KR20060019512A - 배 제어 방법 및 장치 - Google Patents

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리스토 파카스테
안티 루오호넨
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파누 비로랜넨
페터리 아말라
마티 레흐티
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Abstract

본 발명은 추진 드라이브(propulsion drive)를 제어하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 추진 드라이브는, 적어도 하나의 제 1 프로펠러 드라이브와 하나의 제 2 프로펠러 드라이브를 포함하며, 상기 적어도 하나의 제 1 프로펠러 드라이브는 제 1 프로펠러를 회전시키고 상기 적어도 하나의 제 1 프로펠러 드라이브에 의해 제 1 프로펠러의 추진 동력 및/또는 회전 속도가 제어되며, 상기 제 2 프로펠러 드라이브에 의해 제 2 프로펠러가 회전되고 제어된다. 본 발명에 따라, 추진 드라이브는 단일 제어 명령에 의해 제어되며, 이에 의해 상기 제어 명령으로부터 제 1 제어 신호 및 제 2 제어 신호가 발생되며, 상기 제 1 제어 신호에 의해 상기 제 1 프로펠러 드라이브가 제어되고, 상기 제 2 제어 신호에 의해 상기 제 2 프로펠러 드라이브가 제어된다.

Description

배 제어 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS TO CONTROL A SHIP}
본 발명은 배를 제어하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로, 상기 배는 적어도 2개의 추진 수단에 의해 추진되고 및/또는 조타된다. 더 구체적으로, 본 발명은 제 1항의 전제부에 따른 방법 및 제 10항의 전제부에 따른 장치에 관한 것이다.
대형 선박을 위한 추진 시스템은 종종 수 개의 프로펠러 장치로 구성되며, 이 장치의 동작, 제어 및 구조는 경우에 따라 서로 다르다. 일례로, 주 프로펠러 및 개별적인 조타 프로펠러로 구성된 시스템, 또는 2개의 고정된 주 프로펠러 및 개별적인 조타 디바이스로 구성된 시스템을 언급할 수 있다. 더욱이, 프로펠러 시스템에서 고정된 블레이드를 갖는 프로펠러 및 조정가능한 블레이드를 갖는 프로펠러일 수 있다. 한가지 유리한 구현 방법은, 동일한 축 상에 교대로 배치되고, 반대 방향으로 회전하는 프로펠러, 소위 CRP(Contra Rotating Propeller: 이중 반전 프로펠러)-추진 장치로 구성된다.
조타 및/또는 조타 동작이 2가지 상이한 추진 디바이스에 의해 야기되는 배가 구동할 때, 조타 명령은 추진 디바이스의 특성에 대응하는 방식으로 주어져야 한다. 대충 그룹화하면, 배의 방향을 한정하는 제어 명령, 및 배의 속도를 한정하는 제어 명령이 개별적으로 주어져야 한다. 배의 조작자는 제어 스틱과 같은 하나 의 제어 디바이스에 의해 조타 명령을 제공할 수 있지만, 추진 디바이스의 실제 제어 신호는 상이한 유형의 디바이스로 분리된다. 이에 대응하여, 제어가능한 피치 프로펠러를 갖는 블레이드 각도의 제어는 프로펠러의 회전 속도의 제어와 분리될 수 있거나, CRP-시스템의 프로펠러의 상호 제어는 분리된다.
배의 추진 시스템의 목적은, 가능한 한 효과적으로 모든 상황 하에 배의 조작자의 제어 명령을 수행하는 것이다. 이에 따라 조정가능한 드라이브의 상호 제어는, 시스템의 모든 부분이 최적으로 동작하도록 하는 방식으로 제어 명령을 실행해야 한다. 총 효율은 또한 모든 동작 상태에서 가능한 한 높아야 한다. 예를 들어 특정 속도로 운행할 때 방위형(azimuth type) 시스템에서 제어 스틱에 의해 주어진 조타 명령은 우측 방향을 갖는 제어 동작을 야기할 수 있지만, 추진 동력은 조타 프로펠러 및 고정된 프로펠러의 변경된 위치로 인해 더 이상 최적화되지 않는다. 이에 대응하여, 프로펠러 속도가 CRP-기능에 의해 동시에 요구되지 않은 경우, 블레이드 각도의 단순한 조정만으로는 전체 효율의 감소를 야기할 수 있다.
