KR20140075811A - 비틀림 진동 응력 저감 제어 장치, 이를 구비한 선박 및 비틀림 진동 응력 저감 방법 - Google Patents

비틀림 진동 응력 저감 제어 장치, 이를 구비한 선박 및 비틀림 진동 응력 저감 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 비틀림 진동 응력 저감 제어 장치(50)는, 추진용 프로펠러(11)와 일체가 되어 회전하는 추진축계(10)와, 추진축계(10)를 구동하는 메인 엔진(20)과, 메인 엔진(20)에서 배출된 배기(27)에 의해 구동되는 터빈(31)을 가지며, 터빈(31)의 회전력을 동력으로 새로운 공기를 압축하여 소기(24)를 메인 엔진(20)에 공급하는 과급기(30)를 구비한 선박(100)에 있어서의 추진축계(10)에 발생하는 비틀림 진동 응력을 저감하는 것으로서, 비틀림 진동 응력이 소정 값 이상일 때, 소기(24)의 압력을 저감하도록 구성되어 있다.

Description

비틀림 진동 응력 저감 제어 장치, 이를 구비한 선박 및 비틀림 진동 응력 저감 방법{TORSIONAL VIBRATION STRESS REDUCTION CONTROL DEVICE, MARINE VESSEL COMPRISING SAME, AND TORSIONAL VIBRATION STRESS REDUCTION METHOD}
본 발명은 선박의 추진축계에 발생하는 비틀림 진동 응력을 저감하는 비틀림 진동 응력 저감 제어 장치, 및 이 비틀림 진동 응력 저감 제어 장치를 구비한 선박에 관한 것이다. 또한, 비틀림 진동 응력을 저감하는 비틀림 진동 응력 저감 방법에 관한 것이다.
선박에 탑재되는 메인 엔진은, 피스톤의 왕복 운동을 크랭크축에 의해 회전 운동으로 변환하는 구조이며, 복수의 피스톤이 서로 다른 위상으로 왕복 운동하기 때문에, 크랭크축에 걸리는 힘은 크랭크축의 회전 각도 위치에 따라 다르고, 크랭크축을 포함한 추진축계에 생기는 비틀림 응력도 크랭크축의 회전 각도 위치에 따라 다르다. 그 결과, 추진축계 생기는 비틀림 응력은, 주로 메인 엔진의 회전에 동기하여 변동한다. 한편, 추진축계는, 진동 모드(mode)마다 고유 진동수가 존재한다. 그리고 메인 엔진의 회전이 추진축계의 고유 진동수와 일치할 때, 상기한 비틀림 응력은 단번에 증가하여 경우에 따라서는 추진축계가 파손되어 버릴 우려가 있다. 이 공진 시에서의 비틀림 진동 응력에 대해서는, 종래부터 대책이 검토되어 왔다.
비틀림 진동 응력의 대책 중 하나로서, 추진축계를 구성하는 부재의 크기나 무게의 밸런스(balance)를 바꿈으로써 추진축계의 고유 진동수를 변경하는 방법이 있다. 이 방법에 따르면, 비틀림 진동 응력의 피크(peak)를 선박의 운용 상 사용 빈도가 낮은 저 회전 속도로 이동시키거나 비틀림 진동 응력의 값을 낮추거나 할 수 있다. 다만, 추진축계의 구성 부재의 축 직경을 작게 하는 변경은 강도가 낮아지는 등의 문제가 있고, 축 직경을 크게 하는 변경은 제조 코스트가 상승하는 동시에 무게가 커지는 등의 문제가 있다. 또한, 추진축계의 구성 부재의 재료를 강도가 높은 것으로 변경함으로써 비틀림 진동 응력의 허용 값을 확대하는 방법도 있지만, 이 방법도 제조 코스트가 상승하는 동시에 재료의 변경에 따른 다른 문제가 발생할 가능성도 있다. 이와 같이, 추진축계의 구성 부재를 변경하는 대책은, 제조 코스트나 강도 면에서 문제가 생기기 쉽다.
이에 반하여, 추진축계의 구성 부재는 변경하지 않고 제어 면에서 비틀림 진동 응력을 피하거나 저감하거나 하는 대책도 검토되고 있다. 예를 들면, 특허문헌1에는, 메인 엔진이 증속 중에 통과하는 위험 회전 속도 영역을, 거버너 소기 압력 리미터(governor scavenged air pressure limiter)를 일시적으로 해제함으로써 조기에 탈출하는 위험 회전 속도 영역 회피 대책 장치가 개시되어 있다.
또한, 특허문헌2에는, 엔진 회전 속도가 소정 회전 속도 이상이 되었을 때, 과급 압력을 높이도록 구성된 크랭크축의 비틀림 방지 장치가 개시되어 있다. 이 장치에 따르면, 크랭크축에 대해 위쪽으로 작용하는 힘이 작아져 크랭크축의 비틀림이 작아지는 것으로 되어 있다.
