KR20150140487A

KR20150140487A - 추력 계측 시스템

Info

Publication number: KR20150140487A
Application number: KR1020140068460A
Authority: KR
Inventors: 안유원; 이성인; 정용관; 김정후; 한명륜; 이창열; 이윤식
Original assignee: 현대중공업 주식회사
Priority date: 2014-06-05
Filing date: 2014-06-05
Publication date: 2015-12-16
Also published as: KR101874148B1

Abstract

본 발명은 추력 계측 시스템에 관한 것으로서, 추력을 발생시키는 추진기에 구비되어, 상기 추진기에 유체가 유입되는 지점에 구비되는 제1 압력센서; 상기 추진기에 구비되어, 상기 추진기로부터 유체가 배출되는 지점에 구비되는 제2 압력센서; 및 상기 제1 압력센서 및 상기 제2 압력센서를 통해 도출되는 압력차를 이용하여 상기 추진기의 추력을 계산하는 계산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 추력 계측 시스템은, 덕트와 덕트 내부에 위치하는 프로펠러를 구비하는 쓰러스터에 있어서, 프로펠러의 전후 압력차를 이용하여 속도차를 도출하고, 이를 통해 프로펠러에 의해 발생한 추력을 파악함으로써, 운항 제어의 효율성을 극대화할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 추력 계측 시스템은, 덕트의 전후로 압력센서를 설치하여 압력값을 통해 베르누이 원리를 이용하여 추력을 계산하는 방식을 사용하는바, 드릴십이 이동하는 과정에서도 정확한 추력값의 확보가 가능하다.

Description

추력 계측 시스템{A system for measuring thrust}

본 발명은 추력 계측 시스템에 관한 것이다.

최근 급격한 산업화로 인해 석유와 같은 자원의 사용량이 급등함에 따라, 석유의 안정적인 생산과 공급이 대단히 중요한 문제로 떠오르고 있다. 그런데 대륙 또는 연해에서의 유전은 이미 많은 시추가 이루어진바, 최근에는 수심이 깊은 심해에 위치한 유전의 개발에 관심이 집중되고 있으며, 이러한 심해 유전을 시추하기 위해서는 일반적으로 드릴십(Drillship)이 이용된다.

드릴십은 첨단 시추장비를 탑재하고 자체의 동력으로 항해를 할 수 있도록 선박과 유사한 형태로 제작된 해상 구조물로서, 해상 플랫폼의 설치가 불가능한 심해 지역에서 원유나 가스 등의 채취 작업이 가능하고, 일정 지점에서 시추를 종료하고 다른 지점으로 이동하여 다시 시추를 수행할 수 있다는 장점이 있다.

이러한 드릴십은, 상하로 관통된 형태의 문풀(Moonpool) 구조를 구비하고, 문풀 상부에 위치하며 시추장비를 구비하는 데릭(Derrick)을 포함한다. 이하에서는 드릴십이 해저에 시추를 하는 과정에 대해 설명한다.

우선 드릴십은 자체 동력을 이용하여 시추 대상 지역으로 이동하고, 위치를 유지할 수 있도록 복수의 쓰러스터(Thruster)를 이용한 동적 위치유지 시스템(Dynamic Positioning System; DPS)을 구동한다.

이후 드릴십은 드릴 파이프(drill pipe)에 드릴 비트(drill bit)를 결합하고, 데릭에 마련된 호이스팅 시스템(Hoisting System)과 핸들링 시스템(Handling System)을 이용해 복수의 드릴 파이프를 충분한 길이만큼 연결하여 문풀을 통해 해저면까지 하강시킨 뒤, 로테이팅 시스템(Rotating System)을 통해 드릴 파이프를 회전하여 시추공을 형성한다.

1차로 드릴링이 완료되면, 데릭은 드릴 파이프를 회수하고 케이싱 파이프(casing pipe)를 시추공에 설치한 뒤, 케이싱 파이프와 시추공 사이에 콘크리트를 채우는 시멘팅(Cementing) 작업을 진행하며, 다시 드릴 파이프를 이용한 드릴링 작업과 케이싱 파이프를 설치하는 케이싱 및 시멘팅 작업을 반복 수행함으로써, 일정 깊이를 갖는 시추공의 형태를 유지시킨다.

