KR20150056192A

KR20150056192A - 터빈을 이용한 프로펠러 효율 향상 장치

Info

Publication number: KR20150056192A
Application number: KR1020130138870A
Authority: KR
Inventors: 이경완
Original assignee: 이경완
Priority date: 2013-11-15
Filing date: 2013-11-15
Publication date: 2015-05-26

Abstract

본 발명은 터빈을 이용한 프로펠러 효율 향상 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 터빈에 장착된 날개가 PBCF보다는 커서 토크 감소효과가 크지만 프로펠러 직경보다는 작아서 손상의 위험은 낮으며, 특정한 조건에서 터빈의 회전속도가 프로펠러보다 느리더라도 회전축에 영향을 주지 않아 추진효율 감소가 발생하지 않는, 터빈을 이용한 프로펠러 효율 향상 장치에 관한 것이다.

Description

터빈을 이용한 프로펠러 효율 향상 장치{High Efficiency Turbine Device}

본 발명은 터빈을 이용한 프로펠러 효율 향상 장치에 관한 것이다.

프로펠러는 대부분의 선박에 추진기로 사용된다. 선박의 추진 시스템은 엔진과 프로펠러로 구성되어 있고, 엔진은 회전축을 회전시키고 프로펠러는 회전하면서 추력을 만들어 선박을 전진하게 한다. 이 경우, 프로펠러의 효율을 향상시키기 위해서는 동일한 토크 대비 추력을 더 낸다든지, 동일한 추력 대비 토크를 감소시켜야 한다. 전자의 경우 프로펠러 추력을 더 내기 위하여 많은 시도가 있어왔지만 캐비테이션(프로펠러 회전 시 압력이 낮아서 물이 공기로 변하는 현상)으로 인한 한계가 있는 상황이다. 후자의 경우 토크를 줄이기 위해 발명된 대표적인 것으로는 PBCF(Propeller Boss Cap Fin)이 있다.

한편, 프로펠러 후류를 이용하여 추진 효율을 향상시키기 위해 프로펠러 후방에 터빈을 부착하려는 많은 시도가 있어왔지만, 터빈이 프로펠러 회전축에 고정 설치되면 오히려 토크가 급격히 증가하여 회전 효율이 감소하게 된다. 또한 프로펠러 뒤에 자유롭게 회전하는 터빈을 부착하게 되면 유동을 변화시킬 수 있지만 그 효과가 미미할 뿐더러 토크가 감소되지 않아 추진효율을 상승시키기가 매우 어렵다.

에너지 절감장치를 구비한 선박(특허출원 제10-2011-0053080호)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 선박의 프로펠러 후방에 터빈을 장착하여 프로펠러의 효율을 높여주는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 터빈에 장착된 날개가 PBCF보다는 커서 토크 감소효과가 크지만 프로펠러 직경보다는 작아서 손상의 위험은 낮으며, 특정한 조건에서 터빈의 회전속도가 프로펠러보다 느리더라도 회전축에 영향을 주지 않아 추진효율 감소가 발생하지 않는, 터빈을 이용한 프로펠러 효율 향상 장치를 제공한다.

본 발명의 경우 터빈의 회전속도가 프로펠러의 회전속도보다 빠른 경우에는 클러치 베어링이 프로펠러의 회전방향으로 잠기게 되는 결과로 터빈은 회전축에 부가 회전력을 제공하게 되므로, 이로 인해 회전축의 회전속도가 증가하거나 엔진의 토크가 감소하게 된다. 회전축의 회전속도 증가는 프로펠러 추력이 증가하는 것이므로 선박의 속도가 증가하게 된다. 또한 엔진의 토크가 감소하면, 연료소모량이 감소하여 에너지가 저감된다. 프로펠러의 효율은 회전에 소모된 에너지에 대한 추력 발생에 의한 에너지 비로 표현하는데, 터빈에 의해 회전에 소모된 에너지가 절감되면 전체적으로 프로펠러 효율이 향상된다. 한편, 터빈의 회전속도가 프로펠러의 회전속도보다 느린 경우에는 클러치 베어링 및 터빈이 무부하 공회전하여 회전축에 어떠한 영향도 주지 않으므로 본 발명의 장착으로 인한 에너지 손실은 없게 된다.

