KR20080042928A - 선박 추진 시스템 - Google Patents

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KR20080042928A
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니엘스 헨릭 뇌즈가아르드
에릭 아하스베루센
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엠에이엔 디젤 에이/에스
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Abstract

대형 원양 항로선(ocean going vessel)용 추진 시스템으로, 시스템은 메인(main) 원동기로서 프로펠러 축에 연결되는 크로스헤드(crosshead) 유형의 대형 터보 차지 멀티 실린더(turbo charged multi-cylinder) 2행정 디젤 엔진과, 보조 원동기로서 제너레이터들에 연결되는 실질적으로 작은 하나 이상의 디젤 엔진들을 구비한다. 메인 엔진은 시동과 작동을 하기 위하여 전기, 유압, 및 공압 동력을 필요로 한다. 대형 2행정 디젤 엔진의 크랭크축으로부터의 동력 취출에 의하거나 전기 모터들에 의하거나, 또는 보조 디젤 엔진들에 의해 구동되는 하나 이상의 고압 펌프들이나 펌핑 스테이션들(pumping stations)에 의해 메인 유압 동력이 공급된다.

Description

선박 추진 시스템{Marine propulsion systems}
본 발명은 크로스헤드(crosshead) 유형의 대형 2행정 디젤 엔진(two-stroke diesel engine)을 구비하는 선박 추진 시스템에 관한 것이다.
선박 추진용 대형 2행정 디젤 엔진은 선박 동력과 추진 시스템의 핵심을 이루는 복잡한 기계이며, 일군의 부속 설비를 구비한다.
저속으로 작동하는 이와 같은 대형 2행정 크로스헤드 디젤 엔진들은 규모가 크고 고효율의 동력을 생산하는 기계이다. 이들 엔진들 중에 가장 큰 것은 94 rpm에서 약 100,000 kW 를 생산하고, 33 미터의 전체 길이를 가지며 3500 톤에 가까운 무게가 나간다.
이러한 엔진들은 전기 제너레이터들(generators), 이른바 제너레이터 집합(generator sets)을 구동하는 보조 디젤 엔진들을 동반한다. 제너레이터 집합은 엔진 정지 중과 시동 중에 전기와 열을 공급한다.
2행정 디젤 엔진의 보조 설비들은, 예를 들어 고압 유압 펌프들, 공압 펌프들(압축기들), 윤활 오일 펌프들, 연료 오일 공급 펌프들, 연료 오일 순환 펌프들, 해수 펌프들, 재킷 워터 펌프들(jacket water pumps), 중앙 워터 펌프들, 및 보조 송풍기들(blowers)을 포함한다.
열거된 보조 설비들 가운데 많은 설비가, 보조 송풍기들과 같이 전기적으로 구동되거나, 고압 유압 펌프나 펌핑 스테이션(pumping station)의 경우와 같이 기계적 전달(transmission, 즉 체인이나 기어)에 의해 대형 2행정 디젤 엔진의 크랭크축(crankshaft)으로부터 동력이 취출된다.
전자적으로 제어되는 대형 2행정 디젤 엔진들은 유압식으로 작동되는 배기 밸브들을 구비하며 엔진 작동 중에 상당한 양의 유압 동력을 사용한다(크랭크축 동력의 약 1.5 내지 2 %).
엔진 시동시에는 유압 압력이 소량 필요하다. 그러므로 전자적으로 구동되는 작은 유압 펌프나 펌핑 스테이션은 엔진 시동시에 유압 동력을 공급한다. 압축 공기로 실린더를 가압함으로써 엔진들이 시동되기 때문에, 적어도 일부의 공압 펌프들이 전기적으로 구동된다. 이러한 유압 펌프들과 공압 펌프들을 구동하는 전기 모터들을 위한 전기 에너지는 일군의 제너레이터에 의해 공급된다. 제너레이터 집합(generator set)은 또한 엔진의 정지 시에 대형 2행정 디젤 엔진을 따뜻하게 유지하고, 연료 통로와 저장소 내에 고중질 연료유(heavy fuel oil)를 순환시키기 위한 전기 에너지를 공급한다. 제너레이터 집합은 또한 화물용 냉각 시스템과, 주 엔진이 정지하였을 때 전기 설비의 동력과 조명 공급용 전기와 같이 다양한 소비원들에 의해 선상에서 소모되는 열과 전기 동력을 공급한다.
대형 2행정 디젤 엔진의 크랭크축에서의 에너지는 고효율로 생산되므로 보조 설비들을 구동하기 위한 대형 2행정 디젤 엔진의 크랭크축으로부터의 기계적 동력 취출은 연료 효율의 관점에서 보면 매력적이다. 그러나 크랭크축으로부터의 기 계적 동력 취출은 부속 설비들과 크랭크축의 사이에 단순하고 직접적인 연결을 허용하는 곳에서만 사용될 수 있고, 상대적으로 소량의 에너지를 소모하는 보조 설비에 대해서는 그리 유용하지 않다. 예를 들어, 저압 운전(최대 정격의 40-50%의 이하) 동안 공기의 배기를 공급하는 것을 보조하는 보조 송풍기는 그 위치가 크랭크축과 연결하기 위해 복잡한 기계적인 전달 장치를 필요로 하기 때문에 전형적으로 전기 모터에 의해 구동된다. 보조 송풍기에 의해 소모되는 동력의 크기는 꽤 큰데, 전형적으로 대형 2행정 디젤 엔진의 최대 정격의 1.8% 내지 2.3%의 범위에 이른다. 크랭크축으로부터의 동력 취출의 다른 단점은 낮은 크랭크축 속도(최대 100-200 rpm)를 대부분의 보조 설비에 의해 요구되는 꽤 높은 속도로 증가시키기 위해서는 높은 기어비가 필요하다는 점이다. 이러한 높은 기어비는 복잡성을 야기하며, 그로 인해 크랭크축과 동력 소비부의 사이에 값비싼 동력 전달 장치를 야기한다.
보조 송풍기(들)에 대한 곳과 같이, 위치의 유연성 및 동력원과 보조 설비를 구동하는 전기 모터의 사이에 연결을 생성하는 상대적인 용이함이 중요한 곳에서는 전기 모터들이 사용된다.
2행정 디젤 엔진 중 가장 큰 것은 100,000 kW 이상을 생산할 수 있는 거대한 단일 엔진이다. 보조 설비를 구동하는 전기 모터들은 엔진의 크랭크축 동력의 일부만을 소비하지만, 절대적인 면에서는 대형 전기 모터들이다. 예를 들어, 68.520 kW의 최대 정격을 갖는 MAN B&W의 디젤 12K98MC-C 은 네 개의 보조 송풍기들을 각각 구동하기 위한 네 개의 전기 모터들을 채용한다.
이와 같이 동력을 갖는 대형 전기 모터들은 상대적으로 고가의 설비이다. 전기 모터들의 높은 가격은 낮은 생산량을 가져오며, 대형 전기 모터들과 관련된 냉각 문제들을 일으킨다. 전기 모터들은 대단히 컴팩트하고 폐쇄된 구조이며 본질적으로 냉각시키기가 어렵다. 특정 크기 이상의 엔진에서는 공기 냉각으로는 충족시킬 수 없다. 그러므로 대형 2행정 디젤 엔진들의 보조 설비에 동력을 공급하기 위해 사용되는 전기 모터들은 유냉된다(oil cooled). 나아가 보험 회사들은, 시장 가격의 상당한 증가를 가져오는 500 kW 이상의 전기 모터들은 보증되어야 함을 요구한다.
이러한 크기의 전기 모터들은 전형적으로 비동기식 모터들(asynchronous motors)이다. 이러한 전기 모터들의 속력을 가변적으로 제어하기 위해 요구되는 싸이리스터계(thyristor-based) 가변 주파수 AC 컨버터들은, 전형적으로 온오프 방식으로만 제어된다. 이는 보조 송풍기의 경우, 주 엔진이 보조 송풍기의 최대 출력을 필요로 하지 않은 경우에도 송풍기들이 최고 속력으로 작동되어야 함을 의미한다. 따라서 보조 송풍기들을 구동하기 위하여 훨씬 작은 동력이 필요로 함에도 불구하고 전기 모터들이 최대 동력으로 작동하므로 에너지가 그저 낭비된다. 현재까지 이러한 에너지 낭비의 회피는 상술한 매우 고가의 전기 설비들에 비용을 들임으로써 회피될 수 있었다.
비동기식 전기 모터들은 채용된 AC 전류 시스템(50 또는 60 Hz)의 주파수에 의존하는 미리 정해진 속도에서만 작동할 수 있으며, 이러한 회전 속도는 보조 송풍기들의 최적 회전 속도와 드문 경우에만 일치한다. 그러므로 실제로는 보조 송풍기들이 최적이 아닌 속도에서 종종 작동한다.
상대적으로 높은 기동 전류(starting current)로 인해, 보조 송풍기들은 서로의 사이에 6 내지 10초로 차례차례로 기동된다.
전기 엔진들과 제너레이터들 또는 제어 설비들을 연결하는 전기 케이블들은 상대적으로 육중한 케이브들이고, 이러한 케이블들의 배치는 주로 안전과 관련된 많은 양의 기준에 영향을 받는데, 그 결과 설계하기가 복잡하고 실행하기에 고가이다.
