KR20120093521A - 에너지 회수 장치를 구비한 선박 - Google Patents

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삼성중공업 주식회사
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Abstract

에너지 회수 장치를 구비한 선박이 개시된다.　에너지 회수 장치를 구비한 선박은 선체; 선체에 회전 가능하게 결합되고, 추력을 발생시키는 추진 프로펠러; 추진 프로펠러의 후방에서 선체와 결합되는 러더 혼; 추진 프로펠러와 대향하도록 러더 혼에 회전 가능하게 결합되고, 추진 프로펠러의 회전시 발생된 후류에 의해 회전하는 발전 프로펠러; 및 러더 혼의 내부에 위치하며 발전 프로펠러의 회전축과 연결되어 전기를 생산하는 에너지 회수부를 포함한다.

Description

에너지 회수 장치를 구비한 선박 {SHIP HAVING ENERGY RECOVERY DEVICE}
본 발명은 에너지 회수 장치를 구비한 선박에 관한 것이다. 보다 상세하게는 추진 프로펠러에서 발생하는 후류를 에너지로 회수할 수 있도록 한 에너지 회수 장치를 구비한 선박에 관한 것이다.
일반적으로 선박은 추진력을 발생시키는 추진기와, 이 추진기로부터 발생된 추진력을 이용하여 선박의 진행방향을 조정하는 러더를 포함한다.
추진기는 선체에 설치된 엔진(engine)과, 이 엔진의 회전축과 연결되며 선체의 외측으로 돌출된 프로펠러(propeller)를 포함하며, 이 프로펠러를 회전시킴에 따라 추진력을 발생시킨다.
이러한 프로펠러는 선체의 선미부 하부에 위치된다.　 또한, 선체에는 프로펠러의 후방에서 선박의 진행방향을 조정하기 위한 러더가 설치된다.
러더는 선체에 대해 회전 가능하게 설치되며, 프로펠러로부터 발생된 추진력의 작용방향을 변경하여 선박의 진행방향을 조정한다.
일반적으로 선박의 추진기로 사용되는 프로펠러는 주 엔진에서 발생하는 동력의 70% 정도만을 선박을 운항하는 추진력(thrust)으로 사용하고 나머지 엔진의 동력은 프로펠러 마찰, 열 손실 및 프로펠러 후방의 회전류로 낭비되게 된다. 이중 프로펠러 후방의 회전류에 의해 손실되는 에너지는 회수가 가능하며, 이러한 에너지를 회수하기 위한 기술 개발이 요구되고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 에너지 회수부가 구비된 선박의 부분도이다. 도 1를 참조하면, 선체(1)의 프로펠러(3) 뒤 쪽에 러더 혼(4)과 러더 블레이드(2)로 구성된 러더가 배치된다. 프로펠러(3)의 뒤 쪽의 러더 혼(4)에 프로펠러(3)의 후류를 받고 회전하는 에너지 회수용 프로펠러(5)를 설치하고 베벨기어(7, 8)와 샤프트(9) 등으로 구성된 회전 전달 수단(10)을 통하여 선체(1) 내의 발전장치(11)에 회전력을 전달하여 에너지를 회수한다.
그러나, 종래 기술에 따른 에너지 회수부가 구비된 선박은 러더 혼(4)에 달려있는 에너지 회수용 프로펠러(5)와 선체(1) 내에 위치하는 발전장치(11) 사이를 이어주는 축계 시스템이 과도하게 길어지며, 이를 연결하는 베벨기어 시스템에 의해 축 손실(5% 이상)이 발생할 뿐 아니라 긴 축을 포함한 베벨기어를 사용함으로써 축 배열 상의 불일치(misalignment)로 인해 과도한 진동 문제가 발생하는 문제점이 있다.
본 발명의 실시예는 에너지 회수용 프로펠러에서 발전기까지의 축계 시스템을 단순화하여 회수된 에너지의 축 전달 손실 및 진동을 최소화할 수 있는 에너지 회수 장치를 구비한 선박을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 선체; 상기 선체에 회전 가능하게 결합되고, 추력을 발생시키는 추진 프로펠러; 상기 추진 프로펠러의 후방에서 상기 선체와 결합되는 러더 혼; 상기 추진 프로펠러와 대향하도록 상기 러더 혼에 회전 가능하게 결합되고, 상기 추진 프로펠러의 회전시 발생된 후류에 의해 회전하는 발전 프로펠러; 및 상기 러더 혼의 내부에 위치하며, 상기 발전 프로펠러의 회전축과 연결되어 전기를 생산하는 에너지 회수부를 포함하는, 에너지 회수 장치를 구비한 선박이 제공될 수 있다.
