KR20120050520A - 기계적으로 구동되는, 허브없는 고효율 선박 추진기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기계적으로 구동되는 허브없는 고효율 선박 추진기로서, 링 내부에 날개(10)를 갖는 적어도 하나의 로터를 구비하되, 기어림이 장착된 로터는 회전력의 전달을 위해 스프로켓(2)을 지닌 축(1)을 통해 선박 엔진과 연결되고, 상기 로터는 덕트(8) 내에 배치되고, 상기 로터의 회전하는 날개(10)는 개별적으로 피치 가변되게 형성되고, 매 회전 시에 날개의 피치는 국지적 흐름 조건에, 특히 상기 덕트(8) 내 유입류 조건에 지속적으로 맞추어질 수 있는 선박 추진기에 관한 것이다.

Description

기계적으로 구동되는, 허브없는 고효율 선박 추진기{MECHANICALLY DRIVEN, HUBLESS, HIGH-EFFICIENCY SHIP PROPULSOR}

본 발명은 기계적으로 구동되는 허브없는 고효율 선박 추진기에 관한 것이다.

선박을 위한 추진 장치들은 다양한 형태, 예컨대 선박 프로펠러의 형태로 공지되어 있다. 종래의 고정 피치 프로펠러(fixed pitch propeller)들은 프로펠러 날개(blades)가 부착되는 허브(hub)가 그 중앙에 설치되는 것이 필요하다는 단점이 있다. 특히, 이른바 가변 피치 프로펠러(controllable pitch propeller, CPP), 즉 프로펠러 날개가 작동 중에 자신의 피치(경사각)와 관련하여 변경될 수 있는 프로펠러의 허브는 크다.

또한 공지된 선박 프로펠러는 주로 트윈 프로펠러(twin propeller)의 경우에 베어링 블록 및 구동축을 필요로 하되, 이 구동축은 회전 및 저항을 발생시키는데, 이 저항은 가능한 작게 유지되어야 한다.

우수한 추진 효율을 달성하는 것은 이전부터 추구해오고 있는 과제이다. 그러나 지금까지 선박 프로펠러 시스템의 효율이 75%를 초과하지 못하였다. 이는 원주 방향으로 연장되는 프로펠러 날개에서 끝단 와류 캐비테이션(tip vortex cavitation)도 고려되어야 하기 때문이다.

위에서 언급된 단점을 가진 프로펠러 외에 이른바 림 구동 스러스터(Rim-Drive-Thruster)도 공지되어 있다. 이 추진기는 외부 로터(external rotor)로서, 그 날개는 외부에서 구동되는 링으로부터 안쪽을 향한다. 최신 림 드라이브는 일반적으로 전기로 구동되고 전기 링 모터(ring motor)를 구비한다. 이 전기 링 모터로 인해, 특히 선수 스러스터(bow thruster)와 같은 유닛을 제공할 수 있는 매우 조밀한 구조가 형성된다. 공지된 전기 림 구동 장치는 선뜻 보기에 매력적이지만, 상대적으로 낮은 효율을 지닌다. 이는 전기 에너지 생산의 개별 효율이 낮고 전기 에너지를 회전 에너지로 전환함으로써 총 효율이 저하되기 때문이다.

본 발명의 목적은 다양하게 이용되는 피치 가변되지 않는 날개를 구비한 전기 림 드라이브 보다 실질적으로 개선된 효율을 지닌 추진기를 제공하는 데 있다. "마린 로그(marinelog)"지의 논문이 그에 대한 예시를 제공하며, 롤스 로이스(Rolls Royce) 사의 디자인을 보여주는 이 논문은 http://www.marinelog.com에 공개되어 있다.

림 드라이브를 이용함으로써 선박의 선미부 저항은 선박 부속물이 생략됨으로써 거의 감소될 수 있다. 그러나 회전 에너지에서 전기 에너지로, 다시 회전 에너지로의 전환을 필요로 하는 추진기의 효율은 여전히 불량하다. 따라서 본 발명의 틀 내에서 선박 추진기에 대해 기계식 구동 장치가 전통적인 기어림(gear rim)/스프로켓 장치와 함께 이용되는 것이 가능하다. 그렇게 함으로써 종래 형태의 프로펠러 구동 장치에 비해 효율이 현저히 증가되고 선미부 저항이 분명하게 개선된다.