대부분의 현대 해양 선박들은 대형 프로펠러를 구동하는 하나의 엔진을 구비한다. 결함이 있는 주 엔진에 의해 조종할 수 없게 된 대형 해양 선박은 대단히 바람직하지 않으며 위험한 상황이다. 그러므로 선박 추진용 선박의 대형 2행정 디젤 엔진들은 대단히 신뢰성이 있는 기계로 제작된다. 그러나 전혀 고장이 나지 않는 구성은 존재하지 않으며, 그러므로 최근에는 중복성(redundancy)이나 주 엔진이 고장이 난 경우 모항으로 끌고 갈 적어도 최소한의 크기의 동력에 대한 수요가 증가하여 왔다. 이러한 목적은 적절한 중복성을 제공하기 위해 하나의 엔진 대신 두 개의 작은 엔진들을 선박에 병렬로 설치함으로써 달성될 수 있다. 그러나 연료 효율(fuel efficiency)과 운전 비용의 관점에서 보면 선박에 하나의 대형 엔진 대신 두 개의 작은 엔진들을 설치하는 것은 매력적이지 않다. 또한 프로펠러 효율도 두 개의 소형 프로펠러들보다는 하나의 대형 프로펠러가 더 높다.
이러한 배경에서, 본 발명의 목적은 보조 설비용 동력 공급이 향상된 대형 2행정 선박용 디젤 엔진을 제공하는 데 있다.
이러한 목적은 청구항 1에 따라, 낮은 엔진 부하에서 실린더들을 배기시키기 위한 하나 이상의 보조 송풍기들과, 유압 시스템 및/또는 윤활 및/또는 연료 시스템에 가압 유체를 공급하기 위한 하나 이상의 유압 펌프들 또는 펌핑 스테이션들(pumping stations)과, 하나 이상의 보조 송풍기들과 하나 이상의 유압 펌프들 또는 펌핑 스테이션들의 모두를 구동하는 하나 이상의 전기 모터들을 구비하는, 크로스헤드(crosshead) 유형의 대형 터보 차지 멀티 실린더(turbo charged multi-cylinder) 2행정 디젤 엔진을 제공함으로써 달성된다.
본 발명의 다른 목적은 대형 2행정 디젤 엔진의 보조 송풍기를 위한 더 효율적인 동력 공급을 제공하는 데 있다.
이러한 목적은 청구항 7에 따라, 터보 차져가 높은 엔진 부하에서 실린더를 배기시키는 동안, 낮은 엔진 부하에서 실린더들을 배기시키기 위한 하나 이상의 보조 송풍기들과, 전기 모터들에 의해 및/또는 크랭크축으로부터의 동력 취출(power takeoff)에 의해 구동되는 유압 펌프 또는 펌핑 스테이션과, 하나 이상의 보조 송풍기들을 구동하는 하나 이상의 유압 모터들을 구비하는, 크로스헤드(crosshead) 유형의 대형 터보 차지 멀티 실린더(turbo charged multi-cylinder) 2행정 디젤 엔진을 제공함으로써 달성된다.
본 발명의 또 다른 목적은 대형 2행정 디젤 엔진을 위한 개선된 동력 공급을 제공하는 데 있다.
이러한 목적은 청구항 16에 따라, 크로스헤드(crosshead) 유형의 대형 터보 차지 멀티 실린더(turbo charged multi-cylinder) 2행정 디젤 엔진과, 대형 터보 차지 멀티 실린더 2행정 디젤 엔진으로부터의 동력 취출에 의해 동력이 공급되는 하나 이상의 전기 제너레이터들(generators) 및/또는 전기 동력을 공급하기 위한 하나 이상의 보조 디젤 제너레이터 집합들(generator sets)과, 유압 모터들에 의해 구동되며 낮은 엔진 부하에서 실린더들을 배기시키기 위한 하나 이상의 보조 송풍기들과, 전기 모터들에 의해 동력을 공급 받아 고압의 연료 오일을 공급하는 하나 이상의 고압 펌프들 또는 고압 펌핑 스테이션들(pumping stations)과, 배기 밸브들을 구동시키기 위한 유압 밸브 액추에이터들(actuatos)을 구비하고, 상기 유압 밸브 액추에이터들과 상기 유압 모터들의 모두 또는 어느 하나는 하나 이상의 상기 고압 펌프들 또는 고압 펌핑 스테이션들에 의해 공급되는 고압 연료 오일로 작동되는, 대형 원양 항로선(ocean going vessel) 추진 시스템을 제공함으로써 달성된다.
본 발명의 또 다른 목적은 개선된 고장 안전 특성을 갖는 대형 2행정 선박 추진 시스템을 제공하는 데 있다.
이러한 목적은 청구항 21에 따라, 구동축을 통해 프로펠러에 연결되는 크로스헤드(crosshead) 유형의 대형 2행정 디젤 엔진과, 상기 대형 2행정 디젤 엔진의 작동 상태와 독립적으로 전기를 생성하기 위한 제너레이터들과 원동기를 구비하는 하나 이상의 제너레이터 집합들(generator sets)과, 하나 이상의 전기 모터들에 의해 구동되는 고압 유압 펌핑 스테이션들(pumping stations)이나 펌프들과, 상기 대형 2행정 디젤 엔진이 고장이 났을 때 모항으로 끌고 갈 동력을 공급하기 위하여 상기 구동축이나 상기 프로펠러 축에 연결될 수 있는 하나 이상의 유압 피스톤 모터(hydraulic piston motor)를 구비하는, 대형 원양 항로선(ocean going vessel) 추진 시스템을 제공함으로써 달성된다.
본 발명의 또 다른 특징은 개선된 유연성과 효율을 갖는 유압 공급 시스템을 구비하는 대형 원양 항로선을 위한 추진 시스템을 제공하는 데 있다.
이러한 목적은 청구항 29에 따라, 구동축을 통해 프로펠러에 연결되는 크로스헤드(crosshead) 유형의 대형 2행정 디젤 엔진과, 원동기와 상기 대형 2행정 디젤 엔진의 작동 상태와 독립적으로 전기를 생성하기 위한 제너레이터들을 구비하는 하나 이상의 제너레이터 집합들(generator sets)과, 보조 디젤 모터에 의해 구동되어 대형 2행정 엔진과 연결된 고압 유압 유체의 소비부를 위한 고압의 유압 유체를 생산하기 위한 하나 이상의 고압 유압 펌핑 스테이션들(pumping stations)이나 펌프들을 구비하는, 대형 원양 항로선(ocean going vessel)용 추진 시스템을 제공함으로써 달성된다.
고압 펌프나 펌핑 스테이션을 구동하기 위해 보조 디젤 모터를 이용함으로써 전기 제너레이터와 모터를 통해 생성되는 것과는 반대로 유압 동력이 원동기로부터 직접 생성될 수 있으며, 여전히 대형 2행정 디젤 엔진의 작동 상태와는 독립적으로 유압 동력을 공급할 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 대형 2행정 디젤 엔진과 연결된 보조 장치들을 구동하기 위한 개선된 시스템을 구비하는 대형 원양 항로선을 위한 추진 시스템을 제공하는 데 있다.
이러한 목적은 청구항 33에 따라, 구동축을 통해 프로펠러에 연결되는 크로스헤드(crosshead) 유형의 대형 2행정 유니플로우(uniflow) 디젤 엔진과, 고압 유압 유체를 공급하는 고압 펌프 또는 펌핑 스테이션(pumping station)과, 각각의 실린더에 적어도 하나의 배기 밸브와 적어도 하나의 배기 밸브를 구동하기 위한 유압 밸브 액추에이터(9)가 구비되는 복수 개의 실린더들과, 상기 대형 2행정 디젤 엔진과 연결되며, 회전 동력에 의해 구동되는 복수 개의 보조 장치들을 구비하고, 적어도 하나의 복수 개의 상기 보조 장치들은 상기의 고압 유압 유체에 의해 동력을 공급받는 용적형 모터(positive displacement motor)에 의해 구동되는, 대형 원양 항로선(ocean going vessel)용 추진 시스템을 공급함으로써 달성된다.
전기 모터들에 대치되는 유압 모터들을 이용함으로써, 유압 모터들에 의해 사용되는 동력의 양과 동력이 전달되는 속력이 전기 모터들에 의할 때보다 더 정밀하고 유연성 있게 제어될 수 있으므로 효율이 향상될 수 있다.
본 발명에 따른 선박 추진 시스템과 엔진의 다른 목적, 구성, 장점, 및 특성들은 상세한 설명을 통해서 명백해질 것이다.
이하의 본 발명의 상세한 부분에서, 본 발명이 도면에 도시된 예시적인 실시예들을 참조하여 보다 상세히 설명될 것이다.
도 1은 9 기통 내지 12 기통 엔진의 표시를 포함한 통상적인 대형 8 기통 실린더 2행정 디젤 엔진의 측면도이다.
도 2는 도 1의 엔진의 정면도이다.
도 3은 중간축을 통해 프로펠러에 연결되는 도 1의 2행정 엔진을 구비하는 대형 항로선에서의 선박 추진 시스템이다.
도 4a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박 추진 시스템의 구성 요소들과 이들 사이의 연결들의 개략적인 개요도이다.
도 4b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박 추진 시스템의 구성 요소들과 이들 사이의 연결들의 개략적인 개요도이다.
도 5는 유압 동력 소모를 엔진 부하의 함수로 도시하는 그래프이다.