일반적으로, 둘 이상의 추진(propulsion) 디바이스로 구성된 시스템에서, 하나의 추진 디바이스에 집중된 하나의 제어 동작은 또한 다른 추진 디바이스의 동작에 영향을 미치며, 그에 따라, 전체 시스템의 동작 및 효율에 영향을 미친다.
배의 드라이브 및 에너지 시스템은 밀폐되어 있으며, 여기서, 이용 가능한 에너지 및 동력은 정상 드라이브 상황 및 특히 예외적인 환경 모두에서 여러 가지로 제한된다. 이러한 제한은 에너지나 동력 생성 및 장치의 조정 가능성 특징 모두에 의해 초래될 수 있다. 제어는 추진 시스템의 효율을 제외하고 영향을 미칠 것이 며, 추진 시스템의 신뢰도에도 영향을 미칠 수 있다. 프로펠러에 가해진 힘은, 예컨대 CRP-시스템의 조타 프로펠러의 편향각이 방위(azimuth) 메커니즘으로 실현되었을 때와 같은 경우에 상당히 변한다.
이전에, 예컨대 미국특허 제 US5061212호는 블레이드 각도를 속도에 따라 조정하게 하는 프로펠러의 블레이드 각도의 조정 디바이스를 개시하고 있다. 노이즈 레벨을 낮게 유지하는 방식으로 서로 다른 샤프트 상에 배치된 두 개의 프로펠러 사이의 상호 각도차이를 제어하는 방법이 미국특허 제 US6190217호에 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 여러 추진 장치를 갖는 배에서의 드라이브 메커니즘을 가능한 효율적으로 제어할 수 있는 새로운 추진 시스템을 만드는 것이다. 이러한 문제는 청구항 1의 특징부의 특성을 특징으로 하는 방법에 의해 해결될 것이다. 그에 따라, 본 발명에 따른 발명은 청구항 10의 특징부의 특성을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 해법은 결국 배의 추진 장치의 전체 효율을 상당히 유리하게 개선할 것이다. 배의 브릿지에서부터, 또는 기계실과 같은 다른 조정 장소로부터의 제어 명령은 메인 제어기에 전달되며, 이러한 제어기는 제어 명령을 여러 추진 디바이스를 다루는 제어 신호로서 처리하고 전달한다. 그리하여, 메인 제어기는 추진 디바이스의 동작 상황, 배의 선택된 드라이브 모드, 추진 디바이스의 제한사항, 에너지 및 전원공급 시스템의 상태를 통지한다. 마찬가지로, 제어 신호를 생성할 때 추진 디바이스의 최적 동작 포인트는 이들 디바이스의 특징이나 이들 디바이스의 대응하는 동작 값을 기초로 해서 한정된다. 제 1 및 제 2 프로펠러 드라이브는 본래 서로 분리되며, 여기서, 이들은 동일한 샤프트 상에 결합되지 않는다. 프로펠러의 샤프트는 동축 구조를 갖지 않지만, 서로 물리적으로 떨어져서 배치된다.
CRP 장치에서, 길이 방향으로 잇달아 배치된 역회전 프로펠러는 일반적으로 본질적으로 동일한 수평 레벨 상에 배열되어 있다. 이 추진 장치에 있어, 프로펠러는 가능한 한 유리한 추진 작용을 일으키는 것이 중요하다. 따라서, 본 발명은 프로펠러가 상호 추진 작용을 가지는 그러한 추진 시스템에 적용할 수 있다.
하나의 유리한 변형예에 따라, 배의 추진 시스템은 고정된 추진 수단과 회전 가능한 소위 방위각 추진 수단으로 구성된다. 메인 제어기는 따라서 고정된 추진 수단, 예를 들어 동력 엔진에 직접 제어 신호를 생성하며, 이 동력 엔진은 추진 수단이 고정되어 있는 샤프트를 회전시킨다. 동시에, 메인 제어기는 다른 제어 신호를 생성하며, 이 다른 제어 신호에 의해, 방위각 추진 수단의 동력과 회전 속도가 제어된다. 각 제어 신호가 제어하는 추진 수단에 어떻게 작용하는지는 그 추진 수단의 내부 속성과 조정 수단에 의해 결정된다. 이들 기능은 이 기술 분야에 알려져 있는 방식으로 배의 원하는 속도를 생성하도록 수행된다. 본 발명에 따라, 제어 신호는, 추진 디바이스의 결합된 유효 동력이 최적화되도록 조정된다.
