또는 " ~ 에 이웃하는"과 " ~ 에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지의 취지를 가지고 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 "일면", "타면", "일측", "타측", "제 1", "제 2" 등의 용어는, 사용된다면, 하나의 구성 요소에 대해서 이 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소로부터 명확하게 구별될 수 있도록 하기 위해서 사용되며, 이와 같은 용어에 의해서 해당 구성 요소의 의미가 제한적으로 사용되는 것은 아님을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에서 "상", "하", "좌", "우" 등의 위치와 관련된 용어는, 사용된다면, 해당 구성 요소에 대해서 해당 도면에서의 상대적인 위치를 나타내고 있는 것으로 이해하여야 하며, 이들의 위치에 대해서 절대적인 위치를 특정하지 않는 이상은, 이들 위치 관련 용어가 절대적인 위치를 언급하고 있는 것으로 이해하여서는 아니된다.
또한, 본 명세서에서는 각 도면의 각 구성 요소에 대해서 그 도면 부호를 명기함에 있어서, 동일한 구성 요소에 대해서는 이 구성 요소가 비록 다른 도면에 표시되더라도 동일한 도면 부호를 가지고 있도록, 즉 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지시하고 있다.
본 명세서에 첨부된 도면에서 본 발명을 구성하는 각 구성 요소의 크기, 위치, 결합 관계 등은 본 발명의 사상을 충분히 명확하게 전달할 수 있도록 하기 위해서 또는 설명의 편의를 위해서 일부 과장 또는 축소되거나 생략되어 기술되어 있을 수 있고, 따라서 그 비례나 축척은 엄밀하지 않을 수 있다.
또한, 이하에서, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 구성, 예를 들어, 종래 기술을 포함하는 공지 기술에 대해 상세한 설명은 생략될 수도 있다.
이하, 본 발명의 실시 예에 대해 관련 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
우선, 도 1을 참조하여 고정 피치 프로펠러를 갖는 디젤 엔진의 마력과 속력 및 엔진의 부하선의 관계에 대해서 살펴 보기로 한다.
도 1은 마력과 속력의 3 승 곡선 및 엔진의 부하선(load line)의 기본도를 나타낸 도면으로, 가로축은 속력비(%)(RPM)를, 세로축은 마력비(%)를 나타낸다.
도 1로부터, (1), (2), 및 (3)으로 나타낸 선(line)은 엔진의 부하선이고, (4) 및 (5)로 나타낸 선은 마력과 속력의 3 승 곡선이다.
구체적으로, 도 1에 있어서, (1)의 부하선은 엔진의 부하(Pe)가 100 %인 경우를, (2)의 부하선은 엔진의 부하(Pe)가 95 %인 경우를, (3)의 부하선은 엔진의 부하(Pe)가 90 %인 경우를 나타내고, (4)의 곡선은 프로펠러 법칙 곡선을, (5)의 곡선은 프로펠러 설계 곡선을 나타낸다.
여기에서 도 1의 도면을 작성하기 위한 배경 지식에 대해서 살펴 본다.
선박의 전저항(선체 저항)을 R, 수면 하부의 면적을 A, 속력을 V, 배수량을 D, 배의 길이를 L, 마력을 PS, 그리고 연료 소비량을 Q라고 하면 통상의 속력(V)에 있어서, R ∝ A * V2, D ∝ L3, A ∝ L2를 만족하므로, A ∝ D2/3의 관계가 성립한다.
이로부터, R ∝ V2 * D2/3, 및 R * V ∝ V3 * D2/3의 관계식을 도출할 수 있다.
또한, PS ∝ R * V의 관계를 만족하므로, PS ∝ V3 * D2/3의 관계식을 얻을 수 있다.
또한, Q ∝ PS이므로 Q ∝ V3 * D2/3의 관계식을 얻을 수 있다.
