KR20110064830A - 추력 측정 구동형 선박용 추력날개장치 - Google Patents

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KR20110064830A
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이진석
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삼성중공업 주식회사
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Abstract

본 발명에 따른 추력 측정 구동형 선박용 추력날개장치는 선박용 러더의 측면에서 회전가능하도록 마련된 추력날개와, 추력날개를 회전시킬 수 있는 회전구동부와, 추력날개 또는 회전구동부와 결합되어 추력날개에 작용하는 추력을 측정할 수 있는 추력측정센서와, 추력측정센서의 측정값에 따라 추력날개의 회전각도 제어치를 회전구동부에 전달하는 회전제어부를 포함하여, 추력날개의 추력을 측정함으로써, 국부적인 요소가 아닌 추력날개 주위의 전체 요소를 고려할 수 있는 효과가 있으며, 선박의 운항환경의 변화에 대하여 실시간으로 능동적인 제어를 수행하는 것이 가능한 효과가 있다.
러더, 추력날개, 받음각

Description

추력 측정 구동형 선박용 추력날개장치{THRUST FIN APPARATUS ROTATABLE BASED ON THRUST MESUREMENT}
본 발명은 선박용 러더의 측면에서 회전가능하도록 마련되어 추력을 발생시키는 선박용 추력날개장치에 관한 것으로서, 구체적으로, 추력의 측정치에 따라 회전 조정되어 선박용 프로펠러 후방에서 회전류로 인한 에너지 손실을 추력으로 변환시킴으로써, 선박의 효율을 향상시키는 추력 측정 구동형 선박용 추력날개장치에 관한 것이다.
일반적으로, 선박은 엔진 또는 터빈에 의하여 추진된다. 구체적으로, 엔진 또는 터빈에 의한 회전력이 엔진 또는 터빈의 회전축으로부터 연장된 축에 전달되고, 이러한 축의 회전에 의하여, 선박 후미부에서 축의 단부에 결합되어 마련된 프로펠러가 회전함에 의하여 선박은 추진된다.
하지만, 프로펠러의 회전에 의하여, 프로펠러 후방에는 회전류가 발생하게 되며, 이는 엔진 또는 터빈에서 발생되는 추진 에너지의 손실을 야기한다. 즉, 프로펠러는 회전에 의하여 주위 유체를 가속시키게 되고, 가속된 유체의 축방향 성분 은 선박의 추진에 사용되지만, 회전방향 성분은 선박이 추진되고자 하는 방향과는 무관하여, 결국 추진 에너지의 손실로 이어지게 된다.
따라서, 이러한 유체의 회전방향 성분에 의하여 손실되는 에너지를 회수하기 위하여 다양한 형태의 선미 부가물들이 연구되고 있으나, 그 용도의 제한성과 부가물의 설치비용, 및 복잡한 형상으로 인한 효율문제 등으로 그 연구에 어려움이 있다.
실선에 적용가능한 선미 부가물로서 현재 주목되고 있는 것은, 유체의 회전방향 성분을 축방향 성분의 힘으로 전환시키는 추력날개가 있다. 추력날개는 양력(lift)을 선박의 진행방향으로 발생시킴으로써, 회전류에 의한 에너지 손실을 회수하고자 하는 장치를 말하며, 일반적으로 선박의 러더에 마련된다. 이러한 추력날개는 회전력의 효과적인 전환을 위하여 선박의 러더에서 받음각이 조절가능하도록 마련된다.
종래의 추력날개장치를 살펴보면 도 1에 도시된 바와 같다.
종래의 추력날개(3)는, 축(6) 주위를 회전하는 프로펠러(5)의 후방에서 회전축에 결합되어 있는 러더(1,2)의 측면에 마련되어, 받음각 조절장치(7)에 의하여 회전 가능하도록 설치된다. 이 때, 받음각 조절장치(7)는 러더(1,2) 주위의 유체의 속도를 측정하는 센서(8, 9)에 의하여 측정된 유체의 속도에 따라 추력날개(3)의 받음각을 조절한다.
하지만, 종래의 추력날개장치는 추력날개(3)의 받음각을 조절함에 있어서, 센서(8, 9)가 설치되어 있는 특정 위치에서의 유체의 속도만을 그 기반으로 하고 있으며, 유체의 속도와 추력날개(3)에서 발생하는 추력의 경험적인 데이터만을 기초로 하여 추력날개(3)의 받음각을 조절하게 되므로, 부정확할 뿐만 아니라, 유속을 측정하는 위치도 일부 위치에만 국한되어, 센서(8, 9)의 위치에서 국부적으로 발생하는 유체의 급격한 흐름에 영향을 받게 되어, 결국 추력날개(3)의 받음각의 부정확한 조절을 야기하게 되는 문제점이 있다.