하나의 다른 유리한 실시예에 따라, 긴급 정지(emergency stop)가 본 발명에 의해 수행된다. 이에 의해 제 1 프로펠러의 블레이드 각도와 제 2 프로펠러의 동작 속도는, 이들이 동시에 제로(0) 값을 가지도록 그리고 이들이 배의 정지를 유발하는 음의 값 쪽으로 조정되도록 동시에 조정된다.
본 발명은 도면을 참조하여 하나의 실시예에 의해 상세히 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따라 제어되는 배의 추진 장치를 도시하는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 제어 시스템의 개략도.
도 3은 추진 장치의 특성을 도시하는 도면.
도 1에 설명된 배의 추진 시스템(propulsion system)은 주요 프로펠러(propeller)(2)와 조타 프로펠러(4)로 구성되는데, 이는 배(6)의 동일한 세로선에 조립된다. 프로펠러는 반대 방향으로 회전하기 위해 일반 모드로 배치되는데, 그것에 의해 프로펠러는 소위 CRP 추진 시스템을 구성한다. 주요 프로펠러의 샤프트(shaft)(8)는, 디젤 엔진이 샤프트로 구동력을 공급하는 것처럼, 배의 선체(6)와 주요 엔진(10)으로 베어링(bearing)(9)에 의해 지지된다. 두 디젤 엔진이 도에서 도시되고 프로펠러 샤프트(8)는 기어(gear)(11) 및/또는 결합(coupling)에 의해 엔진으로 결합된다. 하나의 주요 엔진만이 사용되는 경우에, 주요 엔진은 프로펠러 샤프트에 직접 결합될 수 있다. 주요 프로펠러(2)가 조정 가능한 블레이드(blade)를 갖는다면, 그 자체로 알려진 방식으로 제어 가능하다. 주요 프로펠러는 또한 고정된 블레이드를 가질 수 있다. 조정 프로펠러(4)는 소위 방위 장치(12)라는 굴곡(turning)에 배치되고, 그것에 의해 장치의 허용된 굴곡 각도는 ±35도부터 ±360도까지 다양하다. 주요 엔진(10) 또는 다른 동력 엔진(16)에 의해 회전되는 발전기(18)에 의해 전압이 가해지는 배의 전기 네트워크는 조정 프로펠러를 회전시키는 전기 모터(14)를 공급한다. 조정 프로펠러(4)와 주요 프로펠러(2)는 자신의 제어 디바이스에 의해, 방위 제어 디바이스(20)와 추력기 제어 디바이스(22)에 의해 개별적으로 제어된다. 본 발명에 따라, 방위 제어기(20)와 추력기 제어기 디바이스(thruster control device)(22)는 CRP 제어기로부터 제어 신호를 수신한다. 본 발명은 굴곡 조정 프로펠러를 포함하는 장치와, 또한 고정된 포드(pod)를 갖는 프로펠러 시스템을 제외하고 적용될 수 있는데, 이 경우에 조정은 개별적인 방향타(rudder)에 의해 수행된다.
도 1의 추진 시스템은 도 2의 제어 설계에 의해 제어된다. 설계만이 본 발명의 해결에 영향을 주는 필수 부분과, 제어 시스템의 다른 부분을 도시하는데, 특히 단독으로 다른 추진 디바이스 또는 내부 제어 동작에 영향을 주는 부분이 시사적으로 도시된다. 제어 명령은 브릿지(26)에 주어지는데, 이는 배의 속도와 방향을 결정하는 명령을 제어한다. 명령 위치에 따라 명령은 브릿지의 중간(28)으로부터 또는 포트(port)(27) 또는 우현(starboard)(29)의 명령 디바이스로부터 주어진다. 효과적인 명령 디바이스는 알려진 방식으로 디바이스를 선택함으로써 선택된다.