따라서, 고정 피치 프로펠러를 갖는 디젤 엔진이 장착된 선박에 있어서, 배수량(D)이 일정할 때, 즉 선체 저항(R)이 일정한 것으로 가정할 수 있는 경우 마력(PS)은 속력(V)의 3 승에 비례하고, 또한 연료 소비량(Q) 역시 속력(V)의 3 승에 비례하며, 이는 다음 수학식 1 및 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
PS ∝ V3
[수학식 2]
Q ∝ V3
수학식 1 및 수학식 2로부터, 마력(PS) 및 연료 소모량(Q)은 선박의 속도(V)에 대해서 3 제곱에 비례하기 때문에, 선박이 각종 저항을 통과하여 속도를 내기 시작하는 초기 운전 시점까지는 마력(PS) 및 연료 소모량(Q)은 속도(V)와 대비하여 거의 늘어나지 않지만, 특정 속도 구간을 통과하면 연료 소모량(Q)에 따라서 마력(PS) 및 속도(V)도 증가하다가, 해당 구간을 벗어나게 되면 속도(V)를 약간이라도 올리기 위해서는 마력(PS) 및 연료 소모량(Q)이 급증할 수 있음을 알 수 있다.
따라서, 예를 들어, 벌크(bulk) 선박의 경우, 통상 운항 권장 속도인 14 노트에서 단지 2 노트만 줄여도 속도(V) 감소 대비 연료 소모량(Q)을 현저하게 감소시킬 수 있음을 알 수 있다.
한편, 속력(V)이 일정할 경우, 마력(PS) 및 연료 소비량(Q)은 배수량(D)의 2/3 승에 비례하며, 이는 다음 수학식 3 및 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
PS ∝ D2/3
[수학식 4]
Q ∝ D2/3
수학식 3 및 수학식 4로부터, 선박의 속력(V)이 일정할 때의 마력(PS)과 연료 소비량(Q)은 배수량(D)의 2/3 승에 비례함을 알 수 있어, 경제적인 선박의 운행을 위해서는 과도한 속력(V)은 피하는 것이 바람직하지만, 배수량(D)은 이에 비해서 상대적으로 둔하므로(dull) 통상 선박의 배수량(D)은 늘리는 것이 바람직함을 알 수 있다.
다음으로, 수학식 1에 대해서 제 1 상수값으로서 상수(K1)를 도입하여 정리하면 다음 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
PS = K1 * V3
한편, 해상의 기후가 악화된 황천 항해의 경우 또는 선체 외판의 오손이 증가하게 되면 선체의 저항(R)이 커지게 되고, 엔진의 회전수, 즉 속력(V)은 감소하면서, 엔진의 부하(Pe)는 증가하게 되므로, 이 때의 엔진의 부하(Pe)에 대해서 제 2 상수값으로서 다른 상수(K2)를 도입하여 정리하면 다음 수학식 6으로 나타낼 수 있다.
[수학식 6]
Pe = K2 * PS/V
이상의 내용을 모두 종합하여 그래프로 표시하게 되면, 예컨대, 도 1과 같이 나타낼 수 있다.
도 1에 있어서, A로 지시한 지점은 안전 부하 운전 영역에 속하고, B로 지시한 지점은 과부하 운전 영역에 속한다.
따라서 A 지점에서 B 지점으로 이동하는 경우, 즉 엔진의 운전점이 프로펠러 법칙 곡선에서 대해서 상대적으로 좌측으로 이동하는 경우, 과부하 운전이 실시되고 있는 중이라고 해석할 수 있다.
과부하 운전이 실시되는 경우, 엔진의 직접적인 손상이 초래될 수 있을 뿐만 아니라, 선박 외형에 대해서도 손상이 초래될 우려가 있으므로, 경제적인 견지에서 이와 같은 과부하 운전은 바람직하지 않음을 알 수 있다.
한편, 디젤 엔진이 과부하 운전 상태에 있다는 것은 실린더 내 평균 유효 압력(Pe) 즉, 열부하의 증가를 의미하므로 이와 같은 과부하 운전 상태가 계속 유지되면 각종 손상이 초래될 우려가 있다.
과부하 운전에 의해서 초래될 수 있는 예상 손상으로는 배기 온도의 급상승, 터보-차저(turbo charger)의 서징 발생, 및/또는 실린더 커버의 소손 혹은 균열, 배기 밸브의 소손 혹은 블로우-바이, 피스톤 크라운의 소손 혹은 균열, 피스톤 링의 이상 마모 혹은 절손, 또는 실린더 라이너의 스커핑 혹은 균열과 같은 연소 가스 접촉부의 손상 등이 포함될 수 있다.
특히, 입거 주기, 즉 선박의 수리 등을 위해 드라이 독에 선박을 입고시키는 주기가 길어지고 선체 외판의 오손이 계속 진척되면 도 1에 나타낸 운전점의 이동, 즉 A → B로의 운전점의 이동이 쉽게 발생하여 디젤 엔진은 과부하 영역으로 들어가게 된다.