도 1은 본 발명의 측면도.
도 2는 본 발명의 정면 단면도.
도 3은 본 발명의 상세 결합도.
도 4는 본 발명에 따른 클러치 베어링의 작용원리를 보여주는 도면.
도 5는 본 발명에 따른 프로펠러 회전속도 대비 터빈 회전속도의 상관관계를 보여주는 도면.
도 6은 본 발명에 따른 프로펠러 피치 각도 대비 터빈 블레이드 피치 각도의 상관관계를 보여주는 도면.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 측면도이며, 도 2는 본 발명의 정면 단면도이며, 도 3은 본 발명의 상세 결합도이다.

본 발명은 선박의 프로펠러(30) 후방에 장착된 터빈(60)의 작용으로 추진효율을 향상시키기기 위한 것으로(도 1), 이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 프로펠러(30), 연결축(40), 클러치 베어링(50), 터빈(60) 및 터빈 블레이드(70)를 포함하여 이루어진다.

프로펠러(30)는 엔진(10)으로부터 구동력을 전달받는 회전축(20) 상에 장착되어 회전축(20)과 동일한 속도로 회전한다.

연결축(40)은 프로펠러(30) 후방의 회전축(20) 끝단에 장착되어 회전축(20)과 동일한 속도로 회전하게 되는데, 후술하는 클러치 베어링(50) 및 터빈(60)이 바로 이러한 연결축(40) 상에 장착되어 연결축(40)을 매개로 회전축(20)에 대하여 소정의 기능을 수행하게 된다. 즉, 본 발명에서 연결축(40)은 회전축(20)의 연장선 상에 있는 또 하나의 회전축(20)인 셈이다.

이러한 연결축(40)은, 보다 구체적으로는, 회전축 연결부(41) 및 클러치 베어링 장착부(42)로 이루어지는바(도 3), 회전축 연결부(41)는 회전축(20) 끝단에 체결될 수 있도록 홈을 구비하고, 클러치 베어링 장착부(42)는 외곽에 클러치 베어링(50)이 장착될 수 있도록 회전축 연결부(41)의 후방으로 연장된 축 형상의 몸체로 이루어진다. 이 경우, 본 발명의 실시 예에 따르면, 회전축 연결부(41)의 홈에는 회전축(20) 끝단에 나사결합의 방식으로 체결될 수 있도록 나사산을 구비하는 것이 가능하다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 회전축 연결부(41)는 기존에 회전축(20) 끝단에 체결되어 있던 너트를 제거하고 해당 너트의 직경에 맞추어 회전축 연결부(41)를 가공한 뒤 이를 회전축(20) 끝단에 체결하는 것으로 구현해 낼 수 있다. 한편, 회전축 연결부(41)의 가장자리에는 볼트(43)를 체결하여 연결축(40)이 단단히 고정될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

클러치 베어링(50)은 연결축(40) 상에 장착(본 발명의 실시 예에 따르면, 클러치 베어링(50)은 키를 이용해 연결축(40) 상에 장착될 수 있다)되며, 터빈(60)은 클러치 베어링(50)의 외곽에 장착되어 클러치 베어링(50)을 매개로 연결축(40) 상에서 회전하게 된다.

이 경우, 터빈(60)은 제1 실링 장치(61)와 제2 실링 장치(62), 터빈 보스(63), 제1 터빈 커버(64)와 제2 터빈 커버(65)를 구비하는데(도 3), 이들 각 요소의 결합관계에 의하여 터빈(60)은 전체적으로 클러치 베어링(50)을 감싸는 수밀 구조를 이루어 수중에서 클러치 베어링(50)의 부식이나 고장을 방지하게 된다.