시추공이 무너지지 않도록 케이싱 파이프가 충분히 설치되면, 라이저(Riser)에 BOP(Blow Out Preventer)를 연결하여 시추공에 결합하게 되며, 이때 라이저의 내부는 드릴 파이프와 케이싱 파이프의 이동 경로가 된다.

그런데 드릴링 과정에서 드릴 비트의 윤활 및 냉각과, 시추공 내부에서 생성되는 암석 덩어리 등의 분쇄물의 처리가 필요하다. 따라서 드릴십은 드릴 파이프의 내부에 머드를 공급하여 드릴 비트의 말단부에서 머드가 배출되도록 하고, 머드가 드릴 비트의 윤활과 냉각을 수행한 뒤 분쇄물과 함께 드릴 파이프의 외부에서 라이저의 내부를 통해 상부로 회수되도록 하는, 머드 순환 시스템(Mud Circulation System)을 사용한다. 회수된 머드는 분쇄물이 걸러진 후 재사용된다.

드릴십은 이러한 머드 순환 시스템을 구동하면서 드릴 비트가 유정에 도달할 때까지 드릴링과 케이싱 및 시멘팅 작업을 반복적으로 수행하는데, 이 경우 케이싱 작업에 사용되는 케이싱 파이프의 직경이 점차 작아짐에 따라, 상대적으로 작은 크기의 드릴 비트를 교체 사용하여 드릴링을 지속적으로 구현할 수 있다.

이와 같이 드릴십은, 파이프와 라이저 등을 설치 및 사용하기 위한 시스템과, 머드를 사용하는 시스템 등을 구비하며, 이러한 시스템을 이용하여 시추 작업을 원활히 구현하기 위한 문풀 구조, 데릭 구조, 그리고 적재 구조 등을 일정한 공간 내에 배치하여야 하므로, 상당히 높은 기술력이 요구됨에 따라 지속적으로 연구 및 개발이 이루어지고 있다.

그런데 드릴십은 쓰러스터를 이용하여 위치를 제어하면서도, 각 쓰러스터에 의해 발생하는 추력을 정확하게 측정하지 못하고, 설계 시 파악된 쓰러스터의 추력을 고려하고 GPS만을 이용해 위치 제어를 구현함에 따라, 위치 제어의 효율성이 저하된다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 쓰러스터의 프로펠러에 의해 발생되는 추력을 드릴십의 구동 시에도 계측할 수 있도록 하여, 효율적인 위치 제어를 가능케 하는 추력 계측 시스템을 제공하기 위한 것이다.

또한 본 발명의 목적은, 프로펠러를 감싸는 덕트의 전후에 각각 압력센서를 구비하고, 덕트 전후에서의 압력의 차이를 이용하여 베르누이 원리를 통해 속도 차이를 도출함으로써 추력을 계산할 수 있으므로, 운항 시에도 추력 계측의 정확도를 확보할 수 있는 가능한 추력 계측 시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 추력 계측 시스템은, 추력을 발생시키는 추진기에 구비되어, 상기 추진기에 유체가 유입되는 지점에 구비되는 제1 압력센서; 상기 추진기에 구비되어, 상기 추진기로부터 유체가 배출되는 지점에 구비되는 제2 압력센서; 및 상기 제1 압력센서 및 상기 제2 압력센서를 통해 도출되는 압력차를 이용하여 상기 추진기의 추력을 계산하는 계산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 상기 추진기는, 회전에 의해 유체를 일 방향으로 배출시키는 프로펠러를 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 제1 압력센서는, 상기 추진기에 의한 추진 방향을 기준으로 상기 프로펠러의 전방에 위치하며, 상기 제2 압력센서는, 상기 추진기에 의한 추진 방향을 기준으로 상기 프로펠러의 후방에 위치할 수 있다.

구체적으로, 상기 추진기는, 상기 프로펠러가 내측에 구비되도록 마련되는 덕트를 더 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 제1 압력센서 및 상기 제2 압력센서는, 상기 덕트의 내측에 마련될 수 있다.

구체적으로, 상기 제1 압력센서 및 상기 제2 압력센서는, 복수 개로 구성되며 상기 덕트의 중심축을 기준으로 대칭되도록 상기 덕트의 내주면에 마련될 수 있다.