본 발명에 따른 추력 측정 구동형 선박용 추력날개장치는 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 추력날개의 유체 받음각을 정밀하고 효과적으로 조절할 수 있는 추력 측정 구동형 선박용 추력날개장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 추력 측정 구동형 선박용 추력날개장치는 선박용 러더의 측면에서 회전가능하도록 마련된 추력날개와, 추력날개를 회전시킬 수 있는 회전구동부와, 회전구동부와 결합되어 추력날개에 작용하는 추력을 측정할 수 있는 추력측정센서와, 추력측정센서의 측정값에 따라 추력날개의 회전각도 제어치를 회전구동부에 전달하는 회전제어부를 포함한다.
여기서, 추력날개, 회전구동부, 및 추력측정센서는 선박용 러더의 양측에 각 각 마련되고, 회전제어부는 회전구동부에 각각의 회전각도 제어치를 전달할 수 있다.
이 때, 회전제어부는 선박의 진행방향으로 추력이 최대가 되도록 회전각도 제어치를 전달할 수 있다.
여기서, 추력날개는 선박용 러더에 결합되는 러더벌브에 결합되어 있을 수 있다.
또한, 회전구동부는 상기 러더벌브의 내부에 위치할 수 있으며, 회전구동부는 추력날개에 회전력을 전달하는 구동축과, 구동축과 연결되는 구동부를 포함하되, 추력측정센서는 구동축에 결합되어 있을 수 있다.
또한, 추력측정센서는 스트레인 게이지일 수 있다.
본 발명에 따른 추력 측정 구동형 선박용 추력날개장치는 추력날개의 추력을 측정함으로써, 국부적인 요소가 아닌 추력날개 주위의 전체 요소를 고려할 수 있는 효과가 있으며, 선박의 운항환경의 변화에 대하여 실시간으로 능동적인 제어를 수행하는 것이 가능한 효과가 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 추력 측정 구동형 선박용 추력날개장치에 대하여 상세하게 설명한다. 이하의 구체적인 실시 예는 본 발명에 따른 추력 측정 구동형 선박용 추력날개장치를 예시적으로 설명하는 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 아니한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 추력 측정 구동형 선박용 추력날개장치의 개념도이고, 도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 추력 측정 구동형 선박용 추력날개장치의 구성도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 추력날개는 러더의 양측에 마련될 수 있으며, 이하에서는 먼저, 러더의 일측과 관련하여 설명하도록 한다. 이하의 설명은 러더의 타측에도 동일하게 적용될 수 있다. 또한, 러더의 각측에 추력날개가 2개 이상 마련될 수 있음은 물론이나, 이하에서는 러더의 각측에 추력날개가 1개 마련되는 경우에 대하여 설명하도록 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 추력 측정 구동형 선박용 추력날개장치는, 회전축에 연결되어 도 2의 지면 상방향을 중심축으로 하여 회전가능한 러더(20)의 측면에서 회전가능하도록 마련된 추력날개(40)를 구비하고 있다.
추력날개(40)는 유체의 유동을 직접 수용하게 되므로, 유체의 유동에 대한 저항을 최소화하기 위하여 익형(hydrofoil)의 단면형상을 가진다. 추력날개(40)는 주위의 유체 유동에 의하여 양력(lift)을 발생시키게 되며, 여기서 발생된 양력은 선박의 추력으로써 기능하게 된다.
이러한 추력날개(40)는 최대의 추력을 발생시키기 위하여, 선박의 운항환경에 따라 유체의 받음각(angle of attack)이 수정되어야 한다. 이는 선박의 운항속 도 내지 운항조건에 의하여 추력날개(40)가 발생시키는 추력은 변화하게 되며, 유체의 속도 등의 특정 조건에서 추력날개(40)가 최대 추력을 발생시킬 수 있는 받음각이 존재하기 때문이다.