필요하다면, 기계실에 위치한 제어 디바이스(32)에 의해 제어 명령이 또한 제공될 수 있다. 제어 명령은 CRP 제어 유닛(34)으로 전달되고, 이 제어 유닛은 작업 단계에 기초해서 서로 다른 추진 유닛으로 전송될 제어 신호를, 애지머스 유닛과 주 프로펠러로 한정한다. 제어 명령 외에, 제어 신호는 다른 것들 중에서 보드 상에서 이용 가능한 파워, 추진 유닛의 결합된 추진 파워, 선박의 작업 모드에 의해 영향을 받는다. CRP 제어(34)로부터, 제어 신호는 애지머스 추진의 제어 유닛 (36)으로 전송되고, 이는 추진 유닛을 구동시키는 모터(14)의 회전 속도와 샤프트에 고정된 프로펠러(4)의 회전 속도를 한정한다. CRP 제어로부터의 다른 제어 신호는 주 프로펠러의 제어 유닛(38)으로 전송되고, 이는 제어 신호에 기초해서 프로펠러(2)의 회전 속도와 프로펠러의 블레이드 각을 한정해서, 필요한 추진력이 얻어진다. 이는 디젤 구동의 제어와 제어 가능한 피치 프로펠러의 제어로부터 이미 알려진 기술에 의해 실행된다. 실행에 따라, 개별 제어 신호(40)는 블레이드 각 제어(42)로 전송되고 도 2가 도시하는 바와 같이 주 프로펠러의 속도 제어(46)로 개별 제어 신호(44)가 전송되거나, 또는 주 프로펠러의 공통 제어 신호는 추력기 제어로 전송되고, 이는 주 프로펠러의 피치와 속도를 제어한다.
CRP 제어는 본 발명에 따라 제어 명령에 대한 응답으로 애지머스 추진 유닛과 주 프로펠러 모두에 대한 개별 제어 신호를 한정한다. 따라서, 제어 명령을 실행하기 위해, 이것은 개별적으로 필요한 파워와 회전 속도를 생성하기 위한 애지머스 유닛을 위한 제어 값과, 이에 따라, 주 프로펠러의 회전 속도와 블레이드 각을 제어하기 위한 제어 값으로 이루어진다. 주 프로펠러가 고정된 블레이드를 갖는 용도의 타깃에서, CRP 제어는 주 프로펠러와 조타 프로펠러 모두에 대한 속도 기준을 한정하고, 이를 통해 선박의 최적 전체 효율이 이루어진다. 도 3에서, 추진 모터의 기술된 파워 곡선이 도시되어 있고, 이는 프로펠러 드라이브에 대한 제어 신호 한정시 사용된다. 조절 가능한 변수로서, 모터의 속도와 프로펠러의 피치가 존재하고, 이를 통해 드라이브의 전체 효율이 각 상황에서 결정된다.
정상 드라이빙 모드에서 서로 다른 추진 시스템을 위한 제어는, 추진 시스템 의 상호 파워비가 원하는 범위 내에 있도록 기울어진다.
결합된 추진 제어 모드에서, 방위각 추진 및 주 엔진 추진은 미리 결정된 상호 동력/속도 비율에 의해 드라이브된다. 만약 방위각 모터 또는 주 엔진이 참조값을 유지할 수 없으면, 원하는 동력/속도 비율을 유지하기 위해 다른 시스템의 참조값은 제한된다. 하지만, 시스템의 잘못된 상황에서, 동력/속도는, 오류난 시스템의 전체 동력이 달성되는 지점으로 유지된다.
두 가지의 추진 시스템은 백-업 모드를 가질 수 있고, 이것은 CRP 제어를 우회한다. 이것은 도 2에서 제어 입력(36', 42', 46')에 의해 예시된다. 이 모드의 사용은 각각의 시스템에 대해 또는 동시에 두 개의 시스템 둘 다에 대해 독립적으로 선택될 수 있다.
본 발명은 몇몇 실시예에 의해 설명되었다. 이것은 본 발명을 제한하는 것으로 간주되어서는 안되지만, 본 발명의 변형은 첨부된 청구항의 범위 내에서 가변할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 배를 제어하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로, 상기 배는 적어도 2개의 추진 수단에 의해 추진되고 및/또는 조타된다. 더 구체적으로, 본 발명은 제 1항의 전제부에 따른 방법 및 제 10항의 전제부에 따른 장치에 응용될 수 있다.