구체적으로, 상기 제1 압력센서는, 상기 덕트에서 유체가 유입되는 일측에 구비되고, 상기 제2 압력센서는, 상기 덕트에서 유체가 배출되는 타측에 구비될 수 있다.

구체적으로, 상기 계산부는, 상기 제1 압력센서 및 상기 제2 압력센서가 각각 측정한 압력값의 차이를 계산하는 압력차 계산부; 상기 압력값의 차이를 이용하여 베르누이 원리를 통해 속도차를 계산하는 속도차 계산부; 및 상기 속도차를 이용하여 추력을 계산하는 추력 계산부를 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 속도차 계산부는, 상기 제1 압력센서가 구비된 지점에서의 속도와, 상기 제2 압력센서가 구비된 지점에서의 속도의 차이를 계산할 수 있다.

구체적으로, 상기 추력을 표시하는 표시부를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 추력 계측 시스템은, 덕트와 덕트 내부에 위치하는 프로펠러를 구비하는 쓰러스터에 있어서, 프로펠러의 전후 압력차를 이용하여 속도차를 도출하고, 이를 통해 프로펠러에 의해 발생한 추력을 파악함으로써, 운항 제어의 효율성을 극대화할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 추력 계측 시스템은, 덕트의 전후로 압력센서를 설치하여 압력값을 통해 베르누이 원리를 이용하여 추력을 계산하는 방식을 사용하는바, 드릴십이 이동하는 과정에서도 정확한 추력값의 확보가 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 추력 계측 시스템이 설치된 추진기의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 추력 계측 시스템이 설치되는 추진기에 의한 유체의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 추력 계측 시스템이 설치된 추진기의 측면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 추력 계측 시스템의 블록도이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 추력 계측 시스템이 설치된 추진기의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 추력 계측 시스템이 설치되는 추진기에 의한 유체의 흐름을 나타내는 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 추력 계측 시스템이 설치된 추진기의 측면도이다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 추력 계측 시스템(10)을 설명하기 이전에, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 추력 계측 시스템(10)이 설치되는 추진기(20)에 대해 설명하도록 한다.

추진기(20)는, 선박이나 드릴십 등과 같이 해상에 부유한 구조물(도시하지 않음)에 구비되며, 구조물을 특정 속도로 이동시킬 수 있다. 물론 추진기(20)는 해상에 부유한 구조물 외에도, 유체 상에서 이동하는 모든 구조물에 설치될 수 있다. 이때 추진기(20)는 프로펠러(21), 덕트(22), 동력 전달부(23)를 포함한다.

프로펠러(21)는, 회전에 의해 유체를 일 방향으로 배출시킨다. 프로펠러(21)는 중심부를 형성하는 허브(211)와, 허브(211)에 방사상으로 구비되며 휘어진 평면을 갖는 복수의 날개(212)로 구성된다.

프로펠러(21)는 허브(211)가 회전함에 따라 날개(212)가 프로펠러(21)에 유입되는 유체에 회전력 및 직진력을 가함으로써, 유체가 프로펠러(21)를 거쳐 빠른 속도로 배출되도록 할 수 있다. 이때 프로펠러(21)는 일반적으로 널리 알려진 프로펠러(21)와 동일 또는 유사할 수 있는바, 프로펠러(21)에 대한 자세한 설명은 생략한다.

덕트(22)는, 프로펠러(21)가 내측에 구비되도록 마련된다. 덕트(22)는 프로펠러(21)의 적어도 일부분을 감싸는 형태이며 일례로 원통 형태일 수 있으며, 직경이 전단에서 후단까지 일정하거나 또는 전단에서 후단으로 갈수록 좁아지는 형태를 가질 수 있다. 덕트(22)는 프로펠러(21)에 유입되는 유체의 흐름을 가속시킬 수 있다.

덕트(22)는 중심축이 프로펠러(21)의 중심축과 일치하도록 구비될 수 있다. 물론 덕트(22)는 프로펠러(21)의 중심축을 기준으로 상하 방향으로 편심되거나, 또는 좌우 방향으로 편심될 수 있다.

덕트(22)의 단면은 내측으로는 볼록하고 외측으로는 평평한 경사면인 형태일 수 있다. 이는 유체의 흐름이 덕트(22)의 내측으로 유입될 때 불필요한 저항이 발생되지 않게 하기 위함이다.

