KR20130121013A - 폐열 회수 기능을 구비한 대형 처보차지 2-행정 왕복 피스톤 엔진을 갖는 선박용 추진 시스템 및 선박용 추진 시스템의 작동 방법 - Google Patents

폐열 회수 기능을 구비한 대형 처보차지 2-행정 왕복 피스톤 엔진을 갖는 선박용 추진 시스템 및 선박용 추진 시스템의 작동 방법 Download PDF

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에릭 로센룬드
모르텐 베지르가르드-로우르센
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맨 디젤 앤드 터보 필리얼 아프 맨 디젤 앤드 터보 에스이 티스크랜드
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Abstract

본 발명은 폐열 회수 기능을 구비한 선박 추진 시스템에 관한 것으로, 상기 선박 추진 시스템(1)은 선박 프로펠러(4)에 결합된 프로펠러 축(3)을 구동하는 대형 2-행정 터보차지 내연 기관 주 엔진(2)을 포함한다. 폐열 회수 시스템(11)은 터빈(18) 및 선박의 전기 회로(5)를 위해 주 엔진(2)의 폐열로부터 전기 에너지를 생성하는 발전기(20)를 포함한다. 축 발전기/모터(10)는 프로펠러 축(3)에 결합되고 전기 회로(5)에 전기적으로 연결된다. 상기 축 발전기/모터(10)는 축 발전기/모터(10)의 구동 모터 운전 모드에서 전기 회로(5)로부터의 전기 에너지를 프로펠러 축(3)을 구동시키기 위한 기계 에너지로 변환시키도록 구성되고, 상기 축 발전기/모터(10)는 축 발전기/모터(10)의 발전기 운전 모드에서 프로펠러 축(3)으로부터의 기계 에너지를 전기 회로(5)를 위한 전기 에너지로 변환시키도록 구성된다. 제어기(12)는 축 발전기/모터(10)에 작동 가능하게 연결되며, 상기 제어기(12)는 축 발전기/모터(10)의 작동을 조절함으로써 전기 회로의 주파수를 조절하도록 구성된다.

Description

폐열 회수 기능을 구비한 대형 처보차지 2-행정 왕복 피스톤 엔진을 갖는 선박용 추진 시스템 및 선박용 추진 시스템의 작동 방법{A MARINE PROPULSION SYSTEM WITH A LARGE TURBOCHARGED TWO-STROKE RECIPROCATING PISTON ENGINE WITH WASTE HEAT RECOVERY AND A METHOD FOR OPERATING THE MARINE PROPULSION SYSTEM}
본 발명은 폐열 회수 기능을 구비한 선박용 추진 시스템을 작동하는 방법 및 폐열 회수 기능을 구비한 선박용 추진 시스템에 관한 것이다.
WO 2007/124968은, 예를 들어, 컨테이너선과 같은 대형 화물선용 선박 추진 시스템을 개시하고 있다. 일반적으로, 이러한 추진 시스템은 선박의 프로펠러에 결합된 프로펠러 축을 구동하기 위한 기계 에너지를 생성하는 저속 2-행정 디젤 엔진 형태의 주 엔진을 포함한다. 이러한 엔진의 연속 정격은 대략 5 MW에서 시작해서 대략 110 MW 이상에서 끝날 것이다.
선박 내의 전기 부하는 일반적으로 선박의 전기 회로(electrical network)에 의해 공급되며, 이는 주 엔진보다 빠르게 구동하는 연소 엔진 상에서 구동하는 발전기, 즉 발전기 세트로부터 전기를 수신한다. 이들은 보통 4-행정 디젤 엔진 구동 발전기 세트이다. 연료 가격의 상승으로 인해, 저 배출에 대한 요구 및 작동 비용의 절감 요구는, 최근 향상된 에너지 활용을 위한, 주 엔진으로부터의 폐열의 사용에 대한 관심을 증가해 왔다. 과도한 열은 특히 배기 가스 및 주 엔진의 냉각 시스템에서 발견된다. 상기한 개시에서, 추진 시스템은 주 엔진의 폐열로부터 전기를 생성하고 선박의 전기 회로에 공급하는 폐열 회수 시스템을 포함한다. 축 발전기/모터는 프로펠러 축에 기계적으로 연결되고 전기 회로에 전기적으로 연결된다. 축 발전기/모터는 선박의 전기 회로로부터 전류를 공급받을 때 구동 모터로서 작동될 수 있고 프로펠러 축으로부터 회전 기계 에너지를 공급받을 때 전력을 생성하는 발전기로서 작동될 수 있는 장치이다. 축 발전기/모터는 축 시스템을 구동하기 위해 선박의 전기 에너지 및 전달되는 기계 에너지로부터의 전력으로 구동 모터로 작동하는 것과 축 시스템의 기계 에너지를 선박의 전기 회로를 위한 추가적인 전기로 변환시킴으로써 발전기로 작동하는 것 사이에서 전환될 수 있다.