이 경우, 상기 에너지 회수 장치를 구비한 선박은, 상기 러더 혼의 내부의 상기 에너지 회수부를 냉각시키는 냉각부를 더 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 러더 혼의 상부와 상기 선체에는 상기 러더 혼과 상기 선체의 내부를 서로 연통하는 개구부가 형성될 수 있으며, 이 경우, 상기 냉각부는, 상기 개구부에 결합되는 냉각팬을 포함할 수 있다.
또는 상기 냉각부는, 상기 에너지 회수부의 외면에 형성되는 냉각핀을 포함하며, 상기 냉각핀은 상기 러더 혼의 내벽과 연결될 수 있다.
여기서, 상기 에너지 회수부는, 상기 발전 프로펠러의 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기; 및 상기 발전 프로펠러와 상기 발전기 사이에 개재된 증속기를 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 에너지 회수부는 베벨기어 장치에 의해 상기 발전 프로펠러와 연결되고, 상기 베벨기어 장치는 상기 발전 프로펠러의 회전축에 결합되는 제1 베벨기어; 및 상기 발전 프로펠러의 회전축과 직교하는 상기 증속기의 입력축에 결합되고 상기 제1 베벨기어와 치합되는 제2 베벨기어를 포함하며, 상기 발전기는 상기 증속기의 출력축에 결합될 수 있다.
한편, 상기 러더 혼은, 내부에 상기 에너지 회수부를 수용하는 벌브를 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 에너지 회수부는, 상기 발전 프로펠러의 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기; 및 상기 발전 프로펠러와 상기 발전기 사이에 개재된 증속기를 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 에너지 회수부는 베벨기어 장치에 의해 상기 발전 프로펠러와 연결되고, 상기 베벨기어 장치는, 상기 발전 프로펠러의 회전축에 결합되는 제1 베벨기어; 및 상기 발전 프로펠러의 회전축과 직교하는 상기 증속기의 입력축에 결합되고 상기 제1 베벨기어와 치합되는 제2 베벨기어를 포함하며, 상기 발전기는 상기 증속기의 출력축에 결합될 수 있다.
한편, 상기 발전 프로펠러의 직경은 상기 추진 프로펠러 직경의 70% 내지 90%일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 에너지 회수용 프로펠러에서 발전기까지의 축계 시스템을 단순화하여 회수된 에너지의 축 전달 손실 및 진동을 최소화할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 에너지 회수부가 구비된 선박의 부분도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 회수 장치가 구비된 선박의 측면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 회수 장치가 구비된 선박의 발전 프로펠러를 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 회수 장치가 구비된 선박의 측면도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 회수 장치가 구비된 선박의 냉각부를 설명하기 위한 도면.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.　
이하, 본 발명에 따른 에너지 회수 장치가 구비된 선박을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 회수 장치가 구비된 선박의 측면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 회수 장치가 구비된 선박의 발전 프로펠러를 설명하기 위한 도면이다. 도 2 및 도 3을 참고하면, 선체(112), 추진 프로펠러 회전축(114), 추진 프로펠러(116), 러더 혼(118), 발전 프로펠러 회전축(120), 발전 프로펠러(122), 에너지 회수부(124), 증속기(126), 발전기(128), 벌브(130), 출력축(132), 러더 블레이드(134), 축선(136), 후류 영역(138)이 도시되어 있다.
본 실시예에 따른 에너지 회수 장치를 구비한 선박(100)은, 선체(112)와, 선체(112)에 회전 가능하게 결합되고, 선체(112)를 추진시키는 추력을 발생시키는 추진 프로펠러(116)와, 추진 프로펠러(116)의 후방에서 선체(112)와 결합되는 러더 혼(118)과; 추진 프로펠러(116)와 대향하도록 러더 혼(118)에 회전 가능하게 결합되고, 추진 프로펠러(116)의 회전시 발생된 후류에 의해 회전하는 발전 프로펠러(122) 및 러더 혼(118)의 내부에 위치하며, 발전 프로펠러 회전축(120)과 연결되어 전기를 생산하는 에너지 회수부(124)를 포함하여, 발전 프로펠러(122)에서 발전기(128)까지의 축계 시스템을 단순화하여 회수된 에너지의 축 전달 손실 및 진동을 최소화할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 선체(112)의 내부에 화물창, 엔진 룸 등이 배치되며, 이 엔진 룸에 설치된 엔진(engine)의 구동력을 이용하여 추진 프로펠러(116)가 회전한다.