추진기 내에서 날개가 피치 가변되게 형성되고 추진기 내의 국지적 흐름 조건에 피치가 지속적으로 맞추어질 때에 실질적인 효율 개선이 나타난다. 피치(기울기)가 국지적 흐름 조건에 맞추어지는 것은 각 개별 날개에 대해 별도로 날개의 위치에 따라 원주 방향으로 이루어진다. 즉 회전하는 동안 날개 위치는 지속적으로 변한다. 이러한 날개 위치 변화는 가이드 슬라이더와 가이드 레일에 의해 이루어지며, 이들의 형태는 선박의 반류(slipstream) 영역에 좌우된다. 이러한 신규하고 진보한 실시예를 통해 추진기의 효율은 더욱 현저히 증대될 수 있는데, 이는 추진기 내의 물의 다양한 흐름 조건이 고려될 수 있기 때문이다. 추진기 내의 물의 가속화는 유입 조건과 상관없이 최적화되게 이루어질 수 있다. 이는 생성되는 추진력에 긍정적인 영향을 미친다. 추진기의 기울기가 선박을 환류하는 물의 흐름 방향에 적응되게끔 조절되는 것도 추진력에 긍정적인 영향을 미친다.

본 발명의 실시예에서, 날개의 피치는 국지적 흐름 조건에 기계적으로 특히 가이드 레일, 슬라이드 레일, 및 가이드 슬라이더에 의해 맞추어진다. 가이드 슬라이더와 가이드 레일이 이용됨으로써 피치에 대해 내구성 있고 신뢰할 만한 기계적 해결책이 제공된다. 이와 관련하여 기계적 시스템을 이용하여 높은 작동 신뢰성이 달성될 수 있다는 점이 예컨대 포이트 슈나이더(Voith Schneider) 구동 장치에 의해 공지되고 있다. 가이드 레일의 형태는 선박의 반류 영역에 좌우되고 국지적 흐름 비율에 상응하여 추진기의 효율은 높이고 캐비테이션은 근소하도록 설계된다.

또한 높은 작동 신뢰성은 각각의 개별적인 날개의 피치가 편심 드라이브에 의해 이루어질 때 제공된다. 편심 드라이브는 특히 내구성이 있으며 다양한 기계 유형, 특히 리프팅 높이가 조절되는 프레스에서 입증되었다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 피치가 국지적 흐름 조건에 맞추어지는 것은 전기 서보 모터에 의해 이루어진다. 전기 서보 모터, 특히 지속적으로 여기되는 링 모터 형식의 서보 모터도 높은 작동 신뢰성을 지니며, 회전 속도가 피치에 따라 제어되는 방식으로 조정될 수 있다는 장점이 있다.

날개의 피치 가변 범위는 전진 추력부터 후진 추력으로 전환될 수 있도록 고안된다.

구동 장치 자체에 대해서는 외부에 놓인 기어림을 갖는 로터가 선택되는 것이 매우 바람직한데, 이때 외부 기어림과 스프로켓의 잇수는 추진기와 선박 엔진 사이에 기어가 필요하지 않도록 선택된다. 또한 이러한 조치를 통해 구동 장치의 효율이 상당히 증대될 수 있고, 그리하여 지금까지 도달하지 못한, 선박 구동 장치의 높은 효율이 제공된다.

본 발명의 추가 실시예에서, 추진기는 더블 추진기로 형성된다. 즉 2개의 추진기가 나란히 배치된다. 이렇게 함으로써 물 흐름이 선미에 인접될 수 있기 때문에 선박의 반류 거동이 매우 바람직하게 개선된다.

구동축의 기울기는 유입류의 방향에 맞추어질 수 있다. 이로 인해 선체가 더욱 깊게 가라앉게 되고, 그렇게 됨으로써 선박의 질량 중심이 아래로 이동되며, 이는 선박의 안정성에 바람직한 영향을 미친다.

본 발명의 추가 실시예에서, 추진기는 물의 흐름 방향으로 연속하여 배치되는, 반대 방향의 로터 2개를 구비한다. 따라서 특히 바람직하게는, 추진기로부터 유출되는 워터 제트가 더 이상 회전하지 않으며, 즉 워터 제트의 회전 에너지도 추진력을 위해 이용될 수 있게 된다. 특히 단순한 실시예로서, 전방 로터의 워터 제트 내에 위치하는 제2 로터는 배제되고, 그 대신 회전하지 않는 안내 날개(고정자)가 이용될 수 있다. 안내 날개의 블레이드는 예컨대 추력 방향 변경 및 천해에서의 지면 효과를 통해 유입류의 변화에 맞추어 피치의 일반적인 조정이 가능하다.