도 6은 비상용이나 모항 예인용 모터로 사용될 수 있는 본 발명의 일 실시예에 따른 유압 모터의 횡단면도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 선박 추진 시스템의 구성 요소들과 이들 사이의 연결들의 개략적인 개요도이다.
도 8은 유압 펌프 모터와 제너레이터의 동력 소모를 엔진 부하의 함수로 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 선박 추진 시스템의 구성 요소들과 이들 사이의 연결들의 개략적인 개요도이다.
도 10은 본 발명의 제5 실시예에 따른 선박 추진 시스템의 구성 요소들과 이들 사이의 연결들의 개략적인 개요도이다.
도 11은 본 발명의 제6 실시예에 따른 구성 요소들과 이들 사이의 연결들의 개략적인 개요도이다.
이하의 상세한 설명에서, 크로스헤드 유형의 대형 2행정 디젤 엔진을 구비 한 원양 항로선용 추진 시스템이 바람직한 실시예들에 의해 설명될 것이다.
도 1 및 도 2는, 98 cm 의 피스톤 직경을 갖는 대형 고속 2행정 크로스헤드 인라인(inline) 디젤 엔진(10)을 도시한다. 도 1에, 8 기통 엔진(10)의 측면도가 이러한 엔진의 9 기통, 10 기통, 11 기통, 및 12 기통 버전들의 윤곽선을 나타내는 부가적인 선들과 함께 도시되었다. 엔진(10)의 밑에는 길이가 8 기통 모델에 대한 약 18 미터로부터 14 기통 모델에 대한 28 미터의 범위에 있는 이와 같은 기계들의 절대 크기의 표시를 제공하기 위해 미터 눈금이 도시되었다.
엔진은 크랭크축(1) 용 메인 베어링들을 구비하는 대판(11; bedplate)으로부터 제조된다. 대판(11)은 사용 가능한 생선 설비들에 따라 적절한 크기의 구역들로 나누어진다.
도 2의 중단선들에 의해 도시된 구성들을 참조하면, 엔진은 피스톤 로드들(29)을 통해 크로스헤드들(24)에 연결되는 피스톤들(28)을 구비한다. 크로스헤드들(24)은 안내면들(23; guide planes)에 의해 안내된다. 커넥팅 로드들(30)은 크로스헤드들(24)을 크랭크축(1)의 크랭크핀들(crankpins)과 연결한다.
용접된 디자인의 A 자(字형) 상의 크랭크 케이스 프레임(12; crank case frame)이 대판(11)의 위에 장착된다. 크랭크 케이스 프레임(12)의 상측에는 실린더 프레임(13)이 장착된다. 유지 볼트들(staybolts; 미도시)이 대판(11)을 실린더 프레임(13)에 연결하여 구조물을 함께 유지한다. 실린더들(14)은 실린더 프레임(13)에 구비된다. 배기 밸브 조립체(15)가 각 실린더(14)의 위에 장착된다. 실린더 프레임(13)은 또한 연료 분사 시스템(19)과, 배기 가스 수용부(16)와, 터보 차져 들(17, turbo chargers)과, 배기 공기 수용부(18)를 구비한다. 터보 차져들(17)은 공기를 배기 공기 수용부로 가압한다. 냉각기들(미도시)과 보조 송풍기들(18a)은 각각의 터보 차져(17)와 배기 공기 수용부(18)의 사이에 배치된다. 엔진의 작동 중에, 엔진 부하가 30-40%로 감소될 때마다 보조 송풍기들(18a)이 자동적으로 시동되어, 부하가 약 40-50%를 다시 초과할 때까지 계속 작동할 것이다. 엔진의 최대 연속 정격의 30-50% 를 초과하는 엔진 부하에서는, 터보 차져들(17)이 배기 공기 수용부(18)에 충분한 공기를 스스로 공급한다. 더 낮은 부하에서는 보조 송풍기들(18a)이 배기 공기의 필요한 양의 나머지 또는 전부를 배기 공기 수용부(18)에 공급한다.
크랭크 케이스 프레임(12)은, 외벽들의 횡단 강도(transverse rigidity)를 증가시키기 위해 크랭크 케이스 프레임(12)의 길이 방향으로 연장하며 A 자(字) 형상의 크렝크 케이스 프레임(12)의 상단부터 하단까지 연장하는 외벽들(22)을 서로 연결하는 관통형 가로 플레이트(21)의 형태의 보강재를 구비하며 각각의 실린더의 사이에 마련된다.
크로스헤드(24)에 작용하는 횡단 힘들을 수용하기 위한 수직 안내면(23)(도 2)은 가로 플레이트(21)의 위에 예를 들어 용접에 의해 장착된다. 각각의 안내면(23)의 후방 측면은 수직하게 연장되며 안내면(23)을 가로 플레이트(21)와 연결하는 부가 격벽들(25)에 의해 지지된다. 안내면(23)과 부가 격벽(25)과 가로 플레이트 격벽(21)은 내부에 유지 볼트들(26)이 수용되는 높은 비틀림 강도(torsional rigidity)의 중공의 윤곽을 형성한다.
도 3은 화물 공간(2)의 일부와 엔진룸(3)의 전형적인 배치를 구비하는 선박(1)의 선미(stern)를 도시한다. 대형 2행정 엔진(10)은 엔진룸(3)을 화물 영역(2)으로부터 분리하는 격벽의 바로 뒤에 배치된다. 구동축(5)(중간축으로도 불림)은 엔진(4)의 출력축을 프로펠러(7)를 구동하는 프로펠러 축(6)과 연결한다. 구동축(5)은 도시된 것보다 짧을 수 있다.
추진 시스템과 대형 2행정 엔진은, 일련의 부속 시스템들, 예를 들어 이하의 시스템들을 필요로 한다.
전기 시스템,
유압 동력 공급 시스템,
고중질 연료유(heavy fuel oil) 시스템,
윤활 및 냉각 오일 시스템,
실린더 윤활 시스템,
냉각수 시스템,
중앙 냉각수 시스템,
시동 및 제어 공기 시스템,
배기 공기 시스템,
배기 가스 시스템,
조종 시스템(maneuvering system)
이러한 시스템들은 본 발명의 이해를 위해 필요한 정도로만 상세히 기술될 것이다. 특별히 동력 소모 및/또는 동력 공급 시스템들은 보다 상세히 설명될 것이다. 이러한 모든 시스템들은 하나 이상의 전자 제어기나 컴퓨터들(미도시됨)에 의해 제어되는 밸브들이나 모터들과 같이 전자적으로 제어되는 구성 요소들을 포함한다.
선상에서는 추진을 위한 동력의 다음으로 전기 생산이 최대의 연료 소비부이고, 전자적으로 제어되는 엔진들에서의 고압 유압 시스템이 그 다음을 따른다.
본 발명에 따른 선박 추진 시스템의 제1 실시예가 구성 요소들과 이들 사이의 연결들의 개략으로 도 4a에 도시되었다. 추진 시스템은 전기적으로 제어되는 2행정 엔진(10)을 구비한다.
전기는 두 개의 제너레이터 집합들(40)에 의해 생산된다. 제너레이터 집합들은 전기 제너레이터에 연결된 4행정 디젤 엔진을 구비한다. 두 개의 제너레이터 집합들(40)은 도 4에 도시되었지만, 하나의 대형 제너레이터나 두 개 이상의 더 작은 제너레이터 집합들이 존재할 수도 있다. 제너레이터 집합들(40)은 또한 대형 2행정 엔진(10)이 작동하지 않을 때, 예를 들어 선박이 항구에 있을 때 전기를 공급한다. 대형 2행정 엔진(10)이 작동하지 않을 때, 제너레이터 집합들은 고중질 연료유가 경화되는 것을 방지하기 위해 요구되는 열을 공급한다(고중질 연료유는 40 ℃ 이하에서 유체가 아니다).
고압 펌핑 스테이션(44; pumping station)(단일 가변 용적 펌프로 표시되었으나, 하나 이상의 펌프를 포함할 수 있다)은, 통로(47)를 통해 커먼 레일(45; common rail)로 고압 연료를 공급한다. 펌핑 스테이션(44)은 제너레이터 집합 들(40)로부터 전기를 공급 받는 전기 모터(43)에 의해 구동된다. 어큐뮬레이터(48)(단일 어큐뮬레이터로 도시되었으나, 복수 개의 어큐뮬레이터로 이루어질 수 있다)가 압력 변화를 평준화시키기 위해 통로(47)로 연결된다.
커먼 레일(45)의 하류에서 통로(47)로부터 통로(50)가 분기되어, 보조 송풍기들(18a)을 구동하는 가변 행정 용적형 모터(49; positive displacement motor)로 고압 연료 오일을 공급한다. 보조 송풍기들(18a)에 의해 요구되는 동력의 크기는 변화하며, 대형 2행정 디젤 엔진(10)의 중간 부하 수준의 바로 이하에서 최대이고, 대형 2행정 디젤 엔진(10)의 최대 연속 정격의 40-45% 부하 수준의 이상에서는 0이다. 모터들(49)의 가변 행정으로 인해, 모터들은 대형 2행정 디젤 엔진(10)의 모든 부하 수준에서 필요한 크기의 동력을 보조 송풍기들(18a)에 공급할 수 있고, 그 이상의 동력을 공급하지 않는다. 또한 보조 송풍기들(18a)을 구동하기 위한 유압 모터들(49)의 사용은, 유압 모터들(49)이 최적 회전 속력에서 보조 송풍기들(18a)을 구동하도록 즉시 적응될 수 있기 때문에, 에너지 효율의 관점에서 보조 송풍기들이 최적으로 치수가 정해지는 것을 가능하게 한다.