전통적으로, 선박의 전기 회로를 위한 전기 에너지는 각각 전기 발전기를 구동하는 다수의 보조 엔진(genset, 발전기 세트)에 의해 공급된다. 폐 에너지 회수 시스템을 구비한 선박 추진 시스템에서, 필요한 전기 에너지의 주요 부분 또는 전부가 폐 에너지 회수 시스템에 의해 공급될 수 있다. 폐열 에너지 회수 시스템이 선박의 전기 회로에 충분한 전력을 공급하는 경우, 전원 관리 시스템 또는 제어기는 보조 엔진에 의해 공급되는 전력을 감소시키고 보조 엔진은 가능한 경우 완전히 차단된다.
또한, 발전기 운전 모드에서 축 발전기/모터를 통해, 더욱 많은 전기 에너지가 선박의 전기 회로에 공급될 수 있고, 따라서 보조 엔진의 전력 소모는 여전히 더욱 감소될 수 있다.
이러한 조치는 연료와 작동 비용 및 보조 엔진으로부터의 배출의 상당한 감소를 가능하게 한다.
폐열 에너지 회수 시스템이 선박의 전기 부하에서 필요한 것보다 많은 에너지를 생성하는 경우, 이러한 초과 에너지는 고동 모터 운전 모드에서 작동하는 축 발전기/모터에 공급되고, 따라서 추가의 추진력이 프로펠러 축에 공급될 것이다. 이 경우, 오직 폐열 회수 시스템만이 선박의 전기 회로에 전력을 공급하는 반면, 보조 엔진은 정지된다.
알려진 추진 및 전력 시스템은 선박의 필요성과 관련되어 구성되고 설계되어, 대부분의 운전 조건에서 폐열 회수 시스템이 다른 전기 생성 장치의 지원 없이 필요한 전력을 생성할 수 있도록 한다.
알려진 추진 및 전력 시스템에서, 전기 회로의 주파수는 폐열 회수 시스템에서 생성된 전력을 조절함으로써 제어된다. 이러한 주파수 제어를 수행할 수 있도록 하기 위해, 부하에 의해 사용되는 전력의 변화를 처리할 수 있는 충분한 미사용 용량이 있어야 한다.
폐열 회수 시스템은 주파수 제어를 수행할 수 있도록 하기 위해 전원 설정의 범위에서 작동될 수 있을 필요가 있다, 즉, 폐열 회수 시스템은 최대 용량에서 작동하지 않는다. 최대 용량에서 작동하지 않는다는 것은 효율의 감소를 의미하며, 이는 폐열 시스템으로부터의 "자유" 에너지의 일부가 사용되지 않기 때문이다.
이러한 배경에서, 본 개시의 목적은 향상된 연료 효율을 갖는 상기한 유형의 선박용 추진 시스템을 제공하는 것이다.
이 목적은 폐열 회수 기능을 구비한 선박용 추진 시스템을 제공함으로써 달성되며, 상기 선박용 추진 시스템은 선박 프로펠러에 결합된 프로펠러 축을 구동하는 대형 2-행정 터보차지 내연 기관 주 엔진, 터빈 및 선박의 전기 회로를 위해 주 엔진의 폐열로부터 전기 에너지를 생성하는 발전기를 포함하는 폐열 회수 시스템, 프로펠러 축에 결합되고 선박의 전기 회로에 전기적으로 연결된 축 발전기/모터, 상기 축 발전기/모터는 축 발전기/모터의 구동 모터 운전 모드에서 전기 회로로부터의 전기 에너지를 프로펠러 축을 구동시키기 위한 기계 에너지로 변환시키도록 구성되고, 상기 축 발전기/모터는 축 발전기/모터의 발전기 운전 모드에서 프로펠러 축으로부터의 기계 에너지를 전기 회로를 위한 전기 에너지로 변환시키도록 구성되고, 및 축 발전기/모터에 작동 가능하게 연결된 제어기를 포함하여 구성되고, 상기 제어기는 축 발전기/모터의 작동을 조절함으로써 전기 회로의 주파수를 조절하도록 구성된다.