즉, 도 3에서, 제1 실링 장치(61)는 연결축(40) 상에서 클러치 베어링(50)의 후방에 장착되고, 제2 실링 장치(62)는 연결축(40) 상에서 클러치 베어링(50)의 전방에 장착되고, 터빈 보스(63)는 클러치 베어링(50) 및 제1 실링 장치(61)와 제2 실링 장치(62)의 외곽 면에 동시에 접하도록 장착되고, 제1 터빈 커버(64)는 연결축(40) 상에서 제1 실링 장치(61) 및 터빈 보스(63)의 후방 면에 동시에 접하도록 장착되어 제1 실링 장치(61) 및 터빈 보스(63)를 잡아 주고, 제2 터빈 커버(65)는 연결축(40) 상에서 제2 실링 장치(62) 및 터빈 보스(63)의 전방 면에 동시에 접하도록 장착되어 제2 실링 장치(62) 및 터빈 보스(63)를 잡아 주어, 전체적으로 터빈(60)은 클러치 베어링(50)을 감싸는 수밀 구조를 이루게 되는 것이다.

한편, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 연결축(40)의 후방 끝단에는 터빈(60)의 이탈을 방지하기 위한 터빈 캡(80)이 장착되는데, 이 경우 터빈 캡(80)과 제1 터빈 커버(64) 사이에는 마찰방지 장치(81)를 장착하여 터빈 캡(80)과 제1 터빈 커버(64) 사이의 마찰이 최소화되도록 하는 것이 바람직하다(도 3).

터빈 블레이드(70)는 터빈(60)의 외곽에 장착(도 1, 도 2)(본 발명의 실시 예에 따르면, 터빈 블레이드(70)는 터빈(60)의 외곽에 용접 등의 방법으로 고정 부착된다)되어 터빈(60)을 회전시키는 작용을 하게 되는바, 보다 구체적으로, 터빈 블레이드(70)는 프로펠러(30)를 지난 후류의 작용으로 프로펠러(30)와 동일한 방향으로 회전하면서 터빈 블레이드(70)와 연결된 터빈(60)을 회전시키게 된다.

그런데, 상술한 바와 같이 터빈(60)은 클러치 베어링(50)의 외곽에 장착되어 클러치 베어링(50)을 매개로 연결축(40) 상에서 회전하게 되므로 이러한 클러치 베어링(50)의 작용 양상에 따라 터빈(60)이 회전축(20)에 대하여 수행하게 되는 기능 또한 달라진다. 이하, 이에 대하여 보다 상세하게 설명한다.

상술한 바와 같이 터빈 블레이드(70)는 프로펠러(30)를 지난 후류의 작용으로 프로펠러(30)와 동일한 방향으로 회전하면서 터빈 블레이드(70)와 연결된 터빈(60)을 회전시키게 되는데, 이 경우 터빈(60)의 회전속도가 프로펠러(30)의 회전속도보다 느린 상태에서는 클러치 베어링(50) 및 터빈(60)이 무부하 공회전하게 되지만, 터빈(60)의 회전속도가 프로펠러(30)의 회전속도보다 빠른 상태에서는 클러치 베어링(50)이 프로펠러(30)의 회전방향으로 잠기게 되는 결과로 터빈(60)은 회전축(20)에 부가 회전력을 제공하게 된다.

상술한 클러치 베어링(50)의 작용원리를 예를 들어 설명하면 다음과 같다. 도 4은 본 발명에 따른 클러치 베어링(50)의 작용원리를 보여주는 도면인데, 도 4에서, 터빈(60)이 반시계 방향으로 회전할 때(도 4의 A)(프로펠러(30), 즉 회전축(20)과 터빈(60)이 모두 시계 방향으로 회전한다고 가정했을 때 터빈(60)의 회전속도가 회전축(20)의 회전속도보다 느린 상태에서는 터빈(60)은 회전축(20)을 기준으로 반시계 방향으로 회전하는 셈이 된다)에는 클러치 베어링(50) 내부의 롤러 볼(51)이 왼쪽으로 이동하여 내부에서 자유롭게 회전하면서 회전축(20)과 터빈(60)에 어떠한 힘도 가하지 않게 되지만(일명, 무부하 공회전), 터빈(60)이 시계 방향으로 회전할 때(도 4의 B)(프로펠러(30), 즉 회전축(20)과 터빈(60)이 모두 시계 방향으로 회전한다고 가정했을 때 터빈(60)의 회전속도가 회전축(20)의 회전속도보다 빠른 상태에서는 터빈(60)은 회전축(20)을 기준으로 시계 방향으로 회전하는 셈이 된다)에는 클러치 베어링(50) 내부의 롤러 볼(51)이 오른쪽으로 이동하여 경사면에 걸리면서 회전을 하지 못하게 되고 그 상태에서 외측의 터빈(60)의 회전력(힘)을 내측의 회전축(20)으로 전달하게 된다(일명, 오버러닝).