또한, 특허문헌3에는, 디젤 기관의 회전 속도가 공진 회전 속도의 범위 내에 있을 때, 연료 분사 시기 또는 연료 분사 기간을 조정하도록 구성된 디젤 기관의 크랭크축 비틀림 진동 억제 장치가 개시되어 있다. 이 장치에 따르면, 기진(起振) 토크(torque) 성분이 작아져 공진 응력을 작게 할 수 있는 것으로 되어 있다.
일본 실공평 06-39072호 공보 일본 특개 2005-273571호 공보 일본 특개평 03-275958호 공보
그러나, 특허문헌1에 기재된 발명은, 비틀림 진동 응력의 크기 자체는 바뀌지 않기 때문에 근본적인 해결책이라고는 할 수 없다. 또한, 특허문헌2에 기재된 발명은, 엔진 회전수가 높고 엔진 부하가 낮은 비틀림 진동에 대해 관성력이 지배적인 영역에서의 대책으로서, 그 대상은 한정적이다. 특히 선박용 메인 엔진과 같은 저속 고부하 운전이 주가 되는 엔진에는 적용이 곤란하다. 또한, 특허문헌3에 기재된 발명은, 제어 대상이 연료 분사이며, 메인 엔진의 성능에 직결되는 제어이기 때문에 복잡한 제어가 되는 동시에 연료 분사 시기 및 분사 기간을 조정하는 기구를 갖고 있어야 한다는 문제가 있다.
따라서 본 발명에서는, 간단한 제어로 비틀림 진동 응력을 저감할 수 있는 비틀림 진동 응력 저감 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명에 따른 비틀림 진동 응력 저감 제어 장치는, 추진용 프로펠러와 일체가 되어 회전하는 추진축계와, 그 추진축계를 구동하는 메인 엔진과, 그 메인 엔진으로부터 배출된 배기에 의해 구동되는 터빈을 가지며, 그 터빈의 회전력을 동력으로 하여 새로운 공기를 압축하여 소기를 상기 메인 엔진에 공급하는 과급기를 구비한 선박에서의, 상기 추진축계에 발생하는 비틀림 진동 응력을 저감하기 위한 비틀림 진동 응력 저감 제어 장치로서, 상기 비틀림 진동 응력이 소정 값 이상일 때, 상기 소기의 압력을 저감하도록 구성되어 있다.
이러한 구성에 따르면, 비틀림 진동 응력이 소정 값 이상일 때에 소기의 압력이 저감되기 때문에, 메인 엔진의 효율이 낮아지는 리스크는 있지만, 비틀림 진동 응력은 확실하게 저감할 수 있다.
또한, 상기한 비틀림 진동 응력 저감 제어 장치에 있어서, 상기 소기 압력의 저감은, 상기 과급기의 터빈을 구동하는 상기 배기의 압력을 저감함으로써 이루어지도록 구성하여도 좋다.
또한, 상기한 비틀림 진동 응력 저감 제어 장치에 있어서, 상기 과급기는, 상기 메인 엔진으로부터 배출된 배기를 상기 터빈에 인도하는 배기 통로와, 그 배기 통로에 설치된 바이패스 밸브를 가지고 있으며, 상기 배기의 압력 저감은, 상기 바이패스 밸브를 개방함으로써 이루어지도록 구성하여도 좋다.
또한, 상기한 비틀림 진동 응력 저감 제어 장치에 있어서, 상기 과급기는, 상기 터빈의 전단에 가변 노즐을 가지고 있으며, 상기 배기의 압력 저감은, 상기 가변 노즐의 개도를 변경함으로써 이루어지도록 구성하여도 좋다.
또한, 상기한 비틀림 진동 응력 저감 제어 장치에 있어서, 상기 과급기로부터 상기 메인 엔진으로 공급되는 소기를 바이패스하는 소기 바이패스 밸브를 더 구비하며, 상기 소기의 압력 저감은, 상기 소기 바이패스 밸브를 조정함으로써 이루어지도록 구성하여도 좋다.
또한, 상기한 비틀림 진동 응력 저감 제어 장치에 있어서, 상기 비틀림 진동 응력이 소정 값 이상인지의 여부는, 상기 메인 엔진의 회전 속도에 따라 판단하도록 구성하여도 좋다.
또한, 상기한 비틀림 진동 응력 저감 제어 장치에 있어서, 상기 비틀림 진동 응력이 소정 값 이상인지의 여부는, 비틀림 진동 응력을 측정함으로써 판단하도록 구성하여도 좋다.
아울러, 본 발명에 따른 선박은, 상기한 비틀림 응력 저감 제어 장치 중 어느 하나를 구비하고 있다.
