KR20160009040A - 추진 시스템 - Google Patents

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KR20160009040A
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이고르 스트레쉬니
미셸 크로닌
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퍼킨스 엔진스 컴패니 리미티드
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Abstract

본 개시는 작업 기계, 특히 해양 선박에 적합한 추진 시스템에 관한 것이다. 본 추진 시스템은 동력 출력을 제공하도록 되어 있는 변속기, 및 적어도 하나의 제 1 에너지 변환 기계를 포함한다. 본 추진 시스템은, 변속기 및/또는 적어도 하나의 제 1 에너지 변환 기계를 선택적으로 구동시키도록 작동할 수 있는 적어도 하나의 동력부도 포함한다. 변속기를 선택적으로 구동시키기나 그 변속기에 의해 선택적으로 구동되도록 작동할 수 있는 적어도 하나의 제 2 에너지 변환 기계가 또한 제공된다. 제 1 및 제 2 에너지 변환 기계 사이에 동력을 전달하기 위한 동력 전달 장치가 또한 제공된다.

Description

추진 시스템{A PROPULSION SYSTEM}
본 개시는 작업 기계에 적합한 추진 시스템에 관한 것이다. 일 실시 형태에서, 추진 시스템은 기계적 경로 및/또는 대체 경로를 통해 변속기에 동력을 제공하는 동력부를 포함하고, 상기 변속기는 동력 출력을 제공한다. 다른 실시 형태에서, 추진 시스템은 유성 기어박스를 구동시키는 동력부를 포함한다. 추진 시스템은 특히 해양 선박에 적용될 수 있다.
작업 기계용 추진 시스템은 일반적으로 가스 터빈 및 엔진과 같은 하나 이상의 동력부를 포함한다. 이러한 작업 기계는 해양 선박, 항공기 또는 육상 차량과 같은 차량을 포함한다. 동력부에서 출력되는 동력은 예컨대 소내 부하(house load), 작업자 숙소 또는 작업 기구에 필요한 부하를 제공할 수 있다. 예시적인 작업 기구는 크레인, 드릴, 선수 또는 선미 스러스터(thruster), 잡아거는 갈고리, 버킷 및 굴착기를 포함한다. 작업 기계가 차량이면, 동력이 추력을 제공하여 그 차량이 움직일 수 있다.
동력부에서 출력되는 잠재적인 동력의 범위는, 작업 기계의 작동 프로파일에서 요구되는 예상 부하를 만족하도록 선택될 수 있다. 그러한 동력부를 효율적으로 작동시키는 데에는 환경적인 이득 및 비용 감소의 이득이 또한 있다. 특히, 동력부는 차량 순항 속도에서 최대 효율로 작동하도록 선택될 수 있고, 차량 순항 속도는 차량이 작동되는 시간의 대부분 동안에 움직이는 속도이다.
예컨대, 해양 유조선은 대부분의 시간이 순항 속도에서 소비되는 작동 프로파일을 갖는다. 이러한 유조선은 변속기를 포함하지 않을 수 있고, 또는 동력부와 프로펠러 사이에 동력을 전달하는 축이 제공되어 있는 비교적 간단한 변속기를 가질 수 있다. 그러므로, 순항 속도에서 효율적으로 작동하도록 적절한 크기의 동력부를 선택하는 것이 상당히 간단할 수 있다. 그러나, 선박의 작동 프로파일이 상대적으로 변하면 동력부를 최대 효율로 작동시키는 것은 가능하지 않을 수 있다.
다른 예로, 끌배(tugboat)의 작동 프로파일은, 조종(낮은 동력을 필요로 함)에 소비되는 실질적인 시간; 중간 속도로 이동(중간 동력을 필요로 함)하는 데에 소비되는 실질적인 시간; 및 다른 선박을 밀거나 견인(높은 동력을 필요로 함)하는 데에 소비되는 실질적인 시간을 포함한다. 끌배는 그의 작동 시간 대부분을 추력을 제공하는 동력부의 정격 부하의 20% 미만에서 소비할 수 있는 것으로 나타났다.
해양 선박은 일반적으로 기계적 또는 전기적 추진 시스템을 포함한다. 전기적 추진 시스템은 발전기를 구동시키는 하나 이상의 동력부(들)를 포함할 수 있고, 그 발전기는 적어도 하나의 전기 모터에 전력을 공급하여 하나 이상의 프로펠러(들)를 구동시킨다. 도 1 은 기계적 추진 시스템(11)을 포함하는 종래 기술의 선박(10)(이 경우, 앵커 취급 터그(tug) 공급 선박)을 도시한다. 기계적 추진 시스템은 일반적으로 구동축(13)을 회전시키는 디젤 엔진과 같은 동력부(12)를 포함한다. 구동축(13)은 기어박스(14)에 동력을 공급하고, 그 기어박스의 출력부는 프로펠러 축(15)에 연결되어 있다. 프로펠러(16)(이 예에서는 고정식 프로펠러)가 프로펠러 축(15)에 연결되어 있어 선박(10)에 추력을 제공하게 된다. 동력부(12)는 발전기에도 동력을 공급할 수 있는데, 그 발전기는 작업자 숙소(17), 선수 스러스터(18), 선미 스러스터(19) 및 크레인(20)에 전력을 제공하는데 사용될 수 있다.