반대 방향 회전하는 프로펠러 날개를 지닌 선박 구동 장치는 일반적으로 당업계로부터 권장되지 않는다. 왜냐하면 그러한 선박 구동 장치는 높은 캐비테이션 위험이 예상되기 때문이다. 그러나 이러한 캐비테이션은 끝단 와류 캐비테이션이며, 본 발명에 따른 추진기는 그에 대응하는 프로펠러 날개 끝단(익단)을 외경(outside radius)으로 구비하지 않기 때문에 본 발명에서는 그에 상응하는 캐비테이션 위험을 고려하지 않아도 된다. 즉 물을 가속 추진하는, 효율이 개선된, 반대 방향 회전하는 엘리먼트의 배치 구조를 그대로 이용할 수 있게 된다. 이와 관련하여 회전하지 않는 안내 날개를 이용하는 것도 가능하다. 물론, 회전하지 않는 안내 날개는 회전하는 로터만큼 매우 우수한 효율을 대등하게 형성하지는 않는다. 날개 뿌리를 외부 림 기어에 결합하는 것은 구 형태(spherical)로 형성되며, 이는 날개의 입사각(approach angle)의 변화 시에 틈새 형성 및 그와 더불어 캐비테이션을 방지하기 위함이다.

종래의 선박 프로펠러에 비해 유체 역학적 개선을 위해 덕트가 선저에 적어도 부분적으로 통합될 수 있고, 또한 구동축도 적어도 부분적으로 선박의 이중 바닥(double bottom)에 배치될 수 있다. 따라서, 선미 영역에서 저항이 적은 선박 하부면의 형상이 제공되고, 이는 선박 시스템 - 선박 구동 장치의 효율을 추가로 개선하는 데에 기여한다.

선박 추진기 시스템의 추가 개선을 위해 추진기의 속도 및 날개 위치는 추진기를 향하는 유입류가 선박 저항에 미치는 영향과 관련하여 최적화될 수 있으며, 이를 위해 선박의 종경사(trim) 위치 및 부하 상태 그리고 추가의 영향 변수들, 예컨대 흘수선 아래 선체의 (부착물) 및 상태가 고려될 수 있다. 또한 추진기 외부에 있으나 역시 효율에 영향을 미치는 영향력들도 고려된다. 제어부는 바람직하게는 비휘발성 메모리(non-volatile memory)를 구비하는데, 이 비휘발성 메모리 내에는 비교 조건들, 특히 종경사 위치와 부하 상태, 그리고 추진기와 관련하여 선박 운행에 기초가 될 수 있는 내용들이 입력된다.

도 1은 선미 구성의 예를 도시하는 개략도이다.
도 2는 로터로의 출력 전달을 도시하는 측면도이다.
도 3은 날개를 로터에 결합하는 것을 도시하는 측면도이다.
도 4는 날개의 입사각 제어를 도시하는 정면도이다.
도 5는 추진 방향 제어를 확대하여 도시하는 평면도이다.

본 발명은 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명되며, 도면으로부터 추가의 진보적인 상세 내용을 알 수 있다.

특히 흐름에 유리한 선미 구성을 보여주는 도 1에서, 참조부호 21은 선저를 20은 로터의 외부 기어림을 나타낸다. 참조부호 10은 로터의 날개를 8은 덕트를 나타내며, 이 덕트 내에서 각각의 로터가 회전한다. 2개의 로터 사이에는 선저 연장부, 이른바 데드우드(deadwood)가 아래 쪽으로 연장된다.

경우에 따라, 스프로켓과 외부 기어림을 위해 이용되는 세척 장치, 예컨대 특히 항구에 오래 정박한 후에 스프로켓과 기어림의 세척을 위해 이용될 수 있는 고압 세척 노즐은 도시되지 않는다.

로터로의 출력 전달 흐름을 도시하는 도 2에서, 참조부호 1은 제1 로터에 대한 출력 전달을 위한 스프로켓(2)을 포함하는 로터 2개에 대한 구동축을 나타내고 3은 회전 방향 변경을 위한 기어림을 나타낸다. 참조부호 4는 제1 로터를, 5는 제2 로터를 가리킨다. 참조부호 6은 제2 로터에 대한 출력 전달을 나타내고, 8은 그 내부에서 로터가 돌아가는 덕트를 나타낸다. 참조부호 7은 로터에 대한 베어링을 나타내고, 로터의 회전 방향은 참조부호 17 및 18로 표시된다. 참조부호 20은 후방 로터에 대한 기어림을 나타내고, 반면에 19는 전방 로터에 대한 기어림을 나타낸다. 후방 로터에 대한 기어림은 반대 방향 회전하는 구성이 선택되지 않고 고정자가 이용되면 생략될 수 있다.