아울러, 본 발명에 따른 비틀림 진동 응력 저감 방법은, 추진용 프로펠러와 일체가 되어 회전하는 추진축계와, 그 추진축계를 구동하는 메인 엔진과, 그 메인 엔진으로부터 배출된 배기에 의해 구동되는 터빈을 가지며, 그 터빈의 회전력을 동력으로 하여 새로운 공기를 압축하여 소기를 상기 메인 엔진에 공급하는 과급기를 구비한 선박에서의, 상기 추진축계에 발생하는 비틀림 진동 응력을 저감하기 위한 비틀림 진동 응력 저감 방법으로서, 상기 비틀림 진동 응력이 소정 값 이상인지 여부를 판정하여, 상기 비틀림 진동 응력이 소정 값 이상이라고 판정했을 때에는, 상기 과급기의 기능을 저감시킨다.
본 발명에 따른 비틀림 진동 응력 저감 제어 장치에 의하면, 간단한 제어로 비틀림 진동 응력을 저감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 개략도이다.
도 2는 메인 엔진의 회전 속도와 비틀림 진동 응력의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 3은 소기압 제어 장치의 제어에 따른 가변 노즐의 제어 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 4는 비틀림 진동 응력 저감 제어 장치의 동작을 나타낸 플로우차트이다.
도 5는 비틀림 진동 응력 저감 제어 장치에 의한 제어가 이루어졌을 때의 메인 엔진의 부하와 소기압의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 6은 비틀림 진동 응력 저감 제어 장치에 의한 제어가 이루어졌을 때의 메인 엔진의 회전 속도와 비틀림 응력의 관계를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다. 한편, 이하에서는 모든 도면에 걸쳐 동일하거나 상응하는 구성 요소에는 동일한 참조 부호를 부여하고, 중복하는 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박(100)의 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 선박(100)은, 추진축계(10), 메인 엔진(20), 과급기(30), 소기압 제어 장치(40), 비틀림 진동 응력 저감 제어 장치(50)를 구비하고 있다. 이하, 이들 각 구성에 대해 차례로 설명한다.
추진축계(10)는, 추진용 프로펠러(11)와 일체가 되어 회전하는 일련의 축계이다. 추진축계(10)는, 도 1의 지면 좌측에서부터 차례로 추진용 프로펠러(11), 프로펠러(11)에 연결된 프로펠러축(12), 프로펠러축(12)에 동축으로 연결된 중간축(13), 중간축(13)의 메인 엔진(20) 근방에 장착된 플라이 휠(flywheel)(14), 메인 엔진(20)의 구성 요소이며 중간축(13)에 연결된 크랭크축(15), 및 크랭크축(15)의 중간축(13)과는 반대 측의 단부에 장착된 튜닝 휠(16)로 구성되어 있다. 한편, 튜닝 휠(16)은, 필요에 따라 장착된다. 이 추진축계(10)는, 메인 엔진(20)으로부터 크랭크축(15)을 통해 회전 동력을 받아 전체가 일체가 되어 회전한다.
메인 엔진(20)은, 추진축계(10)를 구동하는 장치이다. 본 실시예에 따른 메인 엔진(20)은, 유니플로우(uniflow)형 디젤 엔진이다. 메인 엔진(20)은, 다음과 같이 구동한다. 먼저, 소기관(21)에서 소기 포트(22)를 통해 실린더(23) 안으로 소기(새로운 공기)(24)가 공급된다. 공급된 소기(24)는, 피스톤(25)이 상승함으로써 압축되고, 이와 함께 연료 분사 노즐(26)에서 분사된 연료가 점화하여 폭발한다. 이 폭발에 의해 피스톤(25)은 아래로 돌아온 후, 배기(연소 후의 혼합기)(27)는 적절한 타이밍에 배기 포트(28)로부터 외부로 방출된다. 피스톤(25)의 하단에는 크랭크축(15)이 연결되어 있으며, 피스톤(25)이 상기와 같은 상하 운동을 반복함으로써 크랭크축(15)은 회전한다.
도 2의 실선은, 메인 엔진(20)의 회전 속도와 비틀림 진동 응력의 관계(비틀림 진동 응력 곡선(101))의 일예를 나타내고 있다. 도 2의 가로축은 메인 엔진(20)의 회전 속도이며, 세로축은 비틀림 진동 응력이다. 어디까지나 일예이지만, 도 2의 경우에는, 메인 엔진(20)의 65% 회전 속도가 공진 회전 속도이며, 그 회전 속도 때에, 비틀림 진동 응력이 단번에 상승하고 있다.