여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 추력 측정 구동형 선박용 추력날개 장치는 추력날개(40)에 작용하는 추력을 측정하고, 추력날개(40)에서 이러한 추력이 최대가 되도록 추력날개(40)의 받음각을 조절하게 된다. 구체적으로, 선박의 운항환경이 결정되면, 소정범위의 각도로 추력날개(40)를 회전시키게 되며, 이러한 소정범위의 각도 범위 내에서 추력날개가 최대 추력이 발생되는 위치를 추력날개(40)의 받음각으로 결정하게 된다.
여기서, 소정범위란, 선박의 종류 내지 선박이 운항될 환경에 따라 최대 추력이 발생하게 되는 받음각을 포함하는 범위를 의미하게 되며, 일반적으로 10도 정도 음측 양측의 이격 범위일 수 있다. 즉, 소정범위는 추력날개(40)의 초기위치에서 -10도 ~ +10도의 범위일 수 있다. 따라서, 이러한 소정범위에 대하여 추력날개(40)를 회전시키면서 추력날개(40)가 최대의 추력을 발생시키는 받음각을 결정하고, 그 각도로 추력날개(40)의 받음각을 조정할 수 있다.
또한, 선박의 운항환경이 바뀔 때, 예를 들어 선박이 부두에서 원양으로 이동되다가 원양에서 선박이 정속으로 운항될 때 등의 선박의 운항환경이 바뀜에 따라 선박의 운항속도가 바뀔 때, 운항속도가 정속이 되는 초기단계에서 이러한 조정을 수행할 수 있다.
도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 추력 측정 구동형 선박용 추 력날개장치를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
추력날개(40)는 추력날개(40)를 회전시킬 수 있는 회전구동부(42, 44)와 연결되어 있다. 여기서, 회전구동부(42, 44)는 모터일 수 있으며, 회전을 위한 동력은 선박의 전력시스템으로부터 공급받을 수 있다.
회전구동부(42, 44)는 회전력을 발생시키는 구동부(42)와 구동부에서 발생된 회전력을 전달하는 구동축(44)을 포함할 수 있으며, 여기서, 구동축(44)이 추력날개(40)와 결합되어 있을 수 있다. 구동축(44)과 추력날개(40)는 용접 등의 일반적인 금속간의 결합방법이 사용될 수도 있으며, 초기제작단계에서부터 추력날개(40)에 구동축(44)이 결합된 상태로 제작될 수 있다. 또한, 회전구동부(42, 44)는 소정 단위각도만큼씩 회전가능하도록 스텝모터를 구동부(42)로 채용할 수 있음은 물론이다.
추력날개(40)의 받음각이 변화될 필요가 있는 경우, 구동부(42)는 소정범위만큼 구동축(44)을 회전시키게 되며, 구동축(44)에 연결되어 있는 추력날개(40)는 구동축(44)의 회전에 따라 회전시키게 된다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 추력 측정 구동형 선박용 추력날개장치에는 추력날개(40)에서 발생되는 추력을 측정하기 위한 추력측정센서(46)가 마련된다. 추력측정센서(46)는 추력날개(40)가 연결되어 있는 구동축(44)에 결합되어 추력날개(40)의 추력을 구동축(44)에서 측정할 수 있도록 위치될 수 있다. 여기서, 추력날개(40)에 직접 부착되어 추력날개(40)의 추력을 측정할 수 있음은 물론이다.
여기서, 추력측정센서(46)는 스트레인 게이지를 포함하여 구성될 수 있으며, 추력날개(40)가 추력을 발생시키기 위하여 발생시키는 양력을 측정함으로써 추력을 측정할 수 있도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 추력날개(40) 주위의 유체의 유동에 의하여 추력날개(40) 상부 및 하부, 즉 음의 압력부와 양의 압력부 간의 압력차이에 의하여 양력이 발생하거나 유체의 유동에 의하여 직접 양력이 발생하게 되고, 이러한 양력은 추력날개(40)에 작용하는 힘으로 작용하게 된다. 이 때, 이러한 힘으로 구동축(44)의 미세한 변화가 스트레인 게이지에 의하여 측정될 수 있게 되며, 이러한 측정결과에 의하여, 당해 추력날개(40)의 형상 및 받음각에 있어서 추력날개(40)의 추력이 측정될 수 있게 된다.
이러한 추력측정센서(46)는 추력날개(40)의 받음각에 있어서 실제 추력날개(40)에 작용하는 힘의 요소를 측정한다는 점에서, 추력날개(40) 부근의 일부 위치에서의 유속 측정 등의 방법과는 달리, 추력날개(40)의 형상 등의 요소 및 추력날개(40) 주위의 유동 등의 총체적인 요소를 모두 반영한 결과를 측정 내지 계측하게 된다.