Claims (12)

  1. 추진 드라이브를 제어하는 방법으로서,
    상기 추진 드라이브는 적어도 하나의 제 1 프로펠러 드라이브와 적어도 하나의 제 2 프로펠러 드라이브를 포함하고, 상기 제 1 프로펠러 드라이브는 제 1 프로펠러를 회전시키며, 상기 제 1 프로펠러에 의해 추진력 및/또는 상기 제 1 프로펠러의 회전 속도가 조정되고, 상기 제 2 프로펠러 드라이브에 의해 제 2 프로펠러가 회전하고 조정되며, 이로 인해 상기 제 1 및 제 2 프로펠러 드라이브가 본질적으로 서로 분리되는, 추진 드라이브를 제어하는 방법에 있어서,
    상기 추진 드라이브는 단일 제어 명령에 의해 제어되고, 이러한 단일 제어 명령에 의해 상기 제 1 프로펠러 드라이브를 제어하기 위한 제 1 제어 신호와, 상기 제 2 프로펠러 드라이브를 제어하기 위한 제 2 제어 신호가 상기 제어 명령으로부터 생성되는 것을 특징으로 하는, 추진 드라이브를 제어하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 최선의 결합된 추진력 및/또는 조타력을 만들기 위해 상기 제 1 및 제 2 제어 신호가 생성되는 것을 특징으로 하는, 추진 드라이브를 제어하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 프로펠러 드라이브에 의해 드라이브된 프로펠러는 본질적으로 동일한 수평 레벨 상에서 배치되고, 상기 프로펠러는 반대 방향으로 회전되는 것을 특징으로 하는, 추진 드라이브를 제어하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 프로펠러 드라이브는 방위각 포드(pod)로 배치된 전기 모터 드라이브인 것을 특징으로 하는, 추진 드라이브를 제어하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 프로펠러 드라이브는 고정 샤프트 상에 배치된 파워 엔진인 것을 특징으로 하는, 추진 드라이브를 제어하는 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 프로펠러 드라이브의 프로펠러 날이 제어되는 것을 특징으로 하는, 추진 드라이브를 제어하는 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 양 프로펠러 드라이브의 프로펠러는 고정 날을 가지는 것을 특징으로 하는, 추진 드라이브를 제어하는 방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 프로펠러 드라이브의 회전 속도가 제어되는 것을 특징으로 하는, 추진 드라이브를 제어하는 방법.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 프로펠러 드라이브의 회전 속도가 제어되는 것을 특징으로 하는, 추진 드라이브를 제어하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 프로펠러 드라이브 및/또는 상기 제 2 프로펠러 드라이브의 동력이 제어되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 비상시, 상기 제 1 프로펠러의 블레이드 각도와 상기 제 2 프로펠러의 작동 속도가 동시에 조정되어 0의 값을 가지게 되고, 상기 프로펠러의 블레이드 각도 및 상기 동작 속도 둘 모두 상기 배가 정지되도록 할 때까지 반대 방향을 향하도록 더 조정되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  12. 추진 드라이브(propulsion drive)를 제어하기 위한 장치로서, 상기 추진 드라이브는, 적어도 하나의 제 1 프로펠러 드라이브와 적어도 하나의 제 2 프로펠러 드라이브를 포함하며, 상기 적어도 하나의 제 1 프로펠러 드라이브는 제 1 프로펠러를 회전시키고 상기 적어도 하나의 제 1 프로펠러 드라이브에 의해 상기 제 1 프로펠러의 추진 동력 및/또는 회전 속도가 제어되며, 상기 제 2 프로펠러 드라이브에 의해 제 2 프로펠러가 회전가능하고 제어가능하며, 상기 제 1 프로펠러 드라이브 및 상기 제 2 프로펠러 드라이브는 실질적으로 서로에 대해 떨어져 있는, 추진 드라이브를 제어하기 위한 장치에 있어서,
    상기 장치는 상기 추진 드라이브를 단일 제어 명령에 의해 제어하기 위한 제어 디바이스를 포함하며, 이에 의해 상기 제어 명령으로부터 상기 제어 디바이스는 제 1 제어 신호 및 제 2 제어 신호를 발생시키며, 상기 제 1 제어 신호에 의해 상기 제 1 프로펠러 드라이브가 제어될 수 있고, 상기 제 2 제어 신호에 의해 상기 제 2 프로펠러 드라이브가 제어될 수 있는
    것을 특징으로 하는, 추진 드라이브 제어 장치.
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