회로의 주파수를 제어하기 위해 축 발전기/모터의 전력 범위를 사용함으로써, 폐열 회수 시스템으로부터의 사용 가능한 모든 전력을 이용할 수 있으며, 이에 따라 선박 추진 시스템의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
일 실시형태에서, 상기 제어기는 구동 모터 운전 모드 및 발전기 운전 모드에서 축 발전기/모터의 작동을 조절함으로써 전기 회로의 주파수를 조절하도록 구성된다. 이러한 조치는 주파수 제어를 위해 사용 가능한 전력 범위를 확장시킨다.
일 실시형태에서, 상기 제어기는 구동 모터 모드에서 축 발전기/모터로의 전력을 조절함으로써 그리고 발전기 모드에서 축 발전기/모터 상의 부하를 조절함으로써 전기 회로의 주파수를 조절하도록 구성된다.
일 실시형태에서, 상기 제어기는 구동 모터 운전 모드 및 발전기 운전 모드를 포함하는 작동 설정의 연속 범위에서 축 발전기/모터의 작동을 조절함으로써 전기 회로의 주파수를 제어하도록 구성된다.
일 실시형태에서, 상기 제어기는 모터/발전기의 여자 전류(excitation current)를 제어함으로써 축 발전기/모터와 함께 회로의 주파수를 제어하도록 구성된다.
일 실시형태에서, 상기 프로펠러 축은 제어 가능한 피치 프로펠러에 연결되고, 상기 제어기는 일정한 프로펠러 축 회전 속도로 추진 시스템을 작동시키고 이에 따라 일정한 회로 주파수를 제공하기 위해 모터/발전기 회전 속도를 일정하게 유지시키도록 구성된다.
일 실시형태에서, 상기 선박 추진 시스템은 축 모터/발전기와 프로펠러 축 사이에 결합된 가변비 변속기를 더 포함하고, 상기 제어기는 상기 가변비 변속기에 결합되고, 상기 제어기는 상기 가변비 변속기의 비율을 제어함으로써, 프로펠러 축의 회전 속도의 변화에 관계없이, 축 발전기/모터의 회전 속도를 일정하게 유지시키도록 구성된다.
일 실시형태에서, 상기 제어기는 전기 회로의 주파수를 제어하기 위해 주파수 드룹 제어(frequency droop control)로 작동하도록 구성된다.
일 실시형태에서, 상기 제어기는 전기 회로의 주파수를 제어하기 위해 아이소크로노스 주파수 제어(isochronous frequency control)로 작동하도록 구성된다.
일 실시형태에서, 상기 제어기는 상기 폐열 회수 시스템에 작동 가능하게 연결되며, 상기 제어기는 기저 부하(base load)로서 상기 폐열 회수 시스템을 작동시키도록 구성된다.
본 발명의 목적은 향상된 연료 효율을 달성하기 위해 상기한 유형의 선박용 추진 시스템을 작동하는 방법을 제공하는 것이다.
위의 목적은 선박용 추진 시스템을 작동하는 방법을 제공함으로써 달성되며, 상기 선박용 추진 시스템은 선박 프로펠러에 결합된 프로펠러 축을 구동하는 대형 2-행정 터보차지 내연 기관 주 엔진, 터빈 및 선박의 전기 회로를 위해 주 엔진의 폐열로부터 전기 에너지를 생성하는 발전기를 포함하는 폐열 회수 시스템, 프로펠러 축에 결합되고 선박의 전기 회로에 전기적으로 연결된 축 발전기/모터를 포함하고, 상기 축 발전기/모터는 축 발전기/모터의 구동 모터 운전 모드에서 전기 회로로부터의 전기 에너지를 프로펠러 축을 구동시키기 위한 기계 에너지로 변환시키도록 구성되고, 상기 축 발전기/모터는 축 발전기/모터의 발전기 운전 모드에서 프로펠러 축으로부터의 기계 에너지를 전기 회로를 위한 전기 에너지로 변환시키도록 구성되고, 및 상기 방법은 축 발전기/모터의 작동을 조절함으로써 전기 회로의 주파수를 조절하는 단계를 포함한다.