따라서, 해당 선박의 운영 관리 주체(선장 또는 해운 선사 등)는 엔진의 관리에 있어서 운전점의 이동에 대해서 주의하여야 하고, 특히 엔진의 마력을 조심스럽게 관리해야 할 필요가 있다.
도 2는 고정 피치 프로펠러의 부하 커브선을 나타내는 그래프이고, 도 3은 도 2의 고정 피치 프로펠러의 부하 커브선에 가변 피치 프로펠러를 갖는 디젤 엔진의 데이터를 입력한 그래프를 나타낸다.
고정 피치 프로펠러는 피치각을 변경할 수 없는 프로펠러로, 효율적인 성능보다 비용과 단순성이 중요한 항공기 또는 함정에 사용되며, 디젤 엔진의 회전수, 즉 프로펠러의 회전수의 증감에 따라 선속이 증감한다.
반면, 가변 피치 프로펠러는 날개의 피치를 자유롭게 변화시켜 원하는 위치에 기계적으로 고정할 수 있는 프로펠러로, 주기의 회전 방향과, 일정 속도로 고정한 채로 선교에서 전진, 정지, 회전을 자유롭게 조작할 수 있다.
이러한 가변 피치 프로펠러는 트롤선과 같이 프로펠러 하중 변화가 큰 선박이나 가스 터빈과 같이 역회전이 불가능한 선박에 적당하며, 디젤 엔진이 정속으로 회전하여 회전수는 일정하고 프로펠러의 날개 각도의 증감에 따라 선속이 증감한다.
도 3을 참조하면, 가로축은 회전수비를 나타내고, 세로축은 마력비를 나타낸다.
이러한 고정 피치 프로펠러용 부하 커브선에 가변 피치 프로펠러의 디젤 엔진 데이터를 입력시 우측의 세로축을 따라 그래프가 그려져서 데이터 분석에 어려움이 발생한다.
도 4는 고정 피치 프로펠러의 부하 커브선에서 회전수비를 속력비로 변경하고, 가변 피치 프로펠러를 갖는 디젤 엔진의 데이터를 입력한 그래프이다.
도 4에서, 가로축은 속력비를 나타내고, 세로축은 마력비를 나타낸다.
이와 같이, 회전수비를 속력비로 변경하여 고정 피치 프로펠러의 부하 커브선에 가변 피치 프로펠러를 갖는 디젤 엔진의 데이터를 입력한 결과, 저부하의 정상 운전 중임에도 불구하고, 과부하 운전인 것으로 나타난다.
즉, 저부하에서도 한계 부하 커브선을 초과한 것으로 나타난다.
따라서, 가변 피치 프로펠러를 갖는 디젤 엔진의 데이터를 입력하여 디젤 엔진 성능 분석을 수행하기 위한 방법이 요구된다.
도 5는 고정 피치 프로펠러용 부하 커브선을 세로축 상부 방향으로 20% 이동시킨 그래프이고, 도 6은 고정 피치 프로펠러용 부하 커브선을 세로축 상부 방향으로 30% 이동시킨 그래프이며, 도 7은 고정 피치 프로펠러용 부하 커브선을 세로축 상부 방향으로 35% 이동시킨 그래프이고, 도 8은 고정 피치 프로펠러용 부하 커브선을 세로축 상부 방향으로 20% 내지 40% 이동시킨 후, 가변 피치 프로펠러를 갖는 디젤 엔진의 데이터를 입력한 그래프이다.
도 5 내지 도 8을 참조하면, 고정 피치 프로펠러용 부하 커브선을 세로축 상부 방향으로 20% 내지 40% 이동시키고, 가변 피치 프로펠러를 갖는 디젤 엔진의 데이터를 입력하면 정상적인 데이터 분석이 가능함을 알 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 가변 피치 프로펠러를 장착한 선박의 디젤 엔진 성능 분석 방법은 고정 피치 프로펠러의 부하 커브선을 나타내는 그래프를 준비하고, 고정 피치 프로펠러의 부하 커브선을 나타내는 그래프를 마력비를 나타내는 세로축을 기준으로 상부 방향으로 20% 내지 40% 이동시킨다.
이와 같이, 고정 피치 프로펠러용 부하 커브선을 세로축 상부 방향으로 20% 내지 40% 이동시킬 경우, 가변 피치 프로펠러를 갖는 디젤 엔진의 데이터 분석이 왜 가능한지에 대해 분석하였다.