여기서, 도 2의 점선은, 제1 위험 곡선(102)과 제2 위험 곡선(103)을 나타내고 있다. 이 중 제1 위험 곡선(102)은, 이것을 초과하는 비틀림 진동 응력이 발생한 상태에서 연속 운전이 이루어지면, 추진축계에 피로 파괴가 발생할 수 있는 우려가 있음을 나타내는 곡선이다. 또한, 제2 위험 곡선(103)은, 이것을 초과하는 비틀림 진동 응력이 생기는 추진축계는 선박에 채용할 수 없음을 나타내는 곡선이다. 실제의 선박 운용에서는, 바드 레인지(Barred Range)라고 불리는 회전 속도 영역이 설정된다. 바드 레인지란, 실제의 운용에 있어서 메인 엔진의 연속 사용이 금지되는 회전 속도 영역을 말한다. 본 실시예에서는, 제1 위험 곡선(102)과 비틀림 진동 응력 곡선(101)이 교차하는 교차점 사이의 영역을 바드 레인지로서 설정한다.
과급기(30)는, 새로운 공기를 흡입하여 압축한 소기(24)를, 소기관(21)을 통해 메인 엔진(20)에 공급하는 장치이다. 과급기(30)는, 터빈(31)과, 가변 노즐(32)과, 압축기(33)와, 배기 통로(34)와, 바이패스 밸브(35)에 의해 주로 구성되어 있다. 메인 엔진(20)에서 배출된 배기(27)는, 배기 통로(34)를 통해 가변 노즐(32)에 도입된다. 가변 노즐(32)은, 터빈(31)의 전단에 위치하고 있으며, 복수의 노즐 베인(nozzle vane)으로 구성되어 있다. 이 노즐 베인은 각도를 변경할 수 있도록 구성되어 있으며, 노즐 베인의 각도를 변경함으로써 가변 노즐(32)의 개도를 조정할 수 있다. 가변 노즐(32)의 개도가 커지면 공급되는 배기(27)의 압력(동압)은 작아지고, 가변 노즐(32)의 개도가 작아지면 공급되는 배기(27)의 압력은 커진다.
가변 노즐(32)을 통과한 배기(27)는, 터빈(31)을 회전시킨다. 터빈(31)과 압축기(33)는 로터축(36)으로 연결되어 있으며, 터빈(31)의 회전에 따라 압축기(33)도 회전한다. 압축기(33)는, 외부에서 받아들인 새로운 공기를 압축하여 소기(24)를 소기관(21)을 통해 메인 엔진(20)에 공급하지만, 압축기(33)의 회전 속도가 커지면 압축기(33)의 출구에서의 소기(24)의 압력은 커지고, 이에 따라 소기관(21) 내의 압력(이하, "소기압"이라고 한다)이 커진다. 또한, 상술한 배기 통로(34)에는, 바이패스 밸브(35)가 설치되어 있다. 바이패스 밸브(35)가 개방되면, 터빈(31)에 인도되어 있던 배기(27)의 일부가 외부로 바이패스되어 공급되는 배기(27)의 압력이 낮아진다. 한편, 바이패스 밸브(35)는, 개방과 폐쇄 중 어느 하나로 전환 가능한 개폐 전환(ON-OFF 전환)형 밸브이어도 좋고, 개도를 임의로 조정할 수 있는 개도 조정형 밸브이어도 좋다.
소기압 제어 장치(40)는, 소기압을 제어하는 장치로서, 터빈(31)을 회전시키는 배기(27)의 압력을 제어함으로써 소기압을 제어하고 있다. 더욱 구체적으로는, 소기압 제어 장치(40)에서는, 바이패스 밸브(35) 및 가변 노즐(32)의 개도를 조정함으로써 배기(27)의 압력을 제어하고, 이에 따라 소기압을 제어한다. 또한, 소기압 제어 장치(40)는 메인 엔진의 부분 부하에서의 소기압을 올림으로써 메인 엔진(20)의 효율을 향상시키는 것을 목적으로 설치되어 있는 것이다. 소기압 제어 장치(40)는, 후술하는 제어 곡선(104)에 따라 바이패스 밸브(35) 및 가변 노즐(32)을 제어하는 제어 신호를 생성하여, 도 1에 도시된 바와 같이 그 제어 신호를 비틀림 진동 응력 저감 제어 장치(50)에 전송하도록 구성되어 있다. 또한, 소기압 제어 장치(40)는, 회전속도계(41)로부터 메인 엔진(20)의 회전 속도에 관한 신호를 얻을 수 있고, 연료 펌프(60)에 장착된 퓨얼 인덱스 트랜스미터(fuel index transmitter)(61)로부터 연료 랙 량(연료 주유량)에 관한 신호를 얻을 수 있고, 소기압계(42)로부터 소기압에 관한 신호를 얻을 수 있도록 구성되어 있다.