덕트(22)의 내측 단면을 살펴보면, 내측으로 돌출된 높이가 전후 방향을 따라 가변되며, 최대로 돌출된 부분은 선박의 전진 방향으로 일정 거리만큼 치우쳐 있을 수 있다. 즉 덕트(22)의 내측 단면은 전후 대칭이 아닌 에어포일 형태일 수 있다.

프로펠러(21)는 덕트(22)의 전단과 후단 사이에 배치될 수 있으며, 덕트(22)는 프로펠러(21)의 전단과 후단을 모두 감싸는 길이를 가질 수 있다. 덕트(22)는 전단과 후단의 중앙 지점에 프로펠러(21)가 배치되도록 할 수 있다. 물론 본 실시예에서의 덕트(22)는 상기와 같은 형태로 국한되는 것은 아니다.

도 2를 참조하면, 본 실시예가 사용되는 추진기(20)는, 도 2를 기준으로 좌측에서 우측 방향으로 덕트(22)의 내측에 유체가 유입될 수 있으며, 유입된 유체는 프로펠러(21)에 의해 속도가 증가되어, 도 2를 기준으로 우측 방향으로 배출될 수 있다. 이때 발생되는 반작용에 의해 추진력이 발생된다.

동력 전달부(23)는, 일측이 엔진이나 배터리 등과 같이 동력 또는 전력을 전달하는 구동원(도시하지 않음)에 연결될 수 있으며, 타측이 프로펠러(21)의 허브(211)에 연결되어 프로펠러(21)에 회전력을 전달한다.

본 실시예의 추진기(20)가 선박 또는 드릴십에 설치될 경우, 동력 전달부(23)는 선저면에서 하측으로 돌출되도록 구비될 수 있으며, 프로펠러(21) 및 덕트(22)의 방향을 조절할 수 있도록 상하 방향축을 기준으로 회전될 수 있다. 또한 동력 전달부(23)는 상하로 승강 가능하여, 프로펠러(21) 및 덕트(22)의 높이를 조절할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 추력 계측 시스템의 블록도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 추력 계측 시스템(10)은, 제1 압력센서(11), 제2 압력센서(12), 속도센서(13), 계산부(14), 표시부(15)를 포함한다.

제1 압력센서(11)는, 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이 추력을 발생시키는 추진기(20)에 구비된다. 특히 제1 압력센서(11)는 추진기(20)에 유체가 유입되는 지점에 구비될 수 있으며, 추진기(20)에 의한 추진 방향을 기준으로 프로펠러(21)의 전방에 위치할 수 있다.

구체적으로 제1 압력센서(11)는 덕트(22)의 내측에 마련될 수 있고, 덕트(22)에서 유체가 유입되는 일측에 구비될 수 있다. 또한 제1 압력센서(11)는 복수 개로 구성되며 덕트(22)의 중심축을 기준으로 대칭되도록 덕트(22)의 내주면에 마련될 수 있다. 이때 제1 압력센서(11)의 파손을 방지하기 위해 제1 압력센서(11)에는 커버(도시하지 않음)가 구비될 수 있으며, 또한 제1 압력센서(11)로 인한 저항 증가를 방지하기 위해, 커버는 유선형의 곡면 형태로 구비될 수 있다. 이러한 커버는 이하 후술할 제2 압력센서(12) 등에도 동일하게 적용될 수 있다.

제1 압력센서(11)는 유체의 압력을 측정하여 계산부(14)에 송신할 수 있고, 제1 압력센서(11)와 계산부(14)는 유무선으로 연결되어 있을 수 있다. 제1 압력센서(11)가 측정하는 압력은 추진기(20)에 유입되는 유체의 압력이므로, 추진기(20) 전방에서의 유체는 추진기(20)가 일으키는 유체의 흐름에 의해 간접적으로 영향을 받음에 따라, 정수 중의 유체 압력과 대비할 때 상이한 값일 수 있다.