도시된 실시예에서, 커먼 레일(45) 내의 고중질 연료유는, 연료 오일을 실린더들(14)에 공급하는 분사기들(injectors; 미도시됨)에 공급될 뿐만 아니라(도 1, 2), 유압 액추에이터들에 동력을 공급하기 위하여 배기 밸브 조립체들(15) 내의 유압 액추에이터들(미도시됨)에도 공급될 수 있다(도 1, 2). 유압 액추에이터들(미도시)은 배기 밸브들(동일하게 미도시됨)을 위한 개방력을 제공하며, 배기 밸브들을 전용 유압 액체 대신 고중질 연료유로 작동시킴으로써 별도의 유압 시스템을 회 피할 수 있다. 그러나 설명된 모든 실시예들이, 별도의 고압 유압 시스템, 예를 들어 각각의 시스템이 자체 펌프(들)와 전기 구동 모터들을 구비하여, 배기 밸브 액추에이터들에 동력을 공급하는 유압 시스템과, 별도의 고압 연료 시스템을 포함하도록 용이하게 변형될 수 있음이 이해될 수 있을 것이다.
개별적인 전자 제어 밸브들(미도시됨)을 구비하는 통로들은 연료 분사기들과 배기 밸브 액추에이터들을 커먼 레일(45)에 연결한다. 밸브 액추에이터들로부터의 회귀 유체는 통로(45)를 통해 탱크(42)로 안내된다.
통로(52)는 커먼 레일(45)을 유압 모터(53)와 연결한다. 유압 모터(53)를 향한 가압된 고중질 연료유의 흐름을 제어하기 위해 전자적으로 제어되는 밸브(51)가 통로(52) 내에 배치된다. 유압 모터(53)는, 대형 2행정 디젤 엔진(10)이 고장이 난 경우 선박을 추진하기 위해 비상용 모터로 기능하거나, 이른바 모항 예인용(take home) 모터로 기능한다. 유압 모터(53)는 기어 박스(57; gearbox)에 의해 구동축(5)에 연결된다. 클러치(56)는 (모항 견인용 모터로 작동할 때에) 유압 모터가 구동축(5)에 연결되도록 허용하고, (대형 2행정 디젤 엔진이 작동할 때에는) 구동축으로부터 분리되도록 허용한다. 유압 모터는 저속으로 작동하는 유형일 수 있는데, 예를 들어 공지된 유형의 최대의 선박 추진 시스템용으로 0 및 20 내지 40 rpm 의 사이의 작동 범위를 갖는 유형일 수 있으며, 그리하여 기어박스의 기어비는 1과 같거나 근접할 수 있다.
축베어링(axial bearing)을 구비하는 클러치(59)는 대형 2행정 디젤 엔진(10)의 구동축(5)과 출력축의 사이에 배치된다. 클러치(59)는 대형 2행정 디젤 엔진이 작동할 때에 연결되고, 대형 2행정 디젤 엔진이 고장이 났을 때에 분리된다. 그리하여 유압 모터(53)는 프로펠러(7)를 구동하는 동안 대형 2행정 디젤 모터(10)를 회전시킬 필요가 없다. 클러치(59) 내의 축베어링은 비상 동작 동안에 프로펠러(7)에 의해 발생되는 추진력으로부터 야기되는 축방향 힘을 견디도록 치수가 정해진다(이러한 축방향 힘은, 대형 2행정 디젤 엔진(10) 내의 축베어링에 의해 처리되는 정상적인 작동 동안에 발생되는 힘보다 실질적으로 작다).
이와 같은 실시예에 따른 추진 시스템은, 대형 2행정 엔진이 작동하지 않을 때에 전기적으로 동력을 공급받는 유압 펌핑 스테이션이 작동할 수 있으므로 엔진 시동 동안에 유압 동력을 공급하기 위하여 종래의 추진 시스템들에 항상 포함되는 시동 펌핑 시스템(startup pumping system)을 필요로 하지 않는다.
예:
대형 컨테이너 선박용 추진 시스템.
대형 2행정 엔진은, 98 cm의 구멍(bore)과 짧은 행정(약 2.8)을 가지며 전자적으로 제어되는(캠축으로 제어되는 것에 대치됨) 12개의 실린더들을 구비하는, MAN B&W 디젤 12K98ME-C 이다. 이 엔진은 104 rpm에서 68.520 kW의 최대 연속 정격(maximum continuous rating)을 갖는다.
선상에서는 추진을 위한 동력의 다음으로 전기 생산이 최대의 연료 소비부이다. 요구되는 전기 동력 용량은 선박의 상세에 의존하는데, 예를 들어 화물을 냉각시키기 위해 필요한 전기 동력에 관련되며, 범위의 낮은 측면으로 통상적인 벌크 화물선(bulk carrier)과 범위의 높은 측면으로 현대식 컨테이너선과 냉장선(cooling vessel)에서는 전형적으로 4 내지 10%의 범위에 있다. 그러므로 본 실시예에서는 전기를 생성하기 위한 동력의 크기가 2740 내지 6850 kW의 범위에 있다.
도 4b는, 유압 모터(53)가 주 구동축(5)에 직접 설치됨으로써 기어 박스와 클러치를 회피할 수 있는 중공의 출력축(54)을 구비하는 저속으로 작동하는 유압 모터(이하에서 도 6을 참조하여 더 상세히 설명됨)임을 제외하고는 제1 실시예와 동일한 본 발명의 제2 실시예를 도시한다.
도 5는 배기 밸브 액추에이터들의 유압 동력 소모를 실선으로 도시하고, 보조 송풍기들(18a)을 구동하는 유압 모터들(49)의 동력 소모는 파선으로 도시하며, 통합된 유압 소모는 일점 쇄선으로 도시한 그래프이다. 45%의 부하에서 보조 송풍기들을 위한 동력의 필요량은 620 kW에서 최대가 된다. 더 높은 부하에서는 용량을 0을 조정하거나 가압된 고중질 연료유의 유압 모터들(49)에 대한 공급을 차단함으로써 터보 차져들(17)이 대신하고 유압 모터들(49)이 정지한다. 45%의 이하의 부하에서는 유압 모터들(49)이 필요한 크기의 동력을 보조 송풍기들(18a)에 정밀하게 공급하도록 하기 위해 유압 모터들(49)의 용량이 제어된다.
밸브 액추에이터들은 45% 부하에서 716 kW를 소모하고, 45%의 부하에서의 통합된 소모는 1336 kW에서 최대가 되며, 110% 부하에서는 1336 kW에서 다시 최대가 된다.
비상 동작
대형 2행정 디젤 엔진(10)이 고장이 났을 때 제어 밸브(51)(도 4a 및 도 4b)는 개방 위치로 전환되어, 선박을 추진하기 위해서는 비상 동력 또는 모항 예인용(take home) 동력이 요구된다. 그러므로 실제적으로 펌프나 펌핑 스테이션(44)의 최대 동력은 유압 모터(53)에 공급된다. 클러치(56)는 연결되고 클러치(59)는 분리된다(도 4b에 따른 실시예에서는 어떤 클러치도 연결/분리되지 않음).
제2 실시예에 따르면, 유압 모터(53)는 도 6에 도시된 별 모양 배치나 팬(fan) 모양 배치의 복수 개의 실린더를 구비하는 저속으로 동작하는 용적형 기계(positive displacement machine)이다. 그러나 다른 유형의 유압 모터들도 채택될 수 있음을 주지하여야 한다. 유압 피스톤 모터(53)는 롤러 케이지 부분(72)과 피스톤 부분(73)으로 일체로 형성된 롤러 케이지 피스톤들(71; roller cage piston)을 구비한다. 롤러 케이지 피스톤들(71)은 실린더 블록(76) 내에 배치된 실린더들(75) 내에서 운동한다. 각각의 롤러 케이지 피스톤(71)은 실린더 블록(76)과 캠 만곡부(78)에 대한 토크가 상승하도록 롤러(77)를 내부 캠 만곡부(78)에 대하여 가압한다. 실린더 블록(76) 내에는 고압 연료 오일(80)을 실린더들에 분배하기 위한 회전 가능한 슬라이드(79; slide)가 존재한다. 이러한 유형의 모터는 저속에서 높은 토크를 제공할 수 있는데, 예를 들어 약 30 rpm에서 36000 Nm의 토크(2055 kW)를 제공할 수 있다.
12K98ME-C 엔진을 구비하는 엔진은 전형적으로 최소의 크기의 선박 속도(4 내지 5 knots)와 비상 조건에서 해양에서의 조종 성능을 제공하기 위해 약 30 rpm 의 프로펠러 속력을 필요로 한다. 12K98ME-C가 장착된 선박의 프로펠러를 3 rpm으로 구동하기 위해 필요한 토크는 약 636000 Nm(2055 kW)이다.