추진 프로펠러(116)는 엔진 룸의 엔진에서 연장되는 추진 프로펠러 회전축(114)과 연결되며, 엔진의 구동에 따라 회전한다.
러더 혼(118)은 추진 프로펠러(116)의 후방에 위치하도록 선체(112)의 선미부에 결합된다. 러더 혼(118)에는 러더 블레이드(134)가 회전 가능하게 결합되며, 러더 블레이드(134)가 회전하면서 추진 프로펠러(116)에서 발생한 후류의 방향을 변경하여 선체(112)의 진행방향을 조정하게 된다.
러더 혼(118)의 외면은 강판으로 이루어지고 러더 혼(118)의 내부는 이러한 강판을 지지하는 보강재가 배치될 수 있다. 이에 따라, 러더 혼(118)의 내부에는 일정한 공간이 형성될 수 있다.
발전 프로펠러(122)는 추진 프로펠러(116)와 대향하도록 러더 혼(118)에 회전가능하게 결합되고, 추진 프로펠러(116)의 회전 시 발생된 후류에 의해 회전할 수 있다.
발전 프로펠러 회전축(120)의 일단은 러더 혼의 내부에서 외측으로 돌출되어 발전 프로펠러(122)와 결합되고, 발전 프로펠러 회전축(120)의 타단은 러더 혼(118)의 내부에 위치한다. 이 경우, 발전 프로펠러 회전축(120)은 추진 프로펠러 회전축(114)과 일렬로 정렬되도록 배치될 수 있다. 즉, 발전 프로펠러 회전축(120)은 추진 프로펠러 회전축(114)과 동일 직선 상에 위치하도록 배치될 수 있다. 이와 같은 발전 프로펠러 회전축(120)과 추진 프로펠러 회전축(114)의 배치는 발전 프로펠러 회전축(120)과 추진 프로펠러 회전축(114)이 각각 동일한 축선(136)을 갖도록 도시된 도 3을 통해 알 수 있다.
추진 프로펠러(116)의 회전에 따라 그 후방에는 소용돌이 형태의 후류가 발생하는데, 이러한 후류의 축방향 성분은 선체(112)의 추진에 사용되나, 후류의 회전성분은 선체(112)의 추진에 영향을 미치지 않으므로 에너지를 회수할 필요가 있다. 발전 프로펠러(122)는 이러한 회전류를 받아 회전되도록 설계될 수 있으며, 추진 프로펠러(116)의 회전 시 발생하는 후류에 의해 회전하게 된다.
발전 프로펠러(122)의 직경은 추진 프로펠러(116) 직경의 70% 내지 90%로 제작될 수 있다. 도 3을 참조하면, 추진 프로펠러(116)의 회전에 따라 발생하는 후류 영역(138)은 추진 프로펠러(116) 직경(2R)의 70% 내지 90% 영역 내에서 형성된다. 발전 프로펠러(122)는 이러한 후류 영역(138) 내에 존재하여야 하며, 일부라도 후류 영역(138)을 벗어나면 저항체로 작용하게 된다. 따라서, 발전 프로펠러(122)의 직경(2r)은 후류 영역(138) 내에 존재하도록 결정된다.
에너지 회수부(124)는 러더 혼(118)의 내부에 위치하며, 발전 프로펠러 회전축(120)에 연결되어 전기를 생산한다. 에너지 회수부(124)는, 발전 프로펠러(122)의 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기(128)와, 발전 프로펠러(122)와 발전기(128) 사이에 개재된 증속기(126)을 포함한다. 증속기(126)는 출력축(132)의 회전속도를 입력축인 발전 프로펠러 회전축(120)의 회전속도보다 증속시킨다.
에너지 회수부(124)를 러더 혼(118)의 내부에 배치하여 발전 프로펠러(122)와 에너지 회수부(124)까지의 거리를 짧게 하여 축계 시스템을 단순화시킬 수 있다. 단순화된 축계 시스템은 회수된 에너지의 손실을 최소화하여 에너지 회수 효율을 높일 수 있다.
본 실시예에서는 러더 혼(118)의 내부로 연장된 발전 프로펠러 회전축(120)의 타단에 증속기(126)와 발전기(128)를 직렬로 배치하여 축의 연결에 따른 축 손실과 축의 미스얼라인먼트(misalignment)에 의한 진동을 최소화할 수 있다.