도 5는 본 발명에 따른 프로펠러(30) 회전속도 대비 터빈(60) 회전속도의 상관관계를 보여주는 도면이다. 도 5에서, 구간 1에서는 프로펠러(30)의 회전속도보다 터빈(60)의 회전속도가 느리므로 터빈(60)은 무부하 공회전한다. 하지만, 임계점(프로펠러(30) 후류를 받은 터빈(60)의 회전속도가 프로펠러(30)의 회전속도보다 빨라지게 되는 시점)에서는 클러치 베어링(50) 내부의 롤러 볼(51)이 재배열되면서 외측의 터빈(60)의 회전력(힘)을 내측의 회전축(20)으로 전달하기 시작하며, 구간 2에 들어서게 되면 프로펠러(30) 후류를 받은 터빈(60)이 자신의 회전력을 그대로 회전축(20)에 전달하게 되므로 이 경우 본 발명에 따른 프로펠러(30)는 기존 프로펠러(30) 단독으로 추진할 때에 비하여 회전속도가 증가하는 효과가 있게 된다. 이는 곧 동일 마력에서 프로펠러(30)의 회전속도가 증가함으로 인해 선박의 속도 및 추진효율이 향상됨을 의미한다.

이처럼 본 발명의 경우 터빈(60)의 회전속도가 프로펠러(30)의 회전속도보다 빠른 경우에는 클러치 베어링(50)이 프로펠러(30)의 회전방향으로 잠기게 되는 결과로 터빈(60)은 회전축(20)에 부가 회전력을 제공하게 되므로, 이로 인해 회전축(20)의 회전속도가 증가하거나 엔진(10)의 토크가 감소하게 된다. 회전축(20)의 회전속도 증가는 프로펠러(30) 추력이 증가하는 것이므로 선박의 속도가 증가하게 된다. 또한 엔진(10)의 토크가 감소하면, 연료소모량이 감소하여 에너지가 저감된다. 프로펠러(30)의 효율은 회전에 소모된 에너지에 대한 추력 발생에 의한 에너지 비로 표현하는데, 터빈(60)에 의해 회전에 소모된 에너지가 절감되면 전체적으로 프로펠러(30) 효율이 향상된다. 한편, 터빈(60)의 회전속도가 프로펠러(30)의 회전속도보다 느린 경우에는 클러치 베어링(50) 및 터빈(60)이 무부하 공회전하여 회전축(20)에 어떠한 영향도 주지 않으므로 본 발명의 장착으로 인한 에너지 손실은 없게 된다.

한편, 상술한 바와 같은 터빈(60)의 작용효과는 터빈 블레이드(70)의 피치 각도와 밀접한 상관관계가 있다. 도 6은 본 발명에 따른 프로펠러(30) 피치 각도 대비 터빈 블레이드(70) 피치 각도의 상관관계를 보여주는 도면으로, 도 6에서 프로펠러(30)의 반경별 피치 각도를 P라 하고 터빈(60)의 반경별 피치 각도를 T라 할 때, 하부의 그래프(데이터)는 본 발명의 실선 시운전에 의한 것으로, 프로펠러(30)의 반경별 피치 각도 P와 터빈(60)의 반경별 피치 각도 T와의 상관관계에 따른 효율 곡선을 나타낸 것이다. 이 효율 곡선에 따르면 P와 T의 차이(P-T)가 -20도 내지 +20도인 구간에서 추진효율의 상승효과가 있음을 확인할 수 있다. 따라서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 터빈 블레이드(70)는 프로펠러(30) 반경별 피치 각도 대비 -20도 내지 +20도의 피치 각도를 갖는다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 엔진 20 : 회전축
30 : 프로펠러 40 : 연결축
41 : 회전축 연결부 42 : 클러치 베어링 장착부
43 : 볼트 50 : 클러치 베어링
51 : 롤러 볼 60 : 터빈
61 : 제1 실링 장치 62 : 제2 실링 장치
63 : 터빈 보스 64 : 제1 터빈 커버
65 : 제2 터빈 커버 70 : 터빈 블레이드
80 : 터빈 캡 81 : 마찰방지 장치