필요한 프로펠러 속력은 선박의 유형에 따라 다르다. 104 rpm에서 14 내지 15 knots의 순항 속력을 갖는 벌크 화물선이나 유조선(tanker)은 4 내지 5 knots의 속력을 유지하기 위해 약 34 rpm 프로펠러 속력을 필요로 하는 반면, 104 rpm에서 약 25 내지 26 노트의 최대 순항 속력(cruise speed)을 갖는 컨테이너에 대해서는 약 26 rpm 프로펠러 속력에서 4 내지 5 knots의 속력을 얻을 수 있을 것이다(그러나 파도나 역풍이 선박의 속력을 늦출 수도 있다).
도시되지 않은 실시예에 따르면, 터보 차져나 터보 차져들을 낮은 엔진 부하에서 유압 모터들로 구동함으로써 보조 송풍기들의 기능을 터보 차져나 터보 차져들이 인계할 수 있다. 유압 모터를 통해 터보 차져에 더해지는 부가적인 동력은 터보 차져로 하여금 낮은 엔진 부하에서도 충분한 배기 공기를 발생시키도록 허용한다. 이를 통해 보조 송풍기들이 완전히 생략될 수 있다. 높은 엔진 부하의 동안에는, 터보 차져 내의 나머지 잉여 에너지는 바람직한 실시예에 따라 터보 차져에 연결된 유압 모터들을 유압 펌프로 작동시킴으로써 유압 에너지로 변환될 수 있다. 그러므로 대형 2행정의 말미의 높은 부하에서의 터보 차져의 잉여 에너지가 재생될 수 있으며, 높은 엔진 부하에서 높은 시스템 입력을 필요로 하는 유압 시스템 내에서 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 선박 시스템의 제3 실시예가 구성 요소들과 이들 사이의 연결의 개략으로 도 7에 도시된다. 추진 시스템은 전기적으로 제어되는 2행정 엔 진(10)을 구비한다. 제너레이터 집합(40)에 의해, 또한 기계적인 전달부(63)를 통해 크랭크축으로부터의 동력 취출에 의해 구동되는 제너레이터(61)에 의해 전기가 생성된다. 제너레이터 집합(40)은 제너레이터(61)보다 낮은 용량을 갖는 전기 제너레이터에 연결된 4행정 디젤 엔진을 구비한다. 제너레이터 집합(40)은 대형 2행정 엔진(10)이 작동하지 않을 때, 예를 들어 선박이 항구에 있을 때에 전기를 공급하고, 또한 최대 부하 아래에서 대형 제너레이터(61)를 보조할 수도 있다. 대형 2행정 엔진(10)이 작동하지 않을 때에, 제너레이터 집합들은 또한 고중질 연료유가 경화되는 것을 방지하기 위해 요구되는 열을 공급한다(고중질 연료유는 40 ℃ 이하에서 유체가 아니다).
고압 펌프 스테이션(65; pumping station)(단일 가변 용적 펌프로 표시되었으나, 하나 이상의 펌프를 포함할 수 있다)은, 통로(47)를 통해 커먼 레일(45; common rail)로 고압 연료를 공급한다. 펌프 스테이션(65)은 제너레이터 집합(40)으로부터 전기를 공급 받는 전기 구동 모터(46)에 의해 구동된다. 어큐뮬레이터(48)(단일 어큐뮬레이터로 도시되었으나, 복수 개의 어큐뮬레이터로 이루어질 수 있다)가 압력 변화를 평준화시키기 위해 통로(47)로 연결된다.
보조 송풍기들(18a)에 의해 요구되는 동력의 크기는 변화하며, 대형 2행정 디젤 엔진(10)의 중간 부하 수준의 바로 이하에서 최대이고, 대형 2행정 디젤 엔진(10)의 최대 연속 정격의 40-45% 부하 수준의 이상에서는 0이다. 보조 송풍기 또는 송풍기들(18a)(단순화를 위하여 하나 만이 도시되었다)은 또한 전기 구동 모터(64)에 의해 구동된다. 전기 구동 모터(64)는 터보 차져(17)가 약 40-50% 이상의 엔진 부하에서 배기 공기의 공급을 인계한 때에 전기 구동 모터(64)로부터 보조 송풍기(18a)를 분리시키기 위하여 클러치(67)나 기타 분리 가능한 연결을 통해 보조 송풍기(18a)에 연결된다. 전기 구동 모터(64)는 보조 송풍기(18a)가 전기 모터(64)에 의해 구동될 때에 유압 펌프(65)를 분리시킬 수 있도록 클러치(66)나 기타 분리 가능한 연결을 통해 펌프 스테이션(65)에 연결된다.
도 8은 유압 펌프의 유압 동력을 실선으로 도시하고, 보조 송풍기들(18a)의 동력 소모는 파선으로 도시하며, 통합된 유압 소모는 일점 쇄선으로 도시한 그래프이다(수치들은 MAN B&W 12K98ME-C 디젤 엔진에 대응한다). 45%의 부하에서 보조 송풍기들을 위한 동력의 필요량은 620 kW에서 최대가 된다. 더 높은 부하에서는 터보 차져들(17)이 인계하고 클러치(67)를 분리시킴으로써 보조 송풍기(18a)가 전기 구동 모터(64)로부터 분리된다.
제3 실시예에 있어서, 커먼 레일(45) 내의 고중질 연료유는, 연료 오일을 실린더들(14)에 공급하는 분사기들(injectors; 미도시됨)에 공급될 뿐만 아니라(도 1, 2), 유압 액추에이터들에 동력을 공급하기 위하여 배기 밸브 조립체들(15) 내의 유압 액추에이터들(미도시됨)에도 공급될 수 있다(도 1, 2). 유압 액추에이터들(미도시)은 배기 밸브들(동일하게 미도시됨)을 위한 개방력을 제공하며, 배기 밸브들을 전용 유압 액체 대신 고중질 연료유로 작동시킴으로써 유압 시스템의 큰 부분이 회피될 수 있다. 그러나 이러한 실시예가 각각의 시스템이 자체 펌프(들)와 전기 구동 모터들을 구비하는, 별도의 고압 유압 시스템, 예를 들어 배기 밸브 액추에이터들에 동력을 공급하기 위한 유압 시스템과, 별도의 고압 연료 시스템을 포함하도 록 용이하게 변형될 수 있음이 이해될 것이다.
개별적인 전자 제어 밸브들(미도시됨)을 구비하는 통로들은 연료 분사기들과 배기 밸브 액추에이터들을 커먼 레일(45)에 연결한다. 밸브 액추에이터들로부터의 회귀 유체는 통로(46)를 통해 탱크(42)로 안내된다.
제3 실시예에 따른 추진 시스템은, 대형 2행정 엔진(10)이 작동하지 않을 때에 전기적으로 동력을 공급받는 유압 펌핑 스테이션이 작동할 수 있으므로 엔진 시동 동안에 유압 동력을 공급하기 위하여 종래의 추진 시스템들에 항상 포함되는 시동 펌핑 시스템(startup pumping system)을 필요로 하지 않는다.
본 발명에 따른 선박 추진 시스템의 바람직한 제4 실시예가 구성 요소들과 이들 사이의 연결들의 개략으로 도 9에 도시되었다. 추진 시스템은 전기적으로 제어되는 2행정 엔진(10)을 구비한다. 전기는 제너레이터 집합(40)과 기계적인 전달(63)을 통해 크랭크축으로부터의 동력 취출에 의해 구동되는 제너레이터(61)에 의해 생산된다. 제너레이터 집합(40)은 대형 2행정 엔진(10)이 작동하지 않을 때, 예를 들어 선박이 항구에 있을 때 전기를 공급하고, 또한 최대 부하 아래에서 대형 제너레이터(61)를 보조할 수도 있다.
고압 펌프 스테이션(44; pump station)(단일 가변 용적 펌프로 표시되었으나, 하나 이상의 펌프를 포함할 수 있다)은, 통로(47)를 통해 커먼 레일(45; common rail)로 고압 연료를 공급한다. 펌프 스테이션(44)은 기계적인 전달(41)을 통해 크랭크축으로부터의 동력 취출에 의해 구동된다. 기계적인 전달(41)은 기어휠(gearwheels) 및/또는 체인들(chains)을 포함할 수 있다. 어큐뮬레이터(48)(단일 어큐뮬레이터로 도시되었으나, 복수 개의 어큐뮬레이터로 이루어질 수 있다)가 압력 변화를 평준화시키기 위해 통로(47)로 연결된다.
가변 용적형 펌프(69)는 보조 송풍기들(18a)을 구동하는 유압 모터들(49)을 위한 유압 동력을 공급한다. 가변 용적형 펌프(69)는 전기 구동 모터(68)에 의해 구동된다. 통로(50)는 보조 송풍기들(18a)을 구동하는 가변 행정 용적형 모터들(49)로 고압 연료 오일을 공급한다. 보조 송풍기들(18a)에 의해 요구되는 동력의 크기는 변화하며, 대형 2행정 디젤 엔진(10)의 낮은 부하 수준에서 최대이고, 대형 2행정 디젤 엔진(10)의 최대 연속 정격의 40-50% 부하 수준의 이상에서는 0이다. 가변 용적 펌프(71)의 용량은 유압 모터들(49)의 요구 조건에 일치한다.