추력측정센서(46)에서 측정한 측정값은, 도면으로 도시하지는 않았으나, 러더(20) 또는 러더벌브(30) 내에 위치하거나 또는 추력측정센서(46)와 유선 또는 무선의 네트워크 망으로 연결되어 있는 선박 내의 특정위치에 위치하는 회전제어부(미도시)로 전달된다. 회전제어부는 이러한 측정값을 전달받아, 추력날개(40)에서 최대 추력이 발생하게 되는 각도를 인식하게 되며, 추력날개(40)가 최대 추력이 발생하는 받음각을 갖도록 추력날개(40)를 회전시키기 위하여 추력날개(40)의 회전각 도 제어치를 회전구동부(42, 44)에 전달하게 된다.
이렇게 전달된 제어치에 기초하여 회전구동부(42, 44)는 추력날개(40)를 최대 추력이 발생하는 받음각을 갖도록 회전시키게 되고, 이에 따라, 추력날개(40)는 주어진 선박의 운항환경에 있어서, 추력날개(40)가 실질적으로 최대 추력을 발생시킬 수 있는 받음각을 갖도록 조절된다.
여기서, 선박용 러더(20)의 양측에 추력날개(40), 회전구동부(42), 및 추력측정센서(44)가 마련될 수 있으며, 이 경우에 있어서, 추력날개(40)가 최대 추력을 발생시키도록 받음각을 조절하는 회전제어부(미도시)의 받음각 조절에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다. 회전제어부는 선박용 러더(20)의 양측에 대하여 각각 마련될 수도 있고, 선박용 러더(20) 양측의 회전구동부(42, 44)를 통합제어하도록 하나의 구성으로 마련될 수도 있으나, 이하에서는 이를 모두 포함하여 하나의 구성으로 설명하도록 한다.
선박의 프로펠러(도 1의 참조번호 5 참조)는 선박의 진행방향에 따라, 일방향으로 회전하게 되며, 이에 따라 프로펠러에 의하여 유발된 유체의 유동에는 선박용 러더(20)의 일측으로부터 타측으로(또는 타측으로부터 일측으로) 이동하는 유동성분이 포함되게 되어, 결국 선박용 러더(20)의 일측과 타측의 유동분포는 동일하지 않게 되는 것이 일반적이다.
이에 따라 선박용 러더(20)의 양측에서 각각 추력날개(40)가 최대의 추력을 발생시키는 받음각은 서로 상이하게 되며, 회전제어부는 선박용 러더(20)의 일측과 타측에 각각 마련되어 있는 추력측정센서(44)로부터 각각 측정값을 전달받아, 각각 의 회전구동부(42, 44)에 각각의 회전각도 제어치를 전달하게 된다. 여기서, 이러한 각각의 회전각도 제어치에 따라 선박용 러더(20)의 일측 및 타측에 마련되어 있는 추력날개(40)의 받음각은 독립적으로 제어되게 된다.
이 때, 회전제어부는 선박용 러더(20)의 양측에서 각각 추력날개(40)가 발생시키는 추력의 합이 선박의 진행방향으로 최대가 되도록 제어하게 된다. 구체적인 예로, 선박이 전진하는 경우에는, 선박용 러더(20)의 양측에 마련된 추력날개(40)에서 발생하는 각각의 추력의 합이 선박의 전진방향으로 최대가 되는 회전각도 제어치를 각각의 회전구동부(42, 44)에 전달하게 되며, 이는 결국 선박용 러더(20)의 양측에서 추력날개(40)의 받음각이 선박의 전진방향으로 추력이 최대가 되도록 조절되는 것을 의미한다.
이는 앞서 상세하게 설명한, 추력측정센서(46)에서 전달되는 선박용 러더(20) 양측 각각의 측정치 벡터합으로 연산가능하게 되며, 이러한 연산을 바탕으로 회전제어부는 측정치 벡터합이 선박 진행방향으로 최대가 되도록 회전구동부에 회전각도 제어치를 전달하게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 추력 측정 구동형 선박용 추력날개장치의 작용을 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
선박이 운항하기 시작하거나 또는 선박의 운항환경이 바뀌게 되는 경우, 회전구동부(42, 44)는 소정각도, 예를 들어 추력날개(40)의 초기위치에서 -10도 ~ +10도의 범위 내에서 추력날개(40)를 회전시키며, 추력측정센서(46)는 소정단위(예를 들어 0.1도 ~ 1도) 또는 연속적으로 추력날개(40)에서 발생되는 추력을 측정한 다. 다만, 소정각도는 음양 10도의 범위가 아닌 음양 20도의 범위 등으로 그 회전 범위가 넓어질 수 있음은 물론이다.