또한 제1 압력센서(11)는 상기에서 설명한 바와 같이 덕트(22)의 중심축을 기준으로 방사상으로 구비되는데, 도 3을 기준으로 덕트(22)의 상부에 구비되는 제1 압력센서(11)의 측정값, 덕트(22)의 측면에 구비되는 제1 압력센서(11)의 측정값 및 덕트(22)의 하부에 구비되는 제1 압력센서(11)의 측정값이 서로 다르게 나타날 수 있다. 다만 본 실시예는 후술하겠으나, 복수 개로 마련되는 제1 압력센서(11)에 의한 측정값의 평균값을 이용하여 추력 계산에 활용하여, 오차를 줄일 수 있다.

제2 압력센서(12)는, 제1 압력센서(11)와 마찬가지로 추진기(20)에 구비된다. 다만 제2 압력센서(12)는, 제1 압력센서(11)와 달리, 추진기(20)로부터 유체가 배출되는 지점에 구비될 수 있다.

제2 압력센서(12)는 추진기(20)에 의한 추진 방향을 기준으로 프로펠러(21)의 후방에 위치할 수 있으며, 구체적으로 제2 압력센서(12)는 덕트(22)의 내측에 마련될 수 있고, 덕트(22)에서 유체가 배출되는 타측에 구비될 수 있다. 또한 제2 압력센서(12)는, 제1 압력센서(11)와 유사하게, 복수 개로 구성되며 덕트(22)의 중심축을 기준으로 대칭되도록 덕트(22)의 내주면에 마련될 수 있다.

제2 압력센서(12)는 추진기(20)에 의해 배출되는 유체의 압력을 측정하는 것이며, 유체는 추진기(20)에 의해 속도가 증가되므로, 제2 압력센서(12)에 의해 측정된 압력값은 제1 압력센서(11)에 의해 측정된 압력값과 대비할 때 낮을 수 있다. 이는 베르누이 원리로 인하여 발생되는 것이며, 본 실시예는 이러한 현상을 이용하여 속도차를 계산할 수 있다.

제2 압력센서(12)는 계산부(14)와 유무선으로 연결되어, 측정된 압력값을 계산부(14)에 전달할 수 있다. 이때 제2 압력센서(12)가 수중에 잠길 수 있음을 감안하면, 제2 압력센서(12)는 무선보다 유선으로 계산부(14)와 연결되는 것이 바람직하다. 상기 내용은 제1 압력센서(11)에도 마찬가지로 적용될 수 있다.

속도센서(13)는, 추진기(20)의 대수속도를 측정한다. 추진기(20)의 대수속도라 함은, 추진기(20)가 작동함에 따라 추진기(20)가 구비된 구조물이 이동할 때, 구조물의 속도를 의미하는 것이며, 또한 추진기(20)에 유입되는 유체의 속도를 의미한다.

본 실시예는 제1 압력센서(11)와 제2 압력센서(12)를 통해 계산되는 압력차를 이용하여 추력을 계산할 수 있으나, 베르누이 방정식 및 추력 공식을 계산하는 과정에서 추진기(20)에 유체가 유입되는 속도 및 추진기(20)로부터 유체가 배출되는 속도 중 적어도 어느 하나의 속도가 필요할 수 있다.

따라서 속도센서(13)는, 추진기(20)의 대수속도를 측정하여 추진기(20)에 유체가 유입되는 속도를 도출함으로써, 추력 계산에 필요한 속도 변수를 산출할 수 있다.

다만 추진기(20)의 대수속도를 측정하는 속도센서(13)는, 추진기(20)에 인접하게 배치되는 것이 정확도 측면에서 가장 바람직하다. 즉 본 실시예는 속도센서(13)에 의해 측정되는 대수속도가 제1 압력센서(11)의 설치 지점에서의 유체의 속도일 경우, 가장 높은 정확도를 확보할 수 있는바, 속도센서(13)는 제1 압력센서(11)와 전후 방향의 1차원 위치를 기준으로 동일한 지점에 위치할 수 있다.

다만 속도센서(13)는, 추진기(20)로부터 이격되어 구조물의 저면 중 일부분에 부착되어 대수속도를 측정할 수도 있다. 이 경우 추진기(20)는 제1 압력센서(11)와 속도센서(13) 사이의 구간에서의 유체의 유동에 영향을 미치지 않는다고 가정하여 추력을 계산할 수 있다.