가변 피치 프로펠러를 갖는 디젤 엔진은 디젤 엔진의 기동 후 프로펠러의 날개 각도가 증가해야만 선속이 증가하기 때문에, 날개 각도가 증가하기 이전에 선속 제로의 무부하 운전 구간이 있음을 확인하였다.
하지만, 이러한 무부하 운전 구간에서 부하의 증가 현상이 있어 이를 확인해본 결과, 엔진의 무부하 운전에 의해 걸리는 부하와, 엔진에 연결된 축발전기에 의해 걸리는 부하와, 선박에 장착된 스러스터에 의해 걸리는 부하에 의해 무부하 운전 구간에서도 부하의 증가 현상이 있음을 확인하였다.
즉, 본 발명에 따른 가변 피치 프로펠러를 장착한 선박의 디젤 엔진 성능 분석 방법에서, 고정 피치 프로펠러의 부하 커브선의 이동은 가변 피치 프로펠러의 날개 각도가 증가하기 이전인 선속 제로의 무부하 운전 구간에서 부하의 증가에 의해 이동된다.
이러한 부하의 증가는, 엔진의 무부하 운전에 의해 걸리는 부하와, 엔진에 연결된 축발전기에 의해 걸리는 부하와, 선박에 장착된 스러스터에 의해 걸리는 부하 중 하나 이상에 의해 증가하는 것이다.
이러한 무부하 운전 구간, 즉 무속력(제로)시 마력 데이터를 분석하였다.
이는 다음 표 1 및 표 2와 같다.
[표 1]
Figure 112020005879342-pat00001
[표 2]
Figure 112020005879342-pat00002
표 1 및 표 2에 나타낸 바와 같이, 피치 각도가 0인 정선시 주기관의 부하 상태를 살펴보면, PS, 즉 마력비가 대략 20% 내지 대략 40%에서 연료가 소모됨을 확인할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 가변 피치 프로펠러를 장착한 선박의 디젤 엔진 성능 분석 방법에서, 가변 피치 프로펠러의 피치 각도가 0 인 무부하 운전 구간에서, 20% 내지 대략 40%의 마력비에 의해 연료가 소모됨을 확인할 수 있다.
이러한 분석에 의해, 엔진의 무부하 운전시 걸리는 부하의 원인은 엔진의 무부하 운전과, 엔진에 연결된 축발전기와, 선박에 연결된 스러스터이며, 실험 결과 엔진의 무부하 운전에 의해 약 20% 정도의 마력이 발생되고, 엔진의 무부하 운전과, 엔진에 연결된 축발전기에 의해 약 30% 정도의 마력이 발생되며, 엔진의 무부하 운전과, 엔진에 연결된 축발전기와, 선박에 연결된 스러스터에 의해 약 40% 정도의 마력이 발생됨을 확인하였다.
따라서, 고정 피치 프로펠러용 부하 커브선을 마력비를 나타내는 그래프의 세로축을 기준으로 20% ~ 40% 정도 이동한 결과, 고정 피치 프로펠러를 장착한 디젤 엔진 성능 분석 방법과 같이 가변 피치 프로펠러를 장착한 디젤 엔진 성능 분석 방법도 정상적인 분석이 가능하다.
다만, 가변 피치 프로펠러를 장착한 디젤 엔진에 대해 성능 분석을 수행하는 관계로, 마력과, 부하에 대한 공식의 변동이 있다.
고정 피치 프로펠러를 장착한 디젤 엔진의 성능 분석에서 사용하는 공식은 다음과 같다.
수학식 5에 의해,
마력은 PS = K1 * V3 이다.
또한, 수학식 6에 의해,
부하는 Pe = K2 * PS/V 이다.
하지만, 가변 피치 프로펠러를 장착한 디젤 엔진의 성능 분석을 위한 공식은 다음 수학식 7 및 수학식 8과 같다.
[수학식 7]
PS = (K1 * (V * 100)3 + α) / 100
여기서, PS는 마력비이고, V는 회전수비, 즉 속력비이며, K1은 상수이고, α는 마력비 이동값이다.
즉, 회전수비 V에 100을 곱하여 회전수비 V를 회전수로 환산하여 3 승하고 상수 K1을 곱한 후, 마력비 이동값 α를 합산하고, 다시 회전수비로 환산하기 위해 100으로 나누어주어 마력비를 구하게 된다.