제어 밸브(74)를 구비하는 통로(74)는, 유압 펌핑 스테이션(45)이 고장이 난 경우 커먼 연료 레일(45) 및 연료 모터들(49)의 모두에 비상 유압 동력을 공급하기 위하여 가변 용적 펌프를 커먼 레일(45)에 연결한다. 전형적으로 가변 용적 펌프(69)의 용량은 밸브 액추에이터들과 분사기들의 유압 동력에 대한 통합 요구량에 일치하며, 15% 엔진 부하에서 커먼 레일(45)과 유압 모터들(49)에 공급된다. 주 펌핑 스테이션(44)이 고장난 경우, 제어 밸브(74)가 개방되어 가변 용적 펌프(69)가 커먼 레일(45) 및 유압 모터들(49)의 모두에 고압 연료 오일을 공급한다.
제4 실시예에 있어서, 커먼 레일(45) 내의 고중질 연료유는, 연료 오일을 실린더들(14)에 공급하는 분사기들(injectors; 미도시됨)에 공급될 뿐만 아니라(도 1, 2), 유압 액추에이터들에 동력을 공급하기 위하여 배기 밸브 조립체들(15) 내의 유압 액추에이터들(미도시됨)에도 공급될 수 있다(도 1, 2). 유압 액추에이터들(미 도시)은 배기 밸브들(동일하게 미도시됨)을 위한 개방력을 제공하며, 배기 밸브들을 전용 유압 액체 대신 고중질 연료유로 작동시킴으로써 유압 시스템의 큰 부분이 회피될 수 있다. 그러나 이러한 실시예가 각각의 시스템이 자체 펌프(들)와 전기 구동 모터들을 구비하는, 별도의 고압 유압 시스템, 예를 들어 배기 밸브 액추에이터들에 동력을 공급하기 위한 유압 시스템과 별도의 고압 연료 시스템을 포함하도록 용이하게 변형될 수 있음이 이해될 것이다.
개별적인 전자 제어 밸브들(미도시됨)을 구비하는 통로들은 연료 분사기들과 배기 밸브 액추에이터들을 커먼 레일(45)에 연결한다. 밸브 액추에이터들로부터의 회귀 유체는 통로(46)를 통해 탱크(42)로 안내된다.
제4 실시예에 따른 추진 시스템은, 엔진의 시동 동안에 밸브(74)가 개방 위치에 놓이는 비상 작동과 유사한 방식으로 유압 펌프(69)가 전기적으로 동력을 공급받으므로, 엔진 시동 동안에 유압 동력을 공급하기 위하여 종래의 추진 시스템들에 항상 포함되는 시동 펌핑 시스템(startup pumping system)을 필요로 하지 않는다.
도 10은 본 발명의 제5 실시예를 도시한다. 대형 2행정 디젤 엔진(10)에는 하나 이상의 제너레이터 집합들(40)과(하나만이 도시됨), 하나 이상의 펌핑 집합들(106; pumping sets)(하나만이 도시됨)이 구비된다. 펌핑 집합들(106)은 보조 디젤 엔진(108)에 의해, 바람직하게는 4행정 디젤 엔진, 즉 대형 2행정 디젤 엔진(10) 보다 상당히 작은 엔진에 의해 직접 구동되는 대형 가변 용적 펌프(107)를 구비한다. 유압 시스템용 고압 유체의 대부분은 펌핑 집합(106)에 의해 생성된다. 유압 시스템용 고압 유체의 적은 일부는 전기 모터(43)에 의해 구동되는 고압 가변 용적 펌프(44)에 의해 생성된다. 펌프(44)는 선택적으로 크랭크축으로부터의 동력 취출에 의해 구동될 수도 있다(미도시). 상이한 구동 유닛을 갖는 두 개의 고압 펌프들이나 펌핑 스테이션들의 존재는 유압 시스템을 위한 중복성(redundancy)을 제공하며, 대형 2행정 디젤 엔진을 모항 예인용(take home) 동력 수준에서, 예를 들어 최대 부하의 50-60%에서 작동시키기 위해 충분한 유압 동력이 존재하도록 보장한다. 이러한 실시예에서 유압 시스템은 유압 배기 밸브 액추에이터들과 정상 엔진 작동 동안에 보조 송풍기들을 구동한다. 그러므로 장착된 유압 동력은 종래의 추진 시스템들에 전형적으로 장착되는 유압 동력(주 엔진의 최대 출력의 약 1.8 내지 2.3 %)의 적어도 두 배(즉 주 엔진의 최대 출력의 3.6 내지 5%)가 될 것이다. 유압 펌프들(44, 107)의 모두는 대형 2행정 디젤 엔진의 작동 상태와는 독립적으로 작동할 수 있다.
제5 실시예의 구성은 모항 예인용 추진의 유압 모터에 동력을 공급하기 위해 결과적으로 사용될 수 있는 유압 동력 보다 큰 유압 동력의 장착을 허용한다. 그러므로 대형 2행정 엔진이 기대에 어긋나 고장이 난다면, 펌핑 집합(108) 및 전기적으로 구동되는 펌프(44)의 모두에 의해 유압 동력이 생성될 수 있다. 이와 같은 상황에서, 전자적으로 제어되는 밸브(51)가 개방되어, 유압 동력이 바람직하게는 도 6을 참조하여 설명된 것과 같은 유형의 두 개의 저속으로 작동하는 유압 모터들(53)에 공급된다. 유압 모터들(63)에는 바람직하게는 구동축(5)에 설치되어 연결되는 관통 구멍을 갖는 구동축(54)이 구비된다. 유압 모터들(53)은 대형 2행정 엔진의 최대 작동 속력의 약 25 내지 35%에서 구동축을 구동할 수 있으며, 대형 2행정 디젤 엔진의 최대 출력의 약 2 내지 5%의 최대 구동 출력을 갖는다. 이는 추진 시스템이 장착된 선박이 조종 가능하게 유지되도록 하는 것을 보장하기에 충분하다.
그러므로 유압 모터들(53)은 항상 구동축과 함께, 즉 대형 2행정 엔진(10)이 작동할 때 회전한다. 유압 모터들이 작용하지 않고 구동축(5)을 따라 단순히 회전할 때에 유압 모터들(53)에서의 저항 손실/마찰 손실을 감소시키기 위해서, 롤러 케이지 피스톤들(71)이 캠 만곡부(78)와 접촉하지 않도록 유압 압력 조작에 의해 상승된다.
유압 모터들(53)이 대형 2행정 엔진의 최대 속력에서의 작동을 견딜 수 없거나 역전될 수 없다면, 클러치나 분리 가능한 연결(미도시됨)이 중공 출력축(54)의 사이에 배치된다(많은 대형 2행정 디젤 엔진들이 역전될 수 있으며, 이는 고정 피치 프로펠러를 구비하는 추진 시스템들을 위한 요구 조건이다).
도 11은 본 발명의 제6 실시예를 도시한다. 대형 2행정 디젤 엔진(10)은 두 개의 제너레이터 집합들(40)을 구비한다. 전기 모터(43)는 가변 용적형의 대형 유압 고압 펌프(44)를 구동한다. 고압 압력 펌프(44)로부터의 고압 유압은 커먼 레일(45)로 공급된다. 보조 송풍기 모터들(49)과 배기 밸브 액추에이터들과는 별도로, 유압 시스템은 또한 통로(52)를 통하여 원심형 해수 펌프들(81; centrifugal seawater pumps)(중복성을 위해 두 개의 펌프들이다)을 구동하는 두 개의 유압 모터들(81)에 동력을 공급한다. 해수 펌프들(81)은 중앙 냉각기(84)를 통해 해수 유 입구(83)로부터 해수를 퍼 올려 해수 배출구(85)로 다시 보낸다. 중앙 냉각기(84)는 내해수 소재(seawater resistant material)로 제작된 쉘 튜브 열교환기(shell and tube heat exchanger) 또는 판형 열교환기(plate heat exchanger)이다.
유압 시스템은 또한 통로(52)를 통해 중앙 원심형 냉각수 펌프들(87)을 구동하는 두 개의 유압 모터들(86)에 동력을 공급한다. 중앙 냉각수 펌프들(87)은 중앙 냉각기(84)와 재킷 수냉각기(89; jacket water cooler)와, 대형 2행정 엔진(10)의 다양한 부분들(미도시됨)을 통해 신선한 물을 퍼 올려 되돌린다.
나아가 유압 시스템은 통로(52)를 통해 윤활 오일 펌프들(91)(중복성을 위해 두 개다)을 구동하는 두 개의 유압 모터들(90)에도 동력을 공급한다. 윤활 오일 펌프들(91)은 오일 냉각기(88)와, 대형 2행정 엔진(10)의 다양한 부분들과 구성 요소들을 통해 윤활 오일을 퍼 올려 되돌린다.
통로(52)를 통해 동력을 공급 받는 두 개의 유압 모터들(92)은 두 개의 원심형 재킷 워터 펌프들(93)을 구동한다. 재킷 워터 펌프들(93)은 재킷 수냉각기(89)를 통과하여, 또한 실린더 라이너들(cylinder liners)과, 실린더 커버들과, 배기 밸브들을 통해, 물을 퍼 올려 되돌린다. 재킷 냉각수는 또한 연료 오일 배출 파이프들을 따뜻하기 위해 사용된다.
하나 이상의 유압 모터들(95)(하나만이 도시됨)은 통로(52)를 통해 하나 이상의 밸러스트 펌프들(94; ballast pumps)(하나만이 도시됨)에 동력을 공급한다. 밸러스트 펌프들(94)은 다양한 선박의 수평을 유지하기 위해 선박 둘레에 배치된 밸러스트 탱크들(미도시됨)로부터 및 밸러스트 탱크들로 퍼 올린다.