속도센서(13)는 제1 압력센서(11) 및 제2 압력센서(12)와 마찬가지로 유선 또는 무선으로 계산부(14)에 연결되어, 속도값을 계산부(14)로 송신할 수 있다. 이때 속도센서(13) 역시 제1 압력센서(11) 및 제2 압력센서(12)와 동일하게 수중에 위치할 수 있는바, 속도센서(13)는 유선으로 계산부(14)와 연결될 수 있다.

계산부(14)는, 제1 압력센서(11) 및 제2 압력센서(12)를 통해 도출되는 압력차를 이용하여 추진기(20)의 추력을 계산한다. 계산부(14)는 압력차 계산부(141), 속도차 계산부(142), 추력 계산부(143), 데이터베이스(144)를 포함한다.

압력차 계산부(141)는, 제1 압력센서(11) 및 제2 압력센서(12)가 각각 측정한 압력값의 차이를 계산할 수 있다. 제1 압력센서(11)와 제2 압력센서(12)가 1개씩 구비될 경우에는 제1 압력센서(11)의 측정 압력값과 제2 압력센서(12)의 측정 압력값의 차이를 구하여 압력차를 도출할 수 있으며, 이때 제1 압력센서(11)의 압력값이 제2 압력센서(12)의 압력값보다 높은바, 압력차는 제1 압력센서(11)의 압력값에서 제2 압력센서(12)의 압력값을 제하는 방식으로 계산될 수 있다.

다만 제1 압력센서(11)와 제2 압력센서(12)가 각각 복수 개로 구비될 경우, 압력차 계산부(141)는 복수의 제1 압력센서(11)에 의한 압력값의 평균값과, 복수의 제2 압력센서(12)에 의한 압력값의 평균값을 이용하여, 압력차를 계산할 수 있다.

속도차 계산부(142)는, 압력값의 차이를 이용하여 베르누이 원리를 통해 속도차를 계산한다. 베르누이 원리에 따른 방정식은 다음과 같이 나타난다.

이때 P1은 제1 압력센서(11)에 의한 측정 압력값이고, P2는 제2 압력센서(12)에 의한 측정 압력값이며, ρ는 해수의 밀도, g는 중력가속도, h1은 제1 압력센서(11)의 높이, h2는 제2 압력센서(12)의 높이, V1은 제1 압력센서(11)가 위치한 지점에서의 유체 속도, V2는 제2 압력센서(12)가 위치한 지점에서의 유체 속도를 의미한다.

이때 V1은 추진기(20)에서 유체가 유입되는 지점에서의 유체 속도이고, V2는 추진기(20)에서 유체가 배출되는 지점에서의 유체 속도를 의미하므로, V1에서 V2로의 증가분은 실질적으로 추진기(20)에 의해 발생된 추력을 의미한다.

상기 수학식은 다음과 같이 변형될 수 있으며, 등호의 우측은 제1 압력센서(11)와 제2 압력센서(12)에 의해 도출되는 값이고, 등호의 좌측은 속도값을 제외하고는 후술할 데이터베이스(144)에서 인출될 수 있는 값이다.

베르누이 방정식에 대입되는 변수 중에는 높이가 포함되어 있으므로, 제1 압력센서(11)와 제2 압력센서(12)의 높이를 파악할 필요가 있다. 그런데 도 3을 기준으로 덕트(22)의 측면에 구비되는 제1 압력센서(11)와 제2 압력센서(12)의 경우 높이가 동일하므로, 덕트(22)의 측면에 구비되는 제1 압력센서(11)와 제2 압력센서(12)를 통해 속도값을 도출할 경우에는 높이 텀(term)의 생략이 가능하다.

다만 도 3을 기준으로 덕트(22)의 상단 또는 하단에 구비되는 제1 압력센서(11)와 제2 압력센서(12)는, 덕트(22)가 전단에서 후단으로 갈수록 직경이 가변되는 형태를 가짐에 따라, 높이차이가 발생될 수 있다. 따라서 베르누이 방정식에서 높이 텀의 계산이 필요한데, 이때 높이차이는 데이터베이스(144)에 저장된 값을 사용할 수 있다.

베르누이 방정식에 변수들을 대입하여 계산하면, 속도차가 계산될 수 있다. 다만 베르누이 방정식을 통해 계산되는 속도차는, 정확히 말하면 속도의 차가 아닌 속도의 제곱의 차이다.