따라서, 본 발명에 따른 가변 피치 프로펠러를 장착한 선박의 디젤 엔진 성능 분석 방법에서, 마력비는, PS = (K1 * (V * 100)3 + α) / 100 인 수학식 7에 의해 획득되며, PS는 마력비이고, V는 회전수비, 즉 속력비이며, K1은 상수이고, α는 마력비 이동값이다.
[수학식 8]
Pe = (K2 * (PS - α%) / V + α) / 100
여기서, Pe는 부하이고, K2는 상수이며, PS는 마력비이고, V는 회전수비, 즉 속력비이고, α는 마력비 이동값이다.
즉, 마력비 PS에서 마력비 이동값 비율 α%를 차감하고 상수 K2를 곱한 값을 회전수비 V로 나누고 마력비 이동값 α를 합산한 후, 100으로 나누어주어 부하 Pe를 구하게 된다.
또한, 본 발명에 따른 가변 피치 프로펠러를 장착한 선박의 디젤 엔진 성능 분석 방법에서, 부하는, Pe = (K2 * (PS - α%) / V + α) / 100 인 수학식 8에 의해 획득되며, Pe는 부하이고, K2는 상수이며, PS는 마력비이고, V는 회전수비, 즉 속력비이고, α는 마력비 이동값이다.
이후, 본 발명에 따른 가변 피치 프로펠러를 장착한 선박의 디젤 엔진 성능 분석 방법에서, 고정 피치 프로펠러의 부하 커브선을 20% 내지 40% 이동시킨 이후, 가변 피치 프로펠러를 장착한 선박용 디젤 엔진의 운전 데이터를 획득한다.
다음, 획득된 운전 데이터 중에서 현재 운전점의 마력비로부터 예상 속력비를 구한다.
구해진 예상 속력비로부터 현재 운전점의 운전 영역이 속하는 운전 영역을 식별한다.
식별된 운전 영역에서 허용되는 최고 운전점을 구하기 위하여 현재 운전점의 제 1 상수값을 구한다.
식별된 상기 운전 영역이 안전 부하 운전 영역인 경우, 현재 운전점의 마력비 및 속력비를 사용하여 속력비와 마력비의 제한선에 따라 허용 최고 마력비와 허용 최고 속력비의 값을 구한다.
식별된 운전 영역이 과부하 운전 영역인 경우, 현재 운전점의 마력비 및 속력비를 사용하여 부하비의 제한선에 따라 허용 최고 마력비와 허용 최고 속력비의 값을 구한다.
구해진 현재 운전점을 마력과 속력의 3 승 곡선과 엔진의 부하선을 나타낸 그래프에 도시하고 현재 운전점과 허용 최고 운전점을 비교 분석한 결과 자료를 그래프에 도시한다.
한편, 상술한 바와 같은 방법은 가변 피치 프로펠러를 장착한 선박의 디젤 엔진 성능 분석 방법을 구현하기 위한 프로그램이 저장된 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 의해 수행된다.
본 발명의 실시예들은 가변 피치 프로펠러를 장착한 선박의 디젤 엔진 성능을 분석할 수 있는 것으로, 다양한 컴퓨터로 구현되는 동작을 수행하기 위한 프로그램 명령을 포함하는 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함한다.
이러한 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 로컬 데이터 파일, 로컬 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
이 매체는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
이러한 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광 기록 매체, 플롭티컬 디스크와 같은 자기-광 매체, 및 롬, 램, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.
프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
이와 같이, 본 발명에 의하면, 선박에서 선속의 저하로 인한 운항 손실을 극복하고, 이와 동시에 과부하 운전으로 인한 엔진 또는 선체의 손상을 회피할 수 있는 효과가 있다.
이상, 일부 예를 들어서 본 발명의 바람직한 여러 가지 실시 예에 대해서 설명하였지만, 본 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 항목에 기재된 여러 가지 다양한 실시 예에 관한 설명은 예시적인 것에 불과한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이상의 설명으로부터 본 발명을 다양하게 변형하여 실시하거나 본 발명과 균등한 실시를 행할 수 있다는 점을 잘 이해하고 있을 것이다.