하나 이상의 유압 모터들(97)(하나만이 도시됨)은 통로(52)를 통해 예를 들어 유조선들에서 사용되는 것과 같은 하나 이상의 화물 펌프들(97)(하나만이 도시됨)에 동력을 공급한다.
하나 이상의 유압 모터들(98)(하나만이 도시됨)은, 예를 들어 에어 시스템의 제어와 시동을 위해 가압된 공기를 생성하기 위해 통로(52)를 통해 하나 이상의 압축기들(99; compressors)(하나만이 도시됨)에 동력을 공급한다.
하나 이상의 유압 모터들(100)(하나만이 도시됨)은 닻들(anchors)을 상승시키고 하강시키기 위해 통로(52)를 통해 하나 이상의 캡스턴들(101; capstans)(하나만이 도시됨)에 동력을 공급한다. 캡스턴들은 선박 주변의 다양한 장소들에 위치하는 다른 체인들이나 케이블에서 당기거나 끌기 위해 사용될 수 있거나, 크레인의 와이어 레일들(wire rails)일 수 있다.
선박의 다양한 위치들에서의 대형 2행정 디젤 엔진의 유압 시스템으로부터의 고압 유체를 직접 공급받는 유압 모터들의 사용은, 선박 위에서 많은 내구성이 강한 전기 케이블들, 연결들, 스위치들, 및 전기 모터들을 회피할 수 있도록 하는 영향을 가져, 특별히 가연성 화물을 나르는 선박 위의 유압 시스템들에서의 스파크를 발생시키는 구성 요소들이 없음으로 인해 개선된 화재 예방의 장점을 갖는다.
전자적으로 제어되는 대형 2행정 디젤 엔진을 구비하는 종래의 추진 플랜트들에서의 유압 효과(hydraulic effect)는 전형적으로 대형 2행정 디젤 엔진의 최대 용량의 약 1.5% 이다. 상술한 실시예들에서 전기 모터들을 대신한 유압 모터들의 광범위한 사용으로 인해, 유압 효과는 대형 2행정 디젤 엔진의 최대 용량의 약 3% 내지 6%의 범위에 있을 수 있다.
상기 "고압 펌프(high-pressure pump)"와 "고압 유압 유체(high-pressure hydraulic fluid)"에서 사용된 것과 같은 "고압(high-pressure)"이라는 용어는 8 바(bar) 이상의 어떠한 압력을 포함한다.
본 발명이 설명의 목적으로 상세하게 기술되었지만, 이러한 상세한 내용은 설명의 목적만을 위한 것이며, 여기에서 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 변형이 이루어질 수 있음이 이해되어야 한다.
본 발명은 크로스헤드(crosshead) 유형의 대형 2행정 디젤 엔진(two-stroke diesel engine)을 구비하는 선박 추진 시스템에 관한 것이다.

Claims (36)

  1. 크로스헤드(crosshead) 유형의 대형 터보 차지 멀티 실린더(turbo charged multi-cylinder) 2행정 디젤 엔진으로서,
    낮은 엔진 부하에서 실린더들을 배기시키기 위한 하나 이상의 보조 송풍기들과, 유압 시스템 및/또는 윤활 및/또는 연료 시스템에 가압 유체를 공급하기 위한 하나 이상의 유압 펌프들 또는 펌핑 스테이션들(pumping stations)과, 하나 이상의 보조 송풍기들과 하나 이상의 유압 펌프들 또는 펌핑 스테이션들의 모두를 구동하는 하나 이상의 전기 모터들을 구비하는, 엔진.
  2. 제1항에 있어서,
    각각의 상기 보조 송풍기들은 클러치를 통해 개별적인 전기 모터에 연결되는, 엔진.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 클러치를 연결시키고 분리시키도록 이루어지는 제어기를 더 구비하는, 엔진.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어기는 엔진 부하가 제1 문턱값 이하로 떨어질 때 클러치를 연결시 키도록 이루어지고, 엔진 부하가 제2 문턱값 이상으로 올라갈 때 클러치를 분리시키도록 이루어지는, 엔진.
  5. 제1항 내지 제4항에 있어서,
    하나 이상의 상기 유압 펌프들 또는 펌핑 스테이션들은 가변 용적형(variable displacement type)이고, 상기 유압 펌프들이나 펑핑 스테이션들은 제어기에 의해 제어되며, 제어기는 하나 이상의 전기 엔진들로부터 요구되는 토크가 미리 정해진 문턱값을 넘지 않도록 보장하기 위해 펌프들의 용량(displacement)을 제어하도록 이루어지는, 엔진.
  6. 제1항 내지 제5항에 있어서,
    하나 이상의 상기 모터들은 모든 엔진 작동 상태에서 하나 이상의 상기 유압 펌프들이나 펌핑 스테이션들을 구동함으로써, 엔진 시동 펌핑 스테이션 없이도 엔진들이 시동되는 것을 허용하는, 엔진.
  7. 크로스헤드(crosshead) 유형의 대형 터보 차지 멀티 실린더(turbo charged multi-cylinder) 2행정 디젤 엔진으로서,
    하나 이상의 터보 차져들(turbo chargers)이 높은 엔진 부하에서 실린더를 배기시키는 동안, 낮은 엔진 부하에서 실린더들을 배기시키기 위한 하나 이상의 보조 송풍기들과, 전기 모터들에 의해 및/또는 크랭크축으로부터의 동력 취출(power takeoff)에 의해 및/또는 개별적인 디젤 엔진에 의해 구동되는 유압 펌프 또는 펌핑 스테이션과, 하나 이상의 보조 송풍기들을 구동하는 하나 이상의 유압 모터들을 구비하는, 엔진.
  8. 제7항에 있어서,
    높은 엔진 부하에서 하나 이상의 상기 터보 차져들은 유압 모터들의 도움 없이 실린더들을 배기시키고, 낮은 엔진 부하에서 하나 이상의 상기 터보 차져들은 실린더들을 배기시키기 위해 낮은 엔진 부하에서 유압 모터들에 의해 구동되는, 대형 터보 차지 멀티 실린더 2행정 디젤 엔진.
  9. 제7항에 있어서,
    배기 밸브 액추에이터들에 유압 동력을 공급하기 위한 메인(main) 펌핑 스테이션을 구비하고, 상기 메인 펌핑 스테이션은 크랭크축으로부터의 동력 취출에 의해 구동되거나 하나 이상의 전기 구동 모터들에 의해 구동되며, 하나 이상의 전기 모터들에 의해 구동되는 보조 펌핑 스테이션을 구비하고, 상기 보조 펌핑 스테이션은 하나 이상의 보조 송풍기들 및/또는 연료 분사기들을 구동하는 유압 모터들에 유압 동력을 공급하며, 상기 메인 펌핑 스테이션이나 상기 보조 펌핑 스테이션의 어느 하나는 다른 펌핑 스테이션이 고장 났을 때 하나 이상의 보조 송풍기들을 구동하는 유압 모터들과 배기 밸브 액추에이터들의 모두에 비상 유압 동력을 공급하는, 대형 터보 차지 멀티 실린더 2행정 디젤 엔진.
  10. 제7항에 있어서,
    전기를 생성하기 위한 자체의 원동기를 구비하는 제너레이터 집합(generator set)과, 대형 2행정 디젤 엔진이 동작할 때와 동작하지 않을 때 유압 동력을 공급할 수 있는 하나 이상의 전기 구동 모터들에 의해 구동되는 유압 동력 스테이션(hydraulic power station)을 더 구비하는, 대형 터보 차지 멀티 실린더 2행정 디젤 엔진.
  11. 제7항에 있어서,
    보조 송풍기 모터를 구동하는 펌프로 이루어지며, 보조 송풍기 모터를 구동하는 펌프를 유압 시스템의 다른 부분들에 연결하는 통로를 구비하는, 펌프 비상 유압 시스템을 더 구비하는, 대형 터보 차지 멀티 실린더 2행정 디젤 엔진.
  12. 제7항에 있어서,
    대형 터보 차지 멀티 실린더 2행정 디젤 엔진을 프로펠러에 연결하는 구동축과, 전기 동력을 공급하기 위한 하나 이상의 보조 디젤 제너레이터 집합들을 더구비하고, 상기 펌핑 스테이션들은 전기 모터들에 의해 구동되어 압력 하의 유체를 공급하고, 하나 이상의 유압 모터는 대형 터보 차지 멀티 실린더 2행정 디젤 엔진이 고장 났을 때 중간축(intermediate shaft)이나 상기 프로펠러 축을 구동하도록 이루어지는, 대형 터보 차지 멀티 실린더 2행정 디젤 엔진.
  13. 제7항에 있어서,
    모항으로 끌고 갈 동력(take home power)의 목적으로 크랭크축을 구동하기 위한 상기 유압 모터는 저속 작동 유압 모터인, 대형 터보 차지 멀티 실린더 2행정 디젤 엔진.
  14. 제7항에 있어서,
    상기 저속 작동 유압 모터는 구동축이나 프로펠러 축에 직접 연결되거나, 구동축이나 프로펠러축에 실질적으로 1 대 1로 기어 연결되는, 대형 터보 차지 멀티 실린더 2행정 디젤 엔진.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    크랭크축과 구동축의 사이에 클러치나 분리 가능한 연결이 제공되는, 대형 터보 차지 멀티 실린더 2행정 디젤 엔진.