회로의 주파수를 제어하기 위해 축 발전기/모터의 전력 범위를 사용함으로써, 폐열 회수 시스템으로부터의 사용 가능한 모든 전력을 이용할 수 있으며, 이에 따라 선박 추진 시스템의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
일 실시형태에서, 상기 방법은 구동 모터 운전 모드 및 발전기 모드에서 축 발전기/모터의 작동을 조절함으로써 전기 회로의 주파수를 조절하는 단계를 포함한다.
일 실시형태에서, 상기 방법은 구동 모터 모드에서 축 발전기/모터로의 전력을 조절함으로써 그리고 발전기 모드에서 축 발전기/모터 상의 부하를 조절함으로써 전기 회로의 주파수를 조절하는 단계를 포함한다.
일 실시형태에서, 상기 방법은 구동 모터 운전 모드 및 발전기 운전 모드를 포함하는 작동 설정의 연속 범위에서 축 발전기/모터의 작동을 조절함으로써 전기 회로의 주파수를 제어하는 단계를 포함한다.
일 실시형태에서, 상기 방법은 전기 회로의 주파수를 제어하기 위해 드룹 속도 제어(droop speed control)로 작동시키는 단계를 포함한다.
일 실시형태에서, 상기 방법은 전기 회로의 주파수를 제어하기 위해 아이소크로노스 속도 제어(isochronous speed control)로 작동시키는 단계를 포함한다.
일 실시형태에서, 기저 부하로서 상기 폐열 회수 시스템의 작동을 제어하는 단계를 포함한다.
일 실시형태에서, 상기 방법은 운전 모드 및 축 발전기/모터에 의해 사용되는 또는 축 발전기/모터로 전달되는 전력 양에 관계없이 주 엔진의 회전 속도를 일정하게 유지시키는 단계를 포함한다.
일 실시형태에서, 상기 방법은 축 발전기/모터에 대한 원하는 설정이 축 발전기/모터의 작동 범위를 벗어나려고 하는 경우, 폐열 회수 시스템의 설정을 조절하는 단계를 포함한다.
본 개시에 따른 선방용 추진 시스템 및 선박용 추진 시스템의 작동 방법의 추가의 목적, 특징, 장점 및 특성은 상세한 설명으로부터 명백할 것이다.
본 설명의 다음의 상세한 부분에서, 본 발명은 도면에 도시된 예시적인 실시형태를 참조로 더욱 상세하게 설명될 것이다, 여기에서:
도 1은 선박용 추진 시스템의 예시적인 실시형태의 개략도이고, 및
도 2는 선박용 추진 시스템의 다른 예시적인 실시형태의 개략도이다.
다음의 상세한 설명에서, 선박용 추진 시스템 및 방법은 예시적인 실시형태에 의해 설명될 것이다. 도 1은 컨테이너선과 같은 대형 선박용 폐열 회수 기능을 구비한 선박용 추진 시스템(1)의 매우 개략적이고 예시적인 실시형태를 도시하고 있다. 추진 시스템의 핵심은 커넥팅 로드를 통해 피스톤에 연결된 크랭크축, 크로스헤드 및 피스톤 로드를 구비한 대형 저속 터보차지 2-행정 디젤 기관 주 엔진(2)이다. 대형 터보차지 2-행정 디젤 엔진은 일반적으로 다섯 개 내지 열 여섯 개의 직렬 실린더를 갖는다. 엔진의 총 출력은, 예를 들어, 5,000 내지 110,000 kW에 이를 수 있다.
주 엔진(2)은 선박을 추진하기 위해 고정 피치 프로펠러(fixed pitch propeller, 4)에 프로펠러 축(3)을 통해 작동 가능하게 연결된다. 전기 회로(5)는 선박 내의 전기 장치 및 시스템에 전력을 공급하기 위해 사용된다.