또한, 본 발명은 다른 다양한 형태로 구현될 수 있기 때문에 본 발명은 상술한 설명에 의해서 한정되는 것이 아니며, 이상의 설명은 본 발명의 개시 내용이 완전해지도록 하기 위한 것으로 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항에 의해서 정의될 뿐임을 알아야 한다.

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  10. 고정 피치 프로펠러의 부하 커브선을 나타내는 그래프를 준비하는 단계; 및
    상기 고정 피치 프로펠러의 부하 커브선을 나타내는 그래프를 마력비를 나타내는 세로축을 기준으로 상부 방향으로 20% 내지 40% 이동시키는 단계;를 포함하며,
    상기 고정 피치 프로펠러의 부하 커브선의 이동은 가변 피치 프로펠러의 날개 각도가 증가하기 이전인 선속 제로의 무부하 운전 구간에서 부하의 증가에 의해 이동되는 것을 특징으로 하는,
    가변 피치 프로펠러를 장착한 선박의 디젤 엔진 성능 분석 방법을 구현하기 위한 프로그램이 저장된 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 부하의 증가는,
    엔진의 무부하 운전에 의해 걸리는 부하와, 엔진에 연결된 축발전기에 의해 걸리는 부하와, 선박에 장착된 스러스터에 의해 걸리는 부하 중 하나 이상에 의해 증가하는 것을 특징으로 하는,
    가변 피치 프로펠러를 장착한 선박의 디젤 엔진 성능 분석 방법을 구현하기 위한 프로그램이 저장된 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 가변 피치 프로펠러의 피치 각도가 0 인 무부하 운전 구간에서, 20% 내지 40%의 마력비에 의해 연료가 소모되는 것을 특징으로 하는,
    가변 피치 프로펠러를 장착한 선박의 디젤 엔진 성능 분석 방법을 구현하기 위한 프로그램이 저장된 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 마력비는,
    PS = (K1 * (V * 100)3 + α) / 100 인 수학식 7에 의해 획득되며,
    PS는 마력비이고, V는 회전수비, 즉 속력비이며, K1은 상수이고, α는 마력비 이동값인 것을 특징으로 하는,
    가변 피치 프로펠러를 장착한 선박의 디젤 엔진 성능 분석 방법을 구현하기 위한 프로그램이 저장된 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 부하는,
    Pe = (K2 * (PS - α%) / V + α) / 100 인 수학식 8에 의해 획득되며,
    Pe는 부하이고, K2는 상수이며, PS는 마력비이고, V는 회전수비, 즉 속력비이고, α는 마력비 이동값인 것을 특징으로 하는,
    가변 피치 프로펠러를 장착한 선박의 디젤 엔진 성능 분석 방법을 구현하기 위한 프로그램이 저장된 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 고정 피치 프로펠러의 부하 커브선을 20% 내지 40% 이동시킨 이후,
    가변 피치 프로펠러를 장착한 선박용 디젤 엔진의 운전 데이터를 획득하는 단계;
    획득된 상기 운전 데이터 중에서 현재 운전점의 마력비로부터 예상 속력비를 구하는 단계;
    구해진 상기 예상 속력비로부터 현재 운전점의 운전 영역이 속하는 운전 영역을 식별하는 단계;
    식별된 운전 영역에서 허용되는 최고 운전점을 구하기 위하여 현재 운전점의 제 1 상수값을 구하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    가변 피치 프로펠러를 장착한 선박의 디젤 엔진 성능 분석 방법을 구현하기 위한 프로그램이 저장된 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
  16. 제 15 항에 있어서,
    식별된 상기 운전 영역이 안전 부하 운전 영역인 경우, 현재 운전점의 마력비 및 속력비를 사용하여 속력비와 마력비의 제한선에 따라 허용 최고 마력비와 허용 최고 속력비의 값을 구하는 단계;
    식별된 상기 운전 영역이 과부하 운전 영역인 경우, 현재 운전점의 마력비 및 속력비를 사용하여 부하비의 제한선에 따라 허용 최고 마력비와 허용 최고 속력비의 값을 구하는 단계; 및
    구해진 상기 현재 운전점을 마력과 속력의 3 승 곡선과 엔진의 부하선을 나타낸 그래프에 도시하고 상기 현재 운전점과 상기 허용 최고 운전점을 비교 분석한 결과 자료를 그래프에 도시하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    가변 피치 프로펠러를 장착한 선박의 디젤 엔진 성능 분석 방법을 구현하기 위한 프로그램이 저장된 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
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