Claims

엔진(10)으로부터 구동력을 전달받는 회전축(20) 상에 장착되어 상기 회전축(20)과 동일한 속도로 회전하는 프로펠러(30); 상기 프로펠러(30) 후방의 상기 회전축(20) 끝단에 장착되어 상기 회전축(20)과 동일한 속도로 회전하는 연결축(40); 상기 연결축(40) 상에 장착되는 클러치 베어링(50); 상기 클러치 베어링(50)의 외곽에 장착되며 상기 클러치 베어링(50)을 매개로 상기 연결축(40) 상에서 회전하는 터빈(60) 및; 상기 터빈(60)의 외곽에 장착되어 상기 터빈(60)을 회전시키는 터빈 블레이드(70);를 포함하여 이루어지되,
이 경우,
상기 연결축(40)은 회전축 연결부(41) 및 클러치 베어링 장착부(42)로 이루어지는바, 상기 회전축 연결부(41)는 상기 회전축(20) 끝단에 체결될 수 있도록 홈을 구비하고, 상기 클러치 베어링 장착부(42)는 외곽에 상기 클러치 베어링(50)이 장착될 수 있도록 상기 회전축 연결부(41)의 후방으로 연장된 축 형상의 몸체로 이루어지며,
상기 터빈(60)은 제1 실링 장치(61)와 제2 실링 장치(62), 터빈 보스(63), 제1 터빈 커버(64)와 제2 터빈 커버(65)를 구비하는바, 상기 제1 실링 장치(61)는 상기 연결축(40) 상에서 상기 클러치 베어링(50)의 후방에 장착되고, 상기 제2 실링 장치(62)는 상기 연결축(40) 상에서 상기 클러치 베어링(50)의 전방에 장착되고, 상기 터빈 보스(63)는 상기 클러치 베어링(50) 및 상기 제1 실링 장치(61)와 상기 제2 실링 장치(62)의 외곽 면에 동시에 접하도록 장착되고, 상기 제1 터빈 커버(64)는 상기 연결축(40) 상에서 상기 제1 실링 장치(61) 및 상기 터빈 보스(63)의 후방 면에 동시에 접하도록 장착되고, 상기 제2 터빈 커버(65)는 상기 연결축(40) 상에서 상기 제2 실링 장치(62) 및 상기 터빈 보스(63)의 전방 면에 동시에 접하도록 장착되어, 전체적으로 상기 터빈(60)은 상기 클러치 베어링(50)을 감싸는 수밀 구조를 이루며,
상기 터빈 블레이드(70)는 상기 프로펠러(30) 반경별 피치 각도 대비 -20도 내지 +20도의 피치 각도를 가지며, 상기 프로펠러(30)를 지난 후류의 작용으로 상기 프로펠러(30)와 동일한 방향으로 회전하면서 상기 터빈 블레이드(70)와 연결된 상기 터빈(60)을 회전시키는바, 상기 터빈(60)의 회전속도가 상기 프로펠러(30)의 회전속도보다 느린 경우에는 상기 클러치 베어링(50) 및 상기 터빈(60)이 무부하 공회전하지만, 상기 터빈(60)의 회전속도가 상기 프로펠러(30)의 회전속도보다 빠른 경우에는 상기 클러치 베어링(50)이 상기 프로펠러(30)의 회전방향으로 잠기게 되는 결과로 상기 터빈(60)은 상기 회전축(20)에 부가 회전력을 제공하게 되며,
이에 더하여,
상기 연결축(40)의 후방 끝단에 상기 터빈(60)의 이탈을 방지하기 위한 터빈 캡(80)을 더욱 장착하되 이 경우 상기 터빈 캡(80)과 상기 제1 터빈 커버(64) 사이에는 마찰방지 장치(81)를 장착하는 것을 특징으로 하는,
터빈을 이용한 프로펠러 효율 향상 장치.