속도의 제곱의 차를 이용하여 속도의 차를 구하는 것은 어려우므로, 속도차 계산부(142)는 앞서 설명한 속도센서(13)를 통해 측정된 대수속도를 제1 압력센서(11)에서의 속도인 V1으로 입력하여, 속도의 차를 정확하게 계산할 수 있다.

다만 후술하겠으나, 덕트(22)가 전단에서 후단으로 갈수록 직경이 가변되지 않는 원통 형태를 가질 경우에는, 추력을 계산할 때 속도의 차를 구할 필요 없이, 속도의 제곱의 차를 이용할 수 있다. 따라서 덕트(22)가 상기와 같은 형태를 가진다면, 속도센서(13)는 생략될 수 있다.

추력 계산부(143)는, 속도차를 이용하여 추력을 계산한다. 추력은 힘으로서, 다음 수학식에 나타나는 것과 같이 질량과 길이를 곱하고, 시간의 제곱으로 나눈 차원에 해당하는 값이다.

일정한 단면을 통과하는 유체의 속도를 이용하여 추력을 계산하기 위해서는, 유체의 밀도, 단면에 대한 유량, 그리고 속도가 필요하다. 이때 단면에 대한 유량은 다음 수학식과 같이 나타난다.

Q1은 제1 압력센서(11)가 위치하는 덕트(22) 단면에서의 유량을 나타내고, Q2는 제2 압력센서(12)가 위치하는 덕트(22) 단면에서의 유량을 나타낸다. A1은 제1 압력센서(11)가 위치하는 덕트(22) 단면의 면적이고, A2는 제2 압력센서(12)가 위치하는 덕트(22) 단면의 면적이다. 덕트(22)가 전단에서 후단으로 갈수록 직경이 가변되는 형태일 경우 A1과 A2는 상이한 값일 수 있고, 반면 덕트(22)가 원통과 같은 형태일 경우에는 A1과 A2는 동일한 값일 수 있다.

추진기(20)에 의해 발생한 추력은, 제2 압력센서(12)가 설치된 지점에서의 유체 밀도와 단면 유량 및 속도를 곱한 값에서, 제1 압력센서(11)가 설치된 지점에서의 유체 밀도와 단면 유량 및 속도를 곱한 값을 제하여 계산될 수 있다.

이는 제2 압력센서(12)가 설치된 지점은, 제1 압력센서(11)가 설치된 지점과 대비할 때 추진기(20)에 의해 발생한 추력이 더해진 상태이기 때문이다. 따라서 추력은 다음 수학식으로 계산될 수 있다.

상기 수학식에 앞서 설명한 단면에서의 유량을 대입하면, 다음과 같이 나타난다. 하기 수학식에서 알 수 있듯이, A2와 A1이 같다면 속도의 제곱의 차를 통해서도 추력의 계산이 가능하다. 그런데 A2와 A1이 상이하다면, 즉 덕트(22)가 전단에서 후단으로 갈수록 직경이 가변되는 형태라면, 속도의 제곱의 차로는 추진기(20)의 추력을 계산하기 어려운바, 이때에는 속도센서(13)에 의한 대수속도를 활용할 수 있다.

데이터베이스(144)는, 추력 계산에 필요한 변수들의 값을 저장한다. 데이터베이스(144)가 저장하는 변수는 덕트(22)에서 제1 압력센서(11)와 제2 압력센서(12)가 설치되는 지점의 직경, 덕트(22)의 상단에 설치되는 제1 압력센서(11)와 제2 압력센서(12) 간의 높이 차이, 덕트(22)의 하단에 설치되는 제1 압력센서(11)와 제2 압력센서(12) 간의 높이 차이, 해수의 밀도, 중력 가속도, 등과 같이 추력 계산에 필요한 모든 변수일 수 있다.

데이터베이스(144)는 압력차 계산부(141)를 제외하고 속도차 계산부(142), 추력 계산부(143)에 변수들의 값을 제공할 수 있다. 이는 압력차 계산부(141)는 제1 압력센서(11)와 제2 압력센서(12)에 의해 측정된 값으로만 계산을 수행하므로, 데이터베이스(144)에 저장된 변수의 값을 활용하지 않을 수 있기 때문이다.