  16. 대형 원양 항로선(ocean going vessel) 추진 시스템으로서,
    크로스헤드(crosshead) 유형의 대형 터보 차지 멀티 실린더(turbo charged multi-cylinder) 2행정 디젤 엔진;
    대형 터보 차지 멀티 실린더 2행정 디젤 엔진으로부터의 동력 취출에 의해 동력이 공급되는 하나 이상의 전기 제너레이터들(generators) 및/또는 전기 동력을 공급하기 위한 하나 이상의 보조 디젤 제너레이터 집합들(generator sets);
    유압 모터들에 의해 구동되며, 낮은 엔진 부하에서 실린더들을 배기시키기 위한 하나 이상의 보조 송풍기들;
    전기 모터들에 의해 동력을 공급 받아 고압의 연료 오일을 공급하는 하나 이상의 고압 펌프들 또는 고압 펌핑 스테이션들(pumping stations); 및
    배기 밸브들을 구동시키기 위한 유압 밸브 액추에이터들(actuatos);을 구비하고,
    상기 유압 밸브 액추에이터들과 상기 유압 모터들의 모두 또는 어느 하나는, 하나 이상의 상기 고압 펌프들 또는 고압 펌핑 스테이션들에 의해 공급되는 고압 연료 오일로 작동되는, 추진 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    전기적으로 동력을 공급받는 고압 펌프들이나 고압 펌핑 스테이션들은, 다양한 부하 조건 하에서 모든 유압 밸브 액추에이터들 및/또는 모든 유압 모터들의 의 고압 유체를 위한 요구를 포함하기에 충분히 큰 용량을 갖는, 추진 시스템.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 동력 취출은 크랭크축 및/또는 터보 차쳐 축으로부터 직접 또는 간접적으로 이루어지는, 추진 시스템.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 동력 설비는,
    대형 2행정 엔진의 크랭크축과 원양 항로선의 프로펠러의 사이에 배치되는 구동축; 및
    상기 구동축을 구동하기 위해 연결되거나 연결될 수 있는 유압 모터;를 구비하고,
    구동축을 구동하기 위한 상기 유압 모터의 용량과 전기적으로 동력을 공급 받는 고압 펌프들이나 고압 펌핑 스테이션들의 용량은 대형 2행정 엔진이 고장 났을 때 선박을 위해 모항으로 끌고 갈 동력(take home power)으로 기능하게 충분히 큰, 추진 시스템.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 고압 펌핑 스테이션들은 대형 2행정 디젤 엔진이 작동할 때와 작동하지 않을 때에 유압 동력(take home power)을 공급할 수 있는, 추진 시스템.
  21. 대형 원양 항로선(ocean going vessel) 추진 시스템으로서,
    구동축을 통해 프로펠러에 연결되는 크로스헤드(crosshead) 유형의 대형 2행정 디젤 엔진과, 상기 대형 2행정 디젤 엔진의 작동 상태와 독립적으로 전기를 생성하기 위한 제너레이터들과 원동기를 구비하는 하나 이상의 제너레이터 집합들(generator sets)과, 하나 이상의 전기 모터들에 의해 구동되는 고압 유압 펌핑 스테이션들(pumping stations)이나 펌프들과, 상기 대형 2행정 디젤 엔진이 고장이 났을 때 모항으로 끌고 갈 동력을 공급하기 위하여 상기 구동축이나 상기 프로펠러 축에 연결될 수 있는 하나 이상의 유압 피스톤 모터(hydraulic piston motor)를 구비하는, 추진 시스템
  22. 제21항에 있어서,
    상기 유압 모터는 저속으로 작동하는 용적 기계(slow running displacement machine)인, 추진 시스템.
  23. 제22항에 있어서,
    저속으로 작동하는 상기 유압 피스톤 모터는, 구동축이나 프로펠러 축에 설치되며, 구동축이나 프로펠러 축에 직접 연결되거나 유압 모터가 구동축이나 프로펠러 축에 선택적으로 연결되거나 분리되도록 허용하는 클러치를 통해 프로펠러 축에 연결되는 중공의 구동축을 구비하는, 추진 시스템.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 유압 모터는 로브 캠(lobed cam) 위에서 운동하는 롤러 케이지 피스톤들(roller cage pistons)을 구비하고, 유압 모터가 작동하지 않을 때에 롤러 케이지 피스톤들이 상승되는, 추진 시스템.
  25. 주 엔진이 고장이 났을 때 모항으로 끌고 갈 동력(take home power)을 공급하기 위하여 대형 원양 항로선(ocean going vessel) 모터의 구동축이나 프로펠러에 연결될 수 있는, 저속으로 작동하는 유압 모터의 사용 방법.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 구동 축은 주 엔진으로부터 분리될 수 있는, 유압 모터의 사용 방법.
  27. 제25항에 있어서,
    저속으로 작동하는 상기 유압 모터는 별 모양 배치나 팬(fan) 모양 배치의 복수 개의 실린더들을 구비하는 용적형 기계(positive displacement machine)인, 유압 모터의 사용 방법.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 유압 피스톤 모터는 하우징과, 내부 캠 만곡부를 갖는 적어도 하나의 캠 디스크와, 복수 개의 실린더들 및 이들 실린더들에서 운동하는 피스톤들을 갖는 적어도 하나의 실린더 블록과, 정수압 베어링들(hydrostatic bearings)을 갖는 롤러 케이지들(roller cages)과, 캠 만곡부와 휘어진 각도로 롤러를 둘러싸는 롤러 케이지의 사이에서 운동하는 롤러들과, 롤러들을 위한 안내 부재들을 구비하는, 유압 모터의 사용 방법.
  29. 대형 원양 항로선(ocean going vessel)용 추진 시스템으로서,
    구동축을 통해 프로펠러에 연결되는 크로스헤드(crosshead) 유형의 대형 2행정 디젤 엔진과, 원동기와 상기 대형 2행정 디젤 엔진의 작동 상태와 독립적으로 전기를 생성하기 위한 제너레이터들을 구비하는 하나 이상의 제너레이터 집합들(generator sets)과, 보조 디젤 모터에 의해 구동되어 대형 2행정 엔진과 연결된 고압 유압 유체의 소비부를 위한 고압의 유압 유체를 생산하기 위한 하나 이상의 고압 유압 펌핑 스테이션들(pumping stations)이나 펌프들을 구비하는, 추진 시스템.
  30. 제29항에 있어서,
    전기 모터들이나 크랭크축으로부터의 동력 취출에 의해 구동되는 고압 유압 펌프들이나 펌핑 스테이션들을 더 구비하는, 추진 시스템.
  31. 제29항에 있어서,
    상기 소비부들은, 유압 모터들, 연료 분사기들, 및 유압 엑추에이터들을 포함하는 그룹 중에서 하나 이상을 구비하는, 추진 시스템.
  32. 제29항 또는 제31항에 있어서,
    상기 유압 모터들은, 냉각 펌프들, 화물 펌프들(cargo pumps), 캡스턴들(capstans), 윤활 펌프들(lubrication pumps), 및 보조 송풍기들을 포함하는 그 룹 중에서 하나 이상을 구비하는, 추진 시스템.
  33. 대형 원양 항로선(ocean going vessel)용 추진 시스템으로서,
    구동축을 통해 프로펠러에 연결되는 크로스헤드(crosshead) 유형의 대형 2행정 유니플로우(uniflow) 디젤 엔진;
    고압 유압 유체를 공급하는 고압 펌프 또는 펌핑 스테이션(pumping station);
    각각의 실린더에 적어도 하나의 배기 밸브와 적어도 하나의 배기 밸브를 구동하기 위한 유압 밸브 액추에이터(9)가 구비되는, 복수 개의 실린더들; 및
    상기 대형 2행정 디젤 엔진과 연결되며, 회전 동력에 의해 구동되는 복수 개의 보조 장치들;을 구비하고,
    복수 개의 상기 보조 장치들의 적어도 하나는 상기의 고압 유압 유체에 의해 동력을 공급받는 용적형 모터(positive displacement motor)에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는, 추진 시스템.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 보조 장치들은 냉각수 펌프들(cooling water pumps), 윤활유 펌프들(lubrication oil pumps), 보조 송풍기들, 모항 예인 모터들(take home motors), 및 압축기들(compressors)을 포함하는 그룹 중에서 하나 이상을 구비하는, 추진 시스템.
  35. 제33항 또는 제34항에 있어서,
    상기 대향 원향 항로선은 상기 대형 2행정 디젤 엔진과 연결되지 않은 회전 동력으로 구동되는 복수 개의 장치들을 구비하고, 연결되지 않은 상기 장치들은 상기 고압 펌프나 펌핑 스테이션으로부터의 고압 유압 유체에 의해 구동되는 용적형 모터들에 의해 구동되는, 추진 시스템.
  36. 제33항에 있어서,
    상기 대향 원향 항로선에 탑재된 상기 2행정 엔진과 연결되지 않은 상기 장치들은, 밸러스트 펌프들(ballast pumps), 화물 펌프들(cargo pumps), 캡스턴들(capstans), 및 와이어 레일들(wire rails)을 포함하는 그룹 중에서 하나 이상을 구비하는, 추진 시스템.
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