여기서, 소기압 제어 장치(40)에 의한 제어(제어 신호 생성 방법)에 대해 가변 노즐(32)을 제어하는 경우에 주목하여 설명한다. 도 3의 실선은, 가변 노즐(32)의 제어 곡선(104)의 일예를 나타내고 있다. 도 3의 가로측은 메인 엔진(20)의 부하이고, 세로축은 소기압이다. 또한, 도 3에 도시된 2개의 점선 중 소기압이 높은 쪽의 직선은, 가변 노즐(32)의 개도가 일반적으로 최소일 때의 소기압선(이하, "제1 소기압선"이라고 한다)(105)이고, 소기압이 낮은 쪽의 직선은 가변 노즐의 개도가 일반적으로 최대일 때의 소기압선(이하, "제2 소기압선"이라고 한다)(106)이다. 먼저, 소기압 제어 장치(40)는, 회전속도계(41)로부터 메인 엔진(20)의 회전 속도를 얻고, 퓨얼 인덱스 트랜스미터(61)로부터 연료 랙 양을 얻고, 얻은 메인 엔진(20)의 회전 속도 및 연료 랙 양으로부터 메인 엔진(20)의 부하를 추정한다. 또한, 메인 엔진 부하는 실린더 내 압력에 관한 신호나 과급기 회전에 관한 신호를 얻음으로써 추정해도 좋다. 한편, 추정한 메인 엔진(20)의 부하에 대응하는 소기압을 도 3에서 파악한다. 그리고 도 3에서 파악한 소기압과 소기압계(42)에 의해 실측한 소기압이 같아지도록 가변 노즐(32)을 제어한다(제어 신호를 생성한다). 한편, 가변 노즐의 실제의 개도는, 대기조건 등에 따라 약간 다르다.
이와 같이, 소기압 제어 장치(40)는, 도 3에 따라 제어 신호를 생성하기 때문에, 만일 소기압 제어 장치(40)만으로 제어가 이루어졌을 경우에는, 소기압은 도 3에 도시된 바와 같은 제어 곡선(104)을 따라 변해가게 된다. 즉, 도 3의 예에서 말하면, 메인 엔진(20)의 부하가 75% 부하보다 작을 때는, 가변 노즐(32)의 개도는 최소이고, 소기압은 제1 소기압선(105)을 따라 변해간다. 그리고 메인 엔진(20)의 부하가 75% 부하를 넘으면 점차 가변 노즐(32)의 개도는 커지고, 이에 따라 소기압의 상승 비율이 낮아진다. 마지막으로 메인 엔진(20)의 부하가 100% 부하에 도달했을 때에는, 가변 노즐(32)의 개도는 최대가 되고, 소기압은 제2 소기압선(106)과 교차한다. 또한, 이상에서는 가변 노즐(32)만을 제어하는 경우에 대해 설명했지만, 바이패스 밸브(35)도 동일하게 제어할 수 있다. 특히, 바이패스 밸브(35)가 개도 조정형 밸브인 경우에는, 개도를 미세 조정할 수 있다는 점에서 가변 노즐(32)과 같기 때문에 도 3과 같은 제어 곡선을 사용하여 제어할 수 있다. 또한, 바이패스 밸브(35)가 개폐 전환형 밸브인 경우에는, 메인 엔진(20)의 부하가 어떤 값(예를 들면, 75% 부하)에 도달하면, 바이패스 밸브(35)를 완전 폐쇄에서 완전 개방으로 전환하는 제어가 이루어진다.
비틀림 진동 응력 저감 제어 장치(50)는, 비틀림 진동 응력을 저감시키기 위한 제어 장치이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 비틀림 진동 응력 저감 제어 장치(50)는, 소기압 제어 장치(40)로부터 가변 노즐(32) 및 바이패스 밸브(35)를 제어하는 제어 신호를 수신하고, 회전속도계(41)로부터 메인 엔진(20)의 회전 속도에 관한 신호를 수신하며, 가변 노즐(32) 및 바이패스 밸브(35)에 제어 신호를 전송할 수 있도록 구성되어 있다. 비틀림 진동 응력 저감 제어 장치(50)는 다음과 같이 동작한다.
도 4는, 비틀림 진동 응력 저감 제어 장치(50)의 플로우차트이다. 먼저, 도 4에 도시된 바와 같이, 비틀림 진동 응력 저감 제어 장치(50)는, 비틀림 진동 응력이 소정 값 이상인지 여부를 판정한다(단계(S1)). 본 실시예에서는, 회전속도계(41)로부터 메인 엔진(20)의 회전 속도를 얻고, 메인 엔진(20)의 회전 속도가 위험 회전 속도 영역에 있는지 여부에 따라 비틀림 진동 응력이 소정 값 이상인지 여부를 판정한다. 여기서, 위험 회전 속도 영역이란, 비틀림 진동 응력이 소정 값 이상일 때의 회전 속도 영역이며, 도 2에 도시된 비틀림 진동 응력 곡선에 따라 미리 설정된다(도 6 참조). 본 실시예에서는, 위험 회전 속도 영역은, 상술한 바드 레인지보다 약간 넓은 영역으로 설정된다. 또한, 본 실시예에서는, 비틀림 진동 응력이 소정 값 이상인지 여부를 메인 엔진(20)의 회전 속도에 따라 판정하고 있지만, 추진축계(10)에 비틀림 응력 측정 장치를 설치하여 직접 비틀림 진동 응력의 값을 측정하고 판정하도록 하여도 좋다. 또한, 비틀림 진동 응력이 소정 값 이상인지 여부의 판정에서는, 메인 엔진(20)의 회전 속도에 의존하지 않는 일정한 값을 소정 값으로 하여도 좋고, 메인 엔진(20)의 회전 속도에 따라 변동하는 값을 소정 값으로 하여도 좋다.