이와 같이 계산부(14)는 베르누이 방정식을 이용하여 비교적 간단하게 추력을 계산할 수 있으므로, 종래에 사용되었던 추력 계산 방식과 대비할 때 정확한 값을 도출할 수 있어서, 효율적인 운항을 가능케 할 수 있다.

표시부(15)는, 추력을 표시한다. 표시부(15)는 LCD 등과 같은 디스플레이일 수 있으며, 추진기(20)를 제어하는 사용자가 위치하는 공간에 설치되어, 사용자에게 추진기(20)의 추력을 표시하여 줄 수 있다.

이때 추진기(20)가 복수 개일 경우, 표시부(15)는 각 추진기(20)의 추력을 개별적으로 표시할 수 있으며, 또한 구조물의 도면을 이용하여 추진기(20)를 도면상에 표시하고, 도면 상에 표시된 추진기(20)에 추력을 나타내 줄 수 있다.

이와 같이 본 실시예는, 추진기(20)에서 유체의 유입 부분과 유체의 배출 부분에 각각 압력센서(11, 12)를 구비하고, 압력센서(11, 12)에 의해 측정된 압력값을 토대로 추진기(20)의 추력을 간편하게 계산하여 제공함으로써, 추진기(20)가 가동되고 있는 상황에서도 추진기(20)의 추력을 정확히 계측할 수 있으므로, 구조물의 이동 및 위치 제어의 효율성을 극대화할 수 있다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

10: 추력 계측 시스템 11: 제1 압력센서
12: 제2 압력센서 13: 속도센서
14: 계산부 141: 압력차 계산부
142: 속도차 계산부 143: 추력 계산부
144: 데이터베이스 15: 표시부
20: 추진기 21: 프로펠러
211: 허브 212: 날개
22: 덕트 23: 동력 전달부

Claims

추력을 발생시키는 추진기에 구비되어, 상기 추진기에 유체가 유입되는 지점에 구비되는 제1 압력센서;
상기 추진기에 구비되어, 상기 추진기로부터 유체가 배출되는 지점에 구비되는 제2 압력센서; 및
상기 제1 압력센서 및 상기 제2 압력센서를 통해 도출되는 압력차를 이용하여 상기 추진기의 추력을 계산하는 계산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 추력 계측 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 추진기는,
회전에 의해 유체를 일 방향으로 배출시키는 프로펠러를 포함하는 것을 특징으로 하는 추력 계측 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 제1 압력센서는, 상기 추진기에 의한 추진 방향을 기준으로 상기 프로펠러의 전방에 위치하며,
상기 제2 압력센서는, 상기 추진기에 의한 추진 방향을 기준으로 상기 프로펠러의 후방에 위치하는 것을 특징으로 하는 추력 계측 시스템.
제 2 항에 있어서, 상기 추진기는,
상기 프로펠러가 내측에 구비되도록 마련되는 덕트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 추력 계측 시스템.
제 4 항에 있어서, 상기 제1 압력센서 및 상기 제2 압력센서는,
상기 덕트의 내측에 마련되는 것을 특징으로 하는 추력 계측 시스템.
제 5 항에 있어서, 상기 제1 압력센서 및 상기 제2 압력센서는,
복수 개로 구성되며 상기 덕트의 중심축을 기준으로 대칭되도록 상기 덕트의 내주면에 마련되는 것을 특징으로 하는 추력 계측 시스템.
제 4 항에 있어서,
상기 제1 압력센서는, 상기 덕트에서 유체가 유입되는 일측에 구비되고,
상기 제2 압력센서는, 상기 덕트에서 유체가 배출되는 타측에 구비되는 것을 특징으로 하는 추력 계측 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 계산부는,
상기 제1 압력센서 및 상기 제2 압력센서가 각각 측정한 압력값의 차이를 계산하는 압력차 계산부;
상기 압력값의 차이를 이용하여 베르누이 원리를 통해 속도차를 계산하는 속도차 계산부; 및
상기 속도차를 이용하여 추력을 계산하는 추력 계산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 추력 계측 시스템.
제 8 항에 있어서, 상기 속도차 계산부는,
상기 제1 압력센서가 구비된 지점에서의 속도와, 상기 제2 압력센서가 구비된 지점에서의 속도의 차이를 계산하는 것을 특징으로 하는 추력 계측 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 추력을 표시하는 표시부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 추력 계측 시스템.