전력 소비 장치는, 예를 들어, 화물을 냉각시키기 위한 냉각 장치일 수 있다. 명료성과 단순성의 이유로, 도 1은 하나의 전기 부하(6)만을 도시하고 있다. 그러나, 실제로는, 더욱 많은 수의 이러한 부하가 선박의 전기 회로로부터 동력을 제공받는다.
선박의 전기 회로(5)를 위한 에너지를 생성하기 위해, 여러 개의 발전기 세트(8, genset)가 구비된다. 각각의 발전기 세트는 전기 발전기와 보조 엔진(9)을 포함한다. 보조 엔진(9)은 주 엔진(2)보다 상당히 작으며 빠르게 구동된다. 보조 엔진(9)은 보통, 예를 들어, 5 MW의 용량을 갖는 중속 4-행정 디젤 엔진이다.
축 발전기/모터(10)는 프로펠러 축(3)에 기계적으로 연결되고 선박의 전기 회로(5)에 전기적으로 결합된다.
축 발전기/모터(10)는 저속 동기기(synchronous machine)로 설계되고 바람직하게 프로펠러 축(3)으로의 중간 기어박스 없이 직접 구동된다.
축 발전기/모터(10)는 기어박스를 통해 프로펠러 축(3)에 결합되거나, 주 엔진(2)의 크랭크 축, 즉 프로펠러 축(3) 맞은편의 크랭크축의 단부에 결합될 수 있다.
선박용 추진 시스템은 폐열 회수 시스템(11)을 구비한다. 주 엔진(2)의 배기 가스로부터의 폐열은 열 교환기(16)를 통해, 증기 터빈(18)이 연결된 도시되지 않은 증기 사이클로 보내진다. 증기 터빈(18)은 전기 발전기(20)를 구동시킨다.
다른 실시형태에서, 증기 터빈(18)은 폐열에 의해 동력을 제공받는 동력 터빈과 결합되거나 폐열에 의해 동력을 제공받는 동력 터빈으로 대체된다.
선박용 추진 시스템(1)을 작동시키는 기본 목표는 폐열 회수 시스템으로부터의 전체 사용 가능한 전기 에너지를 선박의 전기 회로(5)에 공급하는 것이다.
발전기(20)가 선박의 전기 회로(5)에 전력을 공급하면, 제어기(12)는 보조 디젤 발전기 세트(8)를 해제시키고, 가능하면, 발전기 세트(8)를 모두 차단시킨다.
이러한 조치는 연료와 작동 비용 및 디젤 발전기 세트(8)의 배출을 상당히 줄일 수 있다.
폐열 회수 시스템(11)이 전기 부하(6)에서 필요한 것보다 많은 에너지를 생성하는 경우, 이러한 에너지 여력(energy surplus)은 구동 모터 모드에서 축 발전기/모터(10)를 작동시키는데 사용하고, 이에 따라 프로펠러 축(3)으로 추가의 추진력을 생성한다.
구동 모터 운전 모드에서, 축 발전기/모터(10)는 전기 회로(5)로부터의 전기 에너지를 프로펠러 축(3)을 구동시키기 위한 기계 에너지로 변환시킨다.
선박의 전기 회로(5) 내의 예비 용량은 따라서 선박의 추진력을 증가시키는데 사용될 수 있고, 이에 따라 선박의 속도를 증가시키거나 또는, 선박의 속도를 유지하면서 주 엔진(2) 상의 부하를 줄일 수 있다.
발전기 운전 모드에서, 축 발전기/모터(10)는 프로펠러 축(3)으로부터의 회전 기계 에너지를 전기 회로(5)를 위한 전기 에너지로 변환시킨다.
이는 선박의 전기 회로(5)용 에너지를 생성하기 위해 사용되는 주 엔진(2)의 전력 보유를 가능하게 한다.
축 발전기/모터의 제어 및 규제는 일반적인, 바람직하게는 디지털 기술에서 실행되는, 제어 및 규제 시스템, 즉 제어기(12)에 의해 이루어진다.