날개가 로터에 결합된 것을 측면도로 도시하는 도 3에서, 참조부호 10은 개별적인 날개를 나타낸다. 본 도면으로부터 중앙에 허브가 필요하지 않다는 점도 알 수 있다. 이는 흐름 조건을 개선하고 덕트 가운데로의 관류를 가능하게 한다. 날개 위치 제어는 가이드 슬라이더를 통해 이루어진다. 가이드 슬라이더는 로터에 고정되고, 참조부호 13 및 15로 표시되는, 가이드 슬라이더(11b)를 위한 가이드 레일과 함께 회전한다(도 5도 참조). 각각의 로터가 하나의 가이드 레일만 구비하면 될 때 특히 바람직하다. 가이드 레일의 형상은 선박의 반류 영역에 좌우된다. 로터의 회전 방향은 17, 18로 표시된다. 이때, 후방 로터의 회전 방향은 반대 방향 회전하는 구성이 아니라 고정자가 이용되는 경우에는 생략될 수 있다. 참조부호 19는 전방 로터의 기어림을 나타내고 20은 후방 로터의 기어림을 나타낸다. 후방 로터는 반대 방향 회전하는 구성이 사용되지 않을 시에는 물론 생략될 수 있다.

도 4는 개별 날개의 입사각 제어를 확대된 축적으로 도시한 정면도이다. 날개(10)는 베어링(7) 내에서 자신의 회전과 관련하여 기어림(12)에 의해 구동되어 회전한다.

도 5는 날개 제어의 세부 사항을 도시한다. 참조부호 11b는 슬라이드 레일(11a) 상에서 왕복 운동하는 가이드 슬라이더를 나타낸다. 참조부호 4와 5는 제1 로터 혹은 제2 로터를 가리킨다. 이미 언급한 바와 같이, 참조부호 13 혹은 15는 날개의 입사각 제어를 위한 가이드 레일이다. 참조부호 16은 가이드 슬라이더를 가이드 레일에 고정하기 위한 롤러를 가리킨다.

본 발명에 따른 추진기는 추진 방향의 무단(stepless) 조종이 가능하다는 점이 특히 장점이다. 평면도에서 물의 유입 방향은 0으로 표시되고, 전방 로터의 회전 방향은 17로, 후방 로터의 회전 방향은 18로 각각 표시된다.

도 5에 도시되는 바와 같이, 2 개의 가이드 레일 시스템(13 및 15)은 축 방향으로 서로를 향해 또는 서로 이격되게 액추에이터(14)에 의해 변위된다. 이러한 변위가 각각의 날개의 뿌리와 연결되어 있는 기어림(12)의 피치 변화를 초래하며, 그로 인해 날개 기울기가 변하게 된다. 그렇게 됨으로써 추진 방향이 무단 조종될 수 있다. 즉 구동축의 회전 방향을 교체하는 일 없이 구동 장치가 추진 방향을 전진에서 후진으로 바꿀 수 있다. 따라서 각각의 로터의 작동점이 주 엔진의 최상의 작동점에 맞추어질 수 있다.

총괄적으로 본원에 첨부된 도면들에 도시된 실시예는 종래 기술에 비해 다음과 같은 장점을 제공한다.

날개의 입사각이 회전하는 동안 정확하고 지속적으로 국지적 흐름 조건에 맞추어짐으로 인한 캐비테이션의 감소.

구동 출력이 2 개의 로터에 분배됨으로써, 즉 부하 요인이 2등분됨으로 인한효율 증대.

일반적인 반대 방향 회전 프로펠러의 단점없이, 반대 방향 회전(상반 회전) 원리 이용, 제2 로터를 통해 더 많은 추력을 생산하기 위해 제1 로터의 회전 에너지를 이용함으로 인한 효율 증대.

프로펠러 허브를 생략함으로써 종래 가변 피치 프로펠러에 비해 로터 날개의 입사각의 기계적 제어 용이.

회전하는 동안 날개의 입사각이 지속적으로 조절됨으로써 비틀린 패턴의 날개 형태를 이용할 필요가 없고 이로 인해 날개 형상에 대한 제조 비용의 감소.

추진 방향의 정확한 제어에 의한 선박의 조종성 증대.

구동 장치 당 2 개의 로터를 이용함으로써 추진력 여유 증대.

구동축이 선체 내부에 위치함으로써 구동축 손상에 대한 안전성 증가. 이는 선체에 통합되는 로터 내에 위치하는 로터에도 해당된다.