그리고, 러더 혼(118)은 내부에 에너지 회수부(124)를 수용할 수 있는 벌브(130)를 포함할 수 있다. 벌브(130)의 내부는 러더 혼(118)의 내부와 연통되며, 발전 프로펠러(122)가 결합되는 발전 프로펠러 회전축(120)은 벌브(130)에 회전 가능하게 지지되도록 할 수 있다. 러더 혼(118)의 내부가 협소하여 에너지 회수부(124)를 수용하기가 용이하지 않은 경우, 러더 혼(118)에 벌브(130)를 두고 벌브(130) 내에 에너지 회수부(124)를 두어 발전 프로펠러(122)와 에너지 회수부(124)까지의 거리를 짧게 구성하는 것이다.
벌브(130)는, 추진 프로펠러(116)의 회전시 발생된 후류를 분산시켜 캐비테이션의 발생을 억제하고, 이에 따른 추진력의 저하를 방지할 수 있도록 유선형상으로 이루어질 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 회수 장치가 구비된 선박의 측면도이고, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 회수 장치가 구비된 선박의 냉각부를 설명하기 위한 도면이다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 선체(112), 추진 프로펠러 회전축(114), 추진 프로펠러(116), 러더 혼(118), 발전 프로펠러 회전축(120), 발전 프로펠러(122), 에너지 회수부(124), 증속기(126), 발전기(128), 벌브(130), 출력축(132), 러더 블레이드(134), 베벨기어 장치(140), 제1 베벨기어(141), 제2 베벨기어(142), 개구부(144), 냉각팬(146), 냉각핀(148)이 도시되어 있다.
본 실시예 따른 선박(200)은 앞선 실시예와 달리 에너지 회수부(124)와 발전 프로펠러(122) 사이에 마련된 베벨기어 장치(140)와, 에너지 회수부(124)를 냉각하기 위한 냉각부를 더 포함한다.
러더 혼(118)의 단면폭이 협소하여 증속기(126)와 발전기(128)를 발전 프로펠러 회전축(120)과 일렬로 배치하기가 용이하지 않은 경우, 에너지 회수부(124)와 발전 프로펠러 회전축(120) 사이에 베벨기어 장치(140)를 두어 에너지 회수부(124)를 발전 프로펠러 회전축(120)과 수직한 방향으로 배치할 수 있다. 이 경우, 에너지 회수부(124)는 베벨기어 장치(140)에 의해 발전 프로펠러(120)와 연결된다.
베벨기어 장치(140)는 제 1 베벨기어(141) 및 제 2 베벨기어(142)를 포함할 수 있다. 제1 베벨기어(141)는 발전 프로펠러 회전축(120)과 결합될 수 있다. 제2 베벨기어(142)는 발전 프로펠러 회전축(120)과 직교하는 증속기(126)의 입력축(127)에 결합되고 제1 베벨기어(141)와 치합할 수 있다. 이 경우, 발전기(128)는 증속기(126)의 출력축(132)에 결합될 수 있다.
이와 같은 베벨 기어 장치(140)를 통해, 발전 프로펠러(122)의 회전 에너지가 발전 프로펠러 회전축(120), 제 1 베벨기어(141), 제 2 베벨기어(142), 증속기(126)의 입력축(127) 및 증속기(126)의 출력축(132)를 거쳐 발전기(128)로 전달된다.
한편, 러더 혼(118)의 내부가 협소한 경우, 러더 혼(118) 내부에 존재하는 에너지 회수부(124)에 의해 러더 혼(118)의 내부 온도가 상승하여 발전효율에 영향을 미칠 수 있으므로, 러더 혼(118)의 내부의 에너지 회수부(124)를 냉각시키는 냉각부가 설치될 수 있다.
러더 혼(118)의 상부와 선체(112)에는 러더 혼(118)과 선체(112)의 내부를 서로 연통하는 개구부(144)가 형성될 수 있으며, 냉각부는 개구부(144)에 결합되는 냉각팬(146)을 포함할 수 있다. 냉각팬(146)의 회전으로 인해 러더 혼(118)의 내부 공기를 순환시켜 러더 혼(118)의 내부의 온도를 낮추고 이를 통해 에너지 회수부(124)를 냉각시킬 수 있다. 본 실시예에서는 하나의 냉각팬(146)이 배치된 형태를 제시하고 있으나, 러더 혼(118) 내부에 신선한 공기를 주입하기 위한 인렛용 냉각팬 및 러더 혼(118)의 내부의 더운 공기를 배출하기 위한 아웃렛용 냉각팬을 두는 형태도 가능하다.