축 발전기/모터(10)에 대한 작동 설정은 제어기(12)에 의해 제어되고 규제된다. 특히, 제어기(12)는 일 실시형태에서 주파수-전압(F/V) 변환기(13)를 통해 축 발전기/모터(10)의 여자 전류를 제어할 수 있다.
축 발전기/모터(10)의 여자 전류를 제어하고 규제함으로써, 축 발전기/모터(10)는 구동 모터 또는 발전기로 작동된다. 이는 특히 정속 발전기 (constant speed generator)와 제어 가능한 피치 프로펠러에 유용하다.
제어기(12)는 구동 모터 운전 모드 및 발전기 운전 모드에서 축 발전기/모터(10)의 작동을 조절함으로써 전기 회로(4)의 주파수를 조절하도록 구성된다.
제어기는 구동 모터 모드에서 축 발전기/모터(10)로의 전력을 조절함으로써 그리고 발전기 모드에서, 특히 축 발전기/모터(10)의 여자 전류를 통해 축 발전기/모터(10) 상의 부하를 조절함으로써 전기 회로(4)의 주파수를 조절하도록 구성된다.
상기 제어기는 구동 모터 운전 모드 및 발전기 운전 모드를 포함하는 작동 설정의 연속 범위에서, 두 운전 모드 사이의 실질적으로 부드러운 전환을 가지고, 축 발전기/모터(10)의 작동을 조절함으로써 전기 회로(5)의 주파수를 제어하도록 구성된다.
제어기(12)는 여자 전류를 독립적으로 제어하고 조절할 수 있거나, 또는 제어기(12)는 축 발전기/모터(10)의 여자 시스템을 제어하고 조절할 수 있다. 이러한 목적을 위해, 제어기(12)는 축 발전기/모터(10)의 속도, 모터 전압 및 회로 전압 및 주파수를 등록하고 주파수-전압 변환기(frequency-to-voltage converter, 13)를 통해 여자 전류를 제어한다.
도 1에 도시된 실시형태의 변형에서, 선박용 추진 시스템(1)은 제어된 피치 프로펠러(4)를 구비한다. 제어기(12)는 이러한 실시형태에서, 선박 또는 배의 속도와는 관계없이, 일정한 프로펠러 축의 속도를 유지하기 위해 프로펠러의 피치를 제어한다. 결과는 축 발전기/모터(10)의 일전한 회전 속도이고, 이에 따라, 축 발전기/모터(10)에 의해 생성된 일정한 회로 주파수이다.
도 2는 가변 변속기(10)가 프로펠러 축(3)과 축 발전기/모터(10) 사이에 배치된 것을 제외하고 도 1의 실시형태와 본질적으로 동일한 본 발명의 다른 실시형태를 도시하고 있다. 가변 변속기는 제어기(12)에 결합되어 제어된다. 가변 변속기(10)는 일 실시형태에서 프로펠러 축(3)과 프로펠러(4) 사이에 작동 가능하게 결합된 가변 변속비를 갖는 기어박스이다. 프로펠러는 본 실시형태에서 고정 피치 프로펠러일 수 있다.
본 실시형태에서, 제어기(12)는 발전기/모터(10)가 프로펠러 축(3)의 회전 속도와 관계없이 일정한 속도로 작동되도록 가변 변속기(10)를 제어함으로써 축 발전기/모터(10)가 회로를 위한 일정한 주파수를 제공하도록 구성된다.
제어기는 일 실시형태에서 폐열 회수 시스템이 기저 부하의 역할을 할 수 있도록 구성되고 축 발전기/모터(10)가 전력을 생성하고 소비함에 따라 확장된 작동을 하는 스윙 머신(swing machine)의 역할을 하도록 제어한다.
드룹 속도 제어와 아이소크로노스 속도 제어를 갖는 전통적인 부하 전단 개념이 적용되어 축 발전기/모터(10)의 확장된 제어 범위를 처리할 수 있다.
일 실시형태에서, 제어기(12)는 운전 모드 및 축 발전기/모터(10)에 의해 사용되는 또는 축 발전기/모터(10)로 전달되는 전력 양에 관계없이 주 엔진(2)의 회전 속도를 일정하게 유지시키도록 구성된다.