이어서, 비틀림 진동 응력이 소정 값 이상이 아니라고 판정했을 경우(단계(S1)에서 아니오(NO)), 비틀림 진동 응력 저감 제어 장치(50)는, 소기압 제어 장치(40)로부터 수신한 제어 신호를 그대로 가변 노즐(32) 및 바이패스 밸브(35)에 전송한다(단계(S3)). 즉, 이때, 가변 노즐(32) 및 바이패스 밸브(35)는, 소기압 제어 장치(40)에 의해 제어된다. 한편, 비틀림 진동 응력이 소정 값 이상이라고 판정했을 경우(단계(S1)에서 예(YES)), 비틀림 진동 응력 저감 제어 장치(50)는, 가변 노즐(32)에 대해서는 개도를 최대로 하는 제어 신호를 전송하고, 개도 조정형 바이패스 밸브(35)에 대해서는 개도를 최대로 하는 제어 신호를 전송하고, 개폐 전환형 바이패스 밸브(35)에 밸브를 개방하는 제어 신호를 전송한다(단계(S2)). 즉, 비틀림 진동 응력이 소정 값 이상이라고 판정했을 경우에는, 터빈(31)에 공급되는 배기의 압력을 최대한 낮추도록, 바꾸어 말하면, 과급기(30)의 기능이 저감되도록 제어한다. 이상이, 비틀림 진동 응력 저감 제어 장치(50)에 의한 제어이다.
비틀림 진동 응력 저감 제어 장치(50)가 상기와 같은 제어를 행함으로써 소기압은 도 5와 같이 변해간다. 도 5의 실선은, 비틀림 진동 응력 저감 제어 장치(50)에 의한 제어가 이루어졌을 때 메인 엔진(20) 부하와 소기압의 관계(소기압 곡선(107))를 나타내고 있다. 도 5의 가로축은 메인 엔진(20)의 부하이고, 세로축은 소기압이다. 또한, 도 5는, 도 3의 경우와 마찬가지로, 가변 노즐(32)만을 제어했을 경우의 도면이다. 도 5에 도시된 점선은, 도 3에 도시된 제1 소기압선(105)과 제2 소기압선(106)이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 메인 엔진(20)의 부하가 위험 회전 속도 영역에 해당하는 부하보다 작은 경우에는, 소기압 제어 장치(40)의 제어 신호는 그대로 가변 노즐(32)에 전송되기 때문에, 도 3에 도시된 제어 곡선(104)의 추이와 같이 소기압은 제1 소기압선(105)을 따라 변해간다. 그리고 메인 엔진(20)의 부하가, 위험 회전 속도 영역에 해당하는 부하일 때는, 가변 노즐(32)에는 개도를 최대가 되는 제어 신호가 전송되기 때문에, 소기압은 단번에 낮아져 제2 소기압선(106)을 따라 변해간다. 또한, 메인 엔진(20)의 부하가, 위험 회전 속도 영역에 해당하는 부하보다 큰 경우에는, 소기압 제어 장치(40)의 제어 신호는 그대로 가변 노즐(32)에 전송되기 때문에, 도 3에 도시된 제어 곡선(104)의 추이와 마찬가지로 소기압은 메인 엔진(20)의 부하가 75% 부하가 될 때까지 제1 소기압선(105)을 따라 변해간 후, 제2 소기압선(106)을 향해 변해간다. 이상과 같이, 비틀림 진동 응력 저감 제어 장치(50)의 제어에 따르면, 비틀림 진동 응력이 소정 값 이상일 경우(메인 엔진(20)이 위험 회전 속도에 있을 때), 소기압은 저감된다.