구동 장치는 고정 피치 프로펠러를 가진 프로펠러 구동 장치 보다 물론 복잡하다. 그러나 본 발명에 따른 구동 장치의 메커니즘은 포이트 슈나이더 구동 장치와 같이 제어 가능하다. 그러나 그 효율은 포이트 슈나이더 구동 장치에 비해 현저하게 더 높고, 두 개의 추진기가 나란히 배치되는 구조, 즉 바람직한 구조로 선체의 우수한 방향 안정성이 제공된다. 또한 2 개의 추진기의 다양한 추력 조정을 통해 회전력을 지원하는 것도 가능하다.

Claims (14)

1. 기계적으로 구동되는, 허브없는 고효율 선박 추진기로서, 링 내부에 날개(10)들을 갖는 적어도 하나의 로터를 구비한 선박 추진기에 있어서, 기어림이 장착된 상기 로터는 회전력을 전달하기 위해 스프로켓(2)을 지닌 축(1)을 통해 선박 엔진과 연결되고, 상기 로터는 덕트(8) 내에 배치되고, 상기 로터의 회전하는 날개(10)는 개별적으로 피치 가변되게 형성되고, 매 회전 시에 날개의 피치는 국지적 흐름 조건에, 특히 덕트(8) 내의 유입류에 지속적으로 맞추어질 수 있고, 바람직하게 추진기의 기울기는 흐름 방향에 맞추어질 수 있는 것을 특징으로 하는 선박 추진기.
2. 제1항에 있어서,
   피치가 국지적 흐름 조건에 지속적으로 맞추어지는 것은 기계적으로, 특히 가이드 레일(13, 15), 슬라이드 레일(11a) 및 가이드 슬라이더(11b)에 의해 이루어지고, 가이드 레일(13, 15)의 형상은 선박의 반류 분포에 좌우되는 것을 특징으로 하는 선박 추진기.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   추진 방향은 가이드 레일의 변위에 의해 역전될 수 있는 것을 특징으로 하는 선박 추진기.
4. 제1항에 있어서,
   각각의 개별적인 날개의 피치가 국지적 흐름 조건에 지속적으로 맞추어지는 것은 편심 드라이브에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 추진기.
5. 제1항에 있어서,
   피치가 국지적 흐름 조건에 지속적으로 맞추어지는 것은 전기 서보 모터 혹은 유압식 액추에이터에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 추진기.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 로터는 외부에 놓인 기어림(19, 20)을 구비하고, 외부 기어림(19, 20)과 스프로켓(2, 6)의 잇수는 추진기와 선박 엔진 사이에 기어가 필요하지 않도록 선택되는 것을 특징으로 하는 선박기.
7. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항 또는 복수의 항에 있어서,
   상기 추진기는 이중 추진기로서 형성되는 것을 특징으로 하는 추진기.
8. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항 또는 복수의 항에 있어서,
   상기 추진기는 물의 흐름 방향으로 잇달아 배치되는 2개의 로터를 구비하고, 이 로터들은 바람직하게는 반대 방향 회전하는 로터들로서 형성되는 것을 특징으로 하는 추진기.
9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   흐름 방향으로 로터 전방에는 회전하지 않는 안내 날개(고정자)가 배치되고, 상기 고정자의 날개는 특히 유입류의 변화에 상황에 따라 맞추어지되, 예컨대 천해에서 지면 효과를 통해 또는 추력 방향의 변화를 통해 맞추어질 수 있는 것을 특징으로 하는 추진기.
10. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항 또는 복수의 항에 있어서,
    상기 덕트(8)는 상기 선저(21) 혹은 데드우드 내에 적어도 부분적으로 통합되는 것을 특징으로 하는 추진기.
11. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항 또는 복수의 항에 있어서,
    상기 구동축(1)은 적어도 부분적으로 선박의 이중 바닥에 혹은 포드(pod) 내에, 또는 데드우드 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 추진기.
12. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항 또는 복수의 항에 있어서,
    상기 추진기는 선박 엔진이 최적의 작동 조건에 도달되도록 프로펠러 날개를 조정하는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 추진기.
13. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항 또는 복수의 항에 있어서,
    상기 추진기는 반류 영역의 영향을 고려하여, 에컨대 선박의 종경사 위치 및 부하 상태 그리고 경우에 따라 추가의 영향 변수를 고려하여 추진기의 속도 및 날개 위치를 최적화하는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 추진기.
14. 작동되는 동안 피치 가변되는 날개와 기계적 구동 장치를 구비하는 추진기, 특히 이중 추진기를 적어도 부분적으로 선저에 통합시켜 사용하는 것을 특징으로 하는 선박.

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