제어기(12)는 또한 전기 회로(5)의 주파수를 제어하기 위해 선박의 전기 회로(5)에 연결된 하나 이상의 부하(6)의 작동을 제어하도록 구성될 수 있다.
제어기(12)는 축 발전기/모터(10)에 대한 원하는 설정이 축 발전기/모터(10)의 작동 범위를 벗어날 위험이 있는 경우, 폐열 회수 시스템(11)의 설정을 조절하도록 더 구성될 수 있다.
청구범위에서 사용되는 "포함하는"이란 용어는 다른 구성 요소 또는 단계를 배제하지 않는다. 청구범위에서 사용되는 "하나"라는 용어는 복수를 배제하지 않는다. 단일 프로세서 또는 기타 장치는 청구범위에 인용된 몇 가지 수단들의 기능을 수행할 것이다.
청구 범위에서 사용된 참조 번호는 범위를 제한하는 것을 해석되어서는 안 된다.
본 발명이 설명의 목적으로 상세하게 설명되었지만, 이러한 세부 사항은 오로지 그러한 목적을 위해서이며, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 본 기술 분야의 숙련자에 의해 변경이 이루어질 수 있다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 배기 가스 재순환 기능을 사용하는 대형 2-행정 엔진에서 또한 구현될 수 있다.
1: 선박 추진 시스템
2: 주 엔진
3: 프로펠러 축
4: 선박 프로펠러
5: 전기 회로
6: 전기 부하
8: 발전기 세트
9: 보조 엔진
10: 축 발전기/모터
11: 폐열 회수 시스템
12: 제어기
13: F/V 변환기
16: 열 교환기
18: 터빈
19: 가변비 변속기
20: 발전기

Claims (19)

  1. 폐열 회수 기능을 구비한 선박 추진 시스템(1)에 있어서, 상기 선박 추진 시스템(1)은,
    선박 프로펠러(4)에 결합된 프로펠러 축(3)을 구동하는 대형 2-행정 터보차지 내연 기관 주 엔진(2),
    터빈(18) 및 선박의 전기 회로(5)를 위해 주 엔진(2)의 폐열로부터 전기 에너지를 생성하는 발전기(20)를 포함하는 폐열 회수 시스템(11),
    프로펠러 축(3)에 결합되고 전기 회로(5)에 전기적으로 연결된 축 발전기/모터(10),
    상기 축 발전기/모터(10)는 축 발전기/모터(10)의 구동 모터 운전 모드에서 전기 회로(5)로부터의 전기 에너지를 프로펠러 축(3)을 구동시키기 위한 기계 에너지로 변환시키도록 구성되고,
    상기 축 발전기/모터(10)는 축 발전기/모터(10)의 발전기 운전 모드에서 프로펠러 축(3)으로부터의 기계 에너지를 전기 회로(5)를 위한 전기 에너지로 변환시키도록 구성되고, 및
    축 발전기/모터(10)에 작동 가능하게 연결된 제어기(12)를 포함하여 구성되고, 상기 제어기(12)는 축 발전기/모터(10)의 작동을 조절함으로써 전기 회로(5)의 주파수를 조절하도록 구성된 것을 특징으로 하는 선박 추진 시스템(1).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기(12)는 구동 모터 운전 모드 및 발전기 운전 모드에서 축 발전기/모터(10)의 작동을 조절함으로써 전기 회로(4)의 주파수를 조절하도록 구성된 것을 특징으로 하는 선박 추진 시스템(1).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제어기(12)는 구동 모터 모드에서 축 발전기/모터(10)로의 전력을 조절함으로써 그리고 발전기 모드에서 축 발전기/모터(10) 상의 부하를 조절함으로써 전기 회로(4)의 주파수를 조절하도록 구성된 것을 특징으로 하는 선박 추진 시스템(1).
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어기(12)는 구동 모터 운전 모드 및 발전기 운전 모드를 포함하는 작동 설정의 연속 범위에서 축 발전기/모터(10)의 작동을 조절함으로써 전기 회로(5)의 주파수를 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 선박 추진 시스템(1).
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어기(12)는 전기 회로(5)의 주파수를 제어하기 위해 드룹 속도 제어(droop speed control)로 작동하도록 구성된 것을 특징으로 하는 선박 추진 시스템(1).