비틀림 진동 응력 저감 제어 장치(50)의 제어에 의해 소기압이 도 5에 도시된 바와 같이 변해간 결과, 비틀림 진동 응력은 도 6에 도시된 바와 같이 변해간다. 도 6의 실선은, 비틀림 진동 응력 저감 제어 장치(50)에 의한 제어가 이루어졌을 때 메인 엔진(20)의 회전 속도와 비틀림 진동 응력의 관계(비틀림 진동 응력 곡선(108))을 나타내고 있다. 도 6의 가로축은 메인 엔진(20)의 회전 속도이고, 세로축은 비틀림 진동 응력이다. 여기서, 도 6의 일점쇄선으로 나타낸 2개의 곡선 중 비틀림 진동 응력이 큰 쪽의 곡선은, 도 2의 비틀림 진동 응력 곡선(101)과 같은 곡선이고, 가변 노즐(32)의 개도가 최소일 때(말하자면 통상 운전 때)의 비틀림 진동 응력 곡선(이하, "제1 비틀림 진동 응력 곡선"이라고 한다)(109)이다. 또한, 비틀림 진동 응력이 작은 쪽의 곡선은 가변 노즐(32)의 개도가 최대일 때(즉 소기압을 낮추었을 때)의 비틀림 진동 응력 곡선(이하, "제2 비틀림 진동 응력 곡선"이라고 한다)(110)이다. 또한 도 2의 경우와 마찬가지로, 도 6에는 제1 위험 곡선(102) 및 제2 위험 곡선(103)도 도시되어 있다.
이상을 근거로 하여 비틀림 진동 응력 저감 제어 장치(50)에 의한 제어가 이루어졌을 경우 비틀림 진동 응력의 추이에 대해 도 6을 참조하면서 설명한다. 메인 엔진(20)의 회전 속도가 위험 회전 속도 영역보다 작을 때는, 가변 노즐(32)은 개도가 최소가 되도록 제어되기 때문에, 비틀림 진동 응력은 제1 비틀림 진동 응력 곡선(109)을 따라 변해간다. 그리고 메인 엔진(20)의 회전 속도가 위험 회전 속도 영역에 들어가면, 가변 노즐(32)은 개도가 최대가 되도록 제어되기 때문에, 소기압이 단번에 낮아져 저하 비틀림 진동 응력이 단번에 낮아진다. 그리고 메인 엔진(20)의 회전 속도가 위험 회전 속도 영역에 있는 동안에, 비틀림 진동 응력은 제2 비틀림 진동 응력 곡선(110)을 따라 변해간다. 또한, 메인 엔진(20)의 회전 속도가 위험 회전 속도 영역보다 클 때는, 가변 노즐(32)은 개도가 최소가 되도록 제어되기 때문에, 비틀림 진동 응력은 원래대로 돌아와서 제1 비틀림 진동 응력 곡선(10)을 따라 변해간다. 이와 같이, 비틀림 진동 응력 저감 제어 장치(50)에 의한 제어에 따르면, 위험 회전 속도 영역에서(본래, 비틀림 진동 응력이 높아지는 영역에서), 비틀림 진동 응력을 저감할 수 있다.
한편, 이상에서는 도 5 및 도 6을 참조하여 비틀림 진동 응력 저감 제어 장치(50)가 가변 노즐(32)을 제어하는 경우에 대해 설명했지만, 바이패스 밸브(35)만을 제어했을 경우 및 가변 노즐(32)과 바이패스 밸브(35)의 양쪽 모두를 제어했을 경우에도 같은 결과를 얻을 수 있다. 또한, 바이패스 밸브(35)는, 개도 조정 형 밸브이어도 메인 엔진(20)의 회전 속도가 위험 회전 속도 영역에 들어가면 완전 개방되기 때문에, 밸브의 종류에 따라 결과가 달라지는 일은 없다. 이와 같이, 본 실시예의 비틀림 진동 응력 저감 제어 장치(50)에 의한 제어는, 가변 노즐(32)이나 바이패스 밸브(35)의 개도를 조정하기만 하면 비틀림 진동 응력을 저감시킬 수 있기 때문에 매우 간단한 제어라고 말할 수 있다. 또한, 가변 노즐이나 개도 조정형 밸브에 있어서는, 안정된 제어를 실현하기 위해, 위험 회전 속도에서의 노즐/밸브 개도 조정을 단계적, 혹은 완만하게 연속적으로 변화시켜도 좋다.
이상과 같이, 본 실시예의 비틀림 진동 응력 저감 제어 장치(50)에 의하면, 본래라면 비틀림 진동 응력이 높은 영역에서, 비틀림 진동 응력을 저감할 수 있기 때문에, 예를 들어, 비틀림 진동 응력이 제2 위험 곡선(103)을 초과하는 추진축계(10)이어도 추진축계(10)의 구성 부재를 변경하지 않고 선박(100)에 사용할 수 있다. 또한, 도 6과 도 2를 대비하면 명백한 바와 같이, 비틀림 진동 응력 저감 제어 장치(50)의 제어에 따르면, 바드 레인지의 범위를 좁힐 수 있어 보다 효율적인 운용이 가능해진다. 또한, 본 실시예에 따른 비틀림 진동 응력 저감 제어 장치(50)는, 제어 면에서 비틀림 진동 응력을 저감시키는 것이기 때문에 추진축계(10)의 구성 부재를 변경할 필요도 없다.