여기서, 이러한 추력의 측정은 추력날개(40)에서 발생되는 양력에 기초하여 측정될 수 있다. 즉, 추력날개(40)가 받는 양력을 측정하고, 이를 기반으로 추력날개(40)에서 발생되는 추력이 측정될 수 있다.
이렇게 측정된 측정값은 회전제어부(미도시)에 전달되며, 회전제어부는 추력의 분포에서 추력이 최대로 되는 추력날개(40)의 받음각을 인식하고, 이를 기초로 추력날개(40)의 회전각도 제어치를 회전구동부(42, 44)로 전달하게 된다.
회전구동부(42, 44)는 전달받은 회전각도 제어치를 기초로 추력날개(40)를 회전시키게 되며, 이로써 특정 선박의 운항환경에서 추력날개(44)가 최대의 추력을 발생시키도록 받음각이 조절되게 된다.
여기서, 물론 선박의 러더 또는 러더벌브의 양측에 각각 추력날개가 마련될 수 있음은 물론이며, 이 경우 각각의 추력날개의 받음각은 독립적으로 조절될 수 있다.
이상 본 발명의 구체적인 실시형태를 참조하여 본 발명을 설명하였으나, 이는 예시에 불과하며 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다. 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 설명된 실시형태들을 변경 또는 변형할 수 있다. 본 명세서에서 설명된 각 구성요소들은 공지된 다양한 소자들로 구현 또는 대체될 수 있으며, 각각 별개로 구현되거나 2 이상이 하나로 통합되어 구현될 수도 있다. 본 명세서에서 설명된 각 구성요소들은 공지된 다양한 소자들로 구현 또는 대체될 수 있으며, 각각 별개로 구현되거나 2 이상이 하나로 통합되어 구현될 수도 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시형태가 아니라 첨부된 청구범위 및 그 균등물에 의해 정해져야 한다.
도 1은 종래 기술에 따른 선박용 추력날개장치를 간략히 도시한 도면이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 추력 측정 구동형 선박용 추력날개장치의 개념도이고,
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 추력 측정 구동형 선박용 추력날개장치의 구성도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
20: 러더 30: 러더벌브
40: 추력날개 42: 구동부
44: 구동축 46: 추력측정센서

Claims (7)

  1. 선박용 러더의 측면에서 회전가능하도록 마련된 추력날개와,
    상기 추력날개를 회전시킬 수 있는 회전구동부와,
    상기 추력날개 또는 상기 회전구동부와 결합되어 상기 추력날개에 작용하는 추력을 측정할 수 있는 추력측정센서와,
    상기 추력측정센서의 측정값에 따라 상기 추력날개의 회전각도 제어치를 상기 회전구동부에 전달하는 회전제어부를 포함하는
    추력 측정 구동형 선박용 추력날개장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 추력날개, 상기 회전구동부, 및 상기 추력측정센서는 상기 선박용 러더의 양측에 각각 마련되고,
    상기 회전제어부는 상기 회전구동부에 각각의 회전각도 제어치를 전달하는
    추력 측정 구동형 선박용 추력날개장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 회전제어부는 상기 선박의 진행방향으로 추력이 최대가 되도록 회전각 도 제어치를 전달하는
    추력 측정 구동형 선박용 추력날개장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 추력날개는 선박용 러더에 결합된 러더벌브에 회전가능하도록 결합되는
    추력 측정 구동형 선박용 추력날개장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 회전구동부는 상기 러더벌브의 내부에 위치하는
    추력 측정 구동형 선박용 추력날개장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 회전구동부는 상기 추력날개에 회전력을 전달하는 구동축과, 상기 구동축과 연결되는 구동부를 포함하고,
    상기 추력측정센서는 상기 구동축에 결합되어 있는
    추력 측정 구동형 선박용 추력날개장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 추력측정센서는 스트레인 게이지인
    추력 측정 구동형 선박용 추력날개장치.
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CN105527067A (zh) * 2015-11-27 2016-04-27 湖北三江航天红峰控制有限公司 一种用于舵片角度偏转及锁紧的装置
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