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어기(12)는 전기 회로(5)의 주파수를 제어하기 위해 아이소크로노스 속도 제어(isochronous speed control)로 작동하도록 구성된 것을 특징으로 하는 선박 추진 시스템(1).
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어기(12)는 상기 폐열 회수 시스템(11)에 작동 가능하게 연결되며, 상기 제어기(12)는 기저 부하(base load)로서 상기 폐열 회수 시스템(11)을 작동시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 선박 추진 시스템(1).
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어기(12)는 모터/발전기(10)의 여자 전류(excitation current)를 제어함으로써 축 발전기/모터(10)와 함께 회로의 주파수를 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 선박 추진 시스템(1).
  9. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프로펠러 축(3)은 제어 가능한 피치 프로펠러(4)에 연결되고, 상기 제어기(12)는 일정한 프로펠러 축 회전 속도로 추진 시스템을 작동시키고 이에 따라 일정한 회로 주파수를 제공하기 위해 모터/발전기 회전 속도를 일정하게 유지시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 선박 추진 시스템(1).
  10. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    축 모터/발전기(10)와 프로펠러 축(3) 사이에 결합된 가변비 변속기(variable ratio transmission, 19)를 더 포함하고, 상기 제어기(12)는 상기 가변비 변속기(19)에 결합되고, 상기 제어기(12)는 상기 가변비 변속기(19)의 비율을 제어함으로써, 프로펠러 축(3)의 회전 속도의 변화에 관계없이, 축 발전기/모터(1)의 회전 속도를 일정하게 유지시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 선박 추진 시스템(1).
  11. 선박 추진 시스템(1)을 작동하는 방법에 있어서, 상기 선박 추진 시스템(1)은,
    선박 프로펠러(4)에 결합된 프로펠러 축(3)을 구동하는 대형 2-행정 터보차지 내연 기관 주 엔진(2),
    터빈(18) 및 선박의 전기 회로(5)를 위해 주 엔진(2)의 폐열로부터 전기 에너지를 생성하는 발전기(20)를 포함하는 폐열 회수 시스템(11),
    프로펠러 축(3)에 결합되고 선박의 전기 회로(5)에 전기적으로 연결된 축 발전기/모터(10)를 포함하고,
    상기 축 발전기/모터(10)는 축 발전기/모터(10)의 구동 모터 운전 모드에서 전기 회로(5)로부터의 전기 에너지를 프로펠러 축(3)을 구동시키기 위한 기계 에너지로 변환시키도록 구성되고,
    상기 축 발전기/모터(10)는 축 발전기/모터(10)의 발전기 운전 모드에서 프로펠러 축(3)으로부터의 기계 에너지를 전기 회로(5)를 위한 전기 에너지로 변환시키도록 구성되고, 및
    상기 방법은 축 발전기/모터(10)의 작동을 조절함으로써 전기 회로(5)의 주파수를 조절하는 단계를 포함하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    구동 모터 운전 모드 및 발전기 모드에서 축 발전기/모터(10)의 작동을 조절함으로써 전기 회로(4)의 주파수를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    구동 모터 모드에서 축 발전기/모터(10)로의 전력을 조절함으로써 그리고 발전기 모드에서 축 발전기/모터(10) 상의 부하를 조절함으로써 전기 회로(4)의 주파수를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    구동 모터 운전 모드 및 발전기 운전 모드를 포함하는 작동 설정의 연속 범위에서 축 발전기/모터(10)의 작동을 조절함으로써 전기 회로(5)의 주파수를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    전기 회로의 주파수를 제어하기 위해 드룹 속도 제어로 작동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 11 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    전기 회로의 주파수를 제어하기 위해 아이소크로노스 속도 제어로 작동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 11 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    기저 부하로서 상기 폐열 회수 시스템(11)을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 11 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    운전 모드 및 축 발전기/모터(10)에 의해 사용되는 또는 축 발전기/모터(10)로 전달되는 전력 양에 관계없이 주 엔진(2)의 회전 속도를 일정하게 유지시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 11 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    축 발전기/모터(10)에 대한 원하는 설정이 축 발전기/모터(10)의 작동 범위를 벗어날 위험이 있는 경우, 폐열 회수 시스템(11)의 설정을 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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