이상, 본 발명의 실시예에 따른 선박(100)에 대해 설명했지만, 구체적인 구성은 이러한 실시예에 한정되는 것이 아니라, 이 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위의 설계 변경 등이 있어도 본 발명에 포함된다. 예를 들어, 상기 실시예에서는, 소기압을 저감시키기 위해 배기(27)의 압력을 저감시키고 있었지만, 압축기(33)의 입구에 설치되는 가이드 베인의 각도를 조정함으로써 소기압을 저감시켜도 좋다. 또한, 압축기 출구에 과급기로부터 메인 엔진에 공급되는 소기를 바이패스하는 소기 바이패스 밸브를 설치하고, 그 소기 바이패스 밸브를 조정함으로써 소기압을 저감시켜도 좋다.
또한, 상기 실시예에서는, 비틀림 진동 응력 저감 제어 장치(50)와 소기압 제어 장치(40)를 직렬로 배치하는 경우에 대해 설명했지만, 이것들을 병렬로 배치하고 두 장치로부터 가변 노즐(32)이나 바이패스 밸브(35)에 직접 신호를 전송하도록 구성하여도 좋다.
본 발명에 따른 비틀림 진동 응력 저감 제어 장치는, 간단한 제어로 비틀림 진동 응력을 저감할 수 있기 때문에 선박 등의 기술분야에 있어서 유익하다.
10: 추진축계
11: 프로펠러
20: 메인 엔진
24: 소기
27: 배기
30: 과급기
31: 터빈
32: 가변 노즐
33: 압축기
34: 배기 통로
35: 바이패스 밸브
50: 비틀림 진동 응력 저감 제어 장치
100: 선박

Claims (9)

  1. 추진용 프로펠러와 일체가 되어 회전하는 추진축계와, 그 추진축계를 구동하는 메인 엔진과, 그 메인 엔진으로부터 배출된 배기에 의해 구동되는 터빈을 가지며, 그 터빈의 회전력을 동력으로 하여 새로운 공기를 압축하여 소기를 상기 메인 엔진에 공급하는 과급기를 구비한 선박에서의, 상기 추진축계에 발생하는 비틀림 진동 응력을 저감하기 위한 비틀림 진동 응력 저감 제어 장치로서,
    상기 비틀림 진동 응력이 소정 값 이상일 때, 상기 소기의 압력을 저감하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 비틀림 진동 응력 저감 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 소기 압력의 저감은, 상기 과급기의 터빈을 구동하는 상기 배기의 압력을 저감함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 비틀림 진동 응력 저감 제어 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 과급기는, 상기 메인 엔진으로부터 배출된 배기를 상기 터빈에 인도하는 배기 통로와, 그 배기 통로에 설치된 바이패스 밸브를 가지고 있으며,
    상기 배기의 압력 저감은, 상기 바이패스 밸브를 개방함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 비틀림 진동 응력 저감 제어 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 과급기는, 상기 터빈의 전단에 가변 노즐을 가지고 있으며,
    상기 배기의 압력 저감은, 상기 가변 노즐의 개도를 변경함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 비틀림 진동 응력 저감 제어 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 과급기로부터 상기 메인 엔진으로 공급되는 소기를 바이패스하는 소기 바이패스 밸브를 더 구비하며,
    상기 소기의 압력 저감은, 상기 소기 바이패스 밸브를 조정함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 비틀림 진동 응력 저감 제어 장치.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비틀림 진동 응력이 소정 값 이상인지의 여부는, 상기 메인 엔진의 회전 속도에 따라 판단하는 것을 특징으로 하는 비틀림 진동 응력 저감 제어 장치.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비틀림 진동 응력이 소정 값 이상인지의 여부는, 비틀림 진동 응력을 측정함으로써 판단하는 것을 특징으로 하는 비틀림 진동 응력 저감 제어 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 비틀림 응력 저감 제어 장치를 구비한 선박.
  9. 추진용 프로펠러와 일체가 되어 회전하는 추진축계와, 그 추진축계를 구동하는 메인 엔진과, 그 메인 엔진으로부터 배출된 배기에 의해 구동되는 터빈을 가지며, 그 터빈의 회전력을 동력으로 하여 새로운 공기를 압축하여 소기를 상기 메인 엔진에 공급하는 과급기를 구비한 선박에서의, 상기 추진축계에 발생하는 비틀림 진동 응력을 저감하기 위한 비틀림 진동 응력 저감 방법으로서,
    상기 비틀림 진동 응력이 소정 값 이상인지 여부를 판정하여, 상기 비틀림 진동 응력이 소정 값 이상이라고 판정했을 때에는, 상기 과급기의 기능을 저감시키는 것을 특징으로 하는 비틀림 진동 응력 저감 방법.
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