그리고, 냉각부는 에너지 회수부(124)의 외면에 형성되는 냉각핀(148)을 포함할 수 있다. 증속기(126)와 발전기(128)의 외면에서 돌출된 냉각핀(148)은 러더 혼(118)의 내벽과 연결되어 증속기(126)와 발전기(128)에서 발생된 열은 러더 혼(118)을 통해 외부로 배출할 수 있다. 선박의 운항 시 러더 혼(118)은 해수에 잠겨있게 되므로 러더 혼(118)의 내벽과 연결된 냉각핀(148)을 통해 에너지 회수부(124)에서 발생된 열을 용이하게 외부로 방출할 수 있다. 냉각핀(148)으로는 열전도율이 높은 금속이 사용될 수 있다.
이외 구성요소는 상술한 바와 같으므로 그 설명을 생략하기로 한다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
112 : 선체 114 : 추진 프로펠러 회전축
116 : 추진 프로펠러 118 : 러더 혼
120 : 발전 프로펠러 회전축 122 : 발전 프로펠러
124 : 에너지 회수부 126 : 증속기
128 : 발전기 130 : 벌브
132 : 출력축 134 : 러더 블레이드
141 : 제1 베벨기어 142 : 제2 베벨기어
144 : 개구부 146 : 냉각팬
148 : 냉각핀

Claims (10)

  1. 선체;
    상기 선체에 회전 가능하게 결합되고, 추력을 발생시키는 추진 프로펠러;
    상기 추진 프로펠러의 후방에서 상기 선체와 결합되는 러더 혼;
    상기 추진 프로펠러와 대향하도록 상기 러더 혼에 회전 가능하게 결합되고, 상기 추진 프로펠러의 회전시 발생된 후류에 의해 회전하는 발전 프로펠러; 및
    상기 러더 혼의 내부에 위치하며, 상기 발전 프로펠러의 회전축과 연결되어 전기를 생산하는 에너지 회수부를 포함하는, 에너지 회수 장치를 구비한 선박.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 러더 혼의 내부의 상기 에너지 회수부를 냉각시키는 냉각부를 더 포함하는, 에너지 회수 장치를 구비한 선박.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 러더 혼의 상부와 상기 선체에는 상기 러더 혼과 상기 선체의 내부를 서로 연통하는 개구부가 형성되며,
    상기 냉각부는,
    상기 개구부에 결합되는 냉각팬을 포함하는 것을 특징으로 하는, 에너지 회수 장치를 구비한 선박.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 냉각부는, 상기 에너지 회수부의 외면에 형성되는 냉각핀을 포함하며, 상기 냉각핀은 상기 러더 혼의 내벽과 연결되는 것을 특징으로 하는, 에너지 회수 장치를 구비한 선박.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 에너지 회수부는,
    상기 발전 프로펠러의 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기; 및
    상기 발전 프로펠러와 상기 발전기 사이에 개재된 증속기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 에너지 회수 장치를 구비한 선박.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 에너지 회수부는 베벨기어 장치에 의해 상기 발전 프로펠러와 연결되고,
    상기 베벨기어 장치는,
    상기 발전 프로펠러의 회전축에 결합되는 제1 베벨기어; 및
    상기 발전 프로펠러의 회전축과 직교하는 상기 증속기의 입력축에 결합되고 상기 제1 베벨기어와 치합되는 제2 베벨기어를 포함하며,
    상기 발전기는 상기 증속기의 출력축에 결합되는 것을 특징으로 하는, 에너지 회수 장치를 구비한 선박.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 러더 혼은,
    내부에 상기 에너지 회수부를 수용하는 벌브를 포함하는 것을 특징으로 하는, 에너지 회수 장치를 구비한 선박.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 에너지 회수부는,
    상기 발전 프로펠러의 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기; 및
    상기 발전 프로펠러와 상기 발전기 사이에 개재된 증속기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 에너지 회수 장치를 구비한 선박.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 에너지 회수부는 베벨기어 장치에 의해 상기 발전 프로펠러와 연결되고,
    상기 베벨기어 장치는,
    상기 발전 프로펠러의 회전축에 결합되는 제1 베벨기어; 및
    상기 발전 프로펠러의 회전축과 직교하는 상기 증속기의 입력축에 결합되고 상기 제1 베벨기어와 치합되는 제2 베벨기어를 포함하며,
    상기 발전기는 상기 증속기의 출력축에 결합되는 것을 특징으로 하는, 에너지 회수 장치를 구비한 선박.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 발전 프로펠러의 직경은 상기 추진 프로펠러 직경의 70% 내지 90%인 것을 특징으로 하는, 에너지 회수 장치를 구비한 선박.
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