도 2 에 도시되어 있는 바와 같이, 기어박스(14)는 일반적으로 비교적 간단하고, 구동축(13)에 부착되어 있는 입력 기어(21) 및 프로펠러 축(15)에 부착되어 있는 출력 기어(22)를 포함할 수 있다. 입력 및 출력 기어(21, 22)는 중간축(countershaft)을 통해 연동될 수 있다. 출력 기어 직경(23)은 기어박스(14)의 요구되는 기어비에 따를 수 있다. 그러므로, 구동축(13)과 프로펠러 축(15) 사이의 회전 속도의 큰 감소가 요구되면, 출력 기어 직경(23)은 비교적 클 수 있다. 출력 기어(22)는 일반적으로 선박(10)의 용골(keel)(24)에 위치되므로, 용골(24)은 출력 기어(22)를 수용하기 위해 비교적 넓어야 한다. 그러나, 비교적 넓은 용골(24)은 예컨대 증가되는 항력으로 인해 선박(10)의 작동 효율에 부정적인 영향을 줄 수 있다. 기어박스(14)가 높은 감속비를 갖는 경우, 용골(24)의 폭은 최대 출력 기어 직경(23)에 따를 것이다.
해양 선박은 또한 작동 효율을 개선하기 위해 고정 피치 프로펠러가 아닌 가변 피치 프로펠러를 포함할 수 있다. 프로펠러 피치가 선박 속도를 변화시키기 위해 변할 때 동력부는 더 효율적인 출력으로 가동될 수 있다. 그러나, 이러한 가변 피치 프로펠러는 고정 피치 프로펠러와 비교하여 예컨대 비용이 높고 복잡하다는 단점이 있다. 또한, 유압 작동 기구를 이용하여 프로펠러 피치를 변화시킬 때, 그 작동 기구에서 나온 오일이 물 오염을 일으킬 수 있다. 예컨대, 가변 피치 프로펠러는 작동 기구를 수용하기 위해 더 큰 허브를 필요로 할 수 있으며, 그 결과, 고정 피치 프로펠러와 비교하여 항력이 증가된다. 또한, 가변 피치 프로펠러의 효율은 어떤 피치각에서만 최적일 수 있고, 피치각이 변함에 따라 크게 낮아질 수 있다. 또한, 피치가 변함에 따라 프로펠러 직경이 변하기 때문에 쉬라우드(shroud) 또는 덕트를 가변 피치 프로펠러 주위에 효과적으로 부착하는 것이 가능하지 않다. 쉬라우드 또는 덕트가 부착되어 있는 고정 피치 프로펠러는 어떤 경우에는 효율 면에서 상당한 이점을 줄 수 있다. 쉬라우드를 사용하여 반경 방향 손실을 줄이고 또한 축방향 추력을 개선하여 프로펠러 출력 효율을 개선할 수 있다. 그러나, 쉬라우드를 포함하면서 가변 피치 프로펠러에 의해 제공되는 것과 동일한 유연성을 제공하는 것은 어려울 수 있다.
하이브리드 추진 시스템을 이용하여 유연성, 예비성 및 효율을 개선할 수 있다. US-A-2010/0144219 에는, 복수의 내연 기관, 복수의 발전기, 복수의 전기 모터 및 복수의 프로펠러를 포함하는 해양 선박 하이브리드 추진 시스템이 개시되어 있다. 상기 내연 기관은 발전기 및/또는 프로펠러에 동력을 제공할 수 있다. 발전기는 배터리에 저장되거나 모터에 보내질 에너지를 제공할 수 있다. 모터는 프로펠러에 에너지를 제공할 수 있다.
그러나, US-A-2010/0144219 에는, 단일의 프로펠러에 출력을 제공하기 위해 모터와 내연 기관의 출력을 어떻게 조합할 수 있는지에 대한 것은 개시되어 있지 않다. 또한, 프로펠러의 속도를 어떻게 제어하는지에 대해서도 개시되어 있지 않다. 이 종래 기술의 시스템은 또한 내연 기관과 모터 둘 다가 프로펠러에 동력을 공급하는 중에 내연 기관이 발전기에 동력을 공급하기 위한 수단은 제공하고 있지 않다. 그래서, 배터리는 모터를 구동시키기 위해 에너지를 다 써버릴 수 있다. 상기 시스템은 또한 내연 기관이 전(full) 작동 속도에서 가동될 때 프로펠러 속도의 유연성을 제공하지 않는다. 또한, 모터와 내연 기관이 프로펠러에 최대 동력을 제공하는 속도 보다 높게 프로펠러 속도를 증가시키기 위한 수단이 제공되어 있지 않다.
본 개시는 동력 출력을 제공하기 위한 추진 시스템을 제공하는 바, 이 추진 시스템은 동력 출력을 제공하도록 되어 있는 변속기; 적어도 하나의 제 1 에너지 변환 기계; 상기 변속기 및/또는 적어도 하나의 제 1 에너지 변환 기계를 선택적으로 구동시키도록 작동할 수 있는 적어도 하나의 동력부; 상기 변속기를 선택적으로 구동시키기나 그 변속기에 의해 선택적으로 구동되도록 작동할 수 있는 적어도 하나의 제 2 에너지 변환 기계; 및 상기 제 1 및 제 2 에너지 변환 기계 사이에 동력을 전달하기 위한 동력 전달 장치를 포함한다.
본 개시는 추진 시스템을 작동시키는 방법을 더 제공하는데, 상기 추진 시스템은 동력 출력을 제공하도록 되어 있는 변속기; 적어도 하나의 제 1 에너지 변환 기계; 상기 변속기 및/또는 적어도 하나의 제 1 에너지 변환 기계를 선택적으로 구동시키도록 작동할 수 있는 적어도 하나의 동력부; 상기 변속기를 선택적으로 구동시키기나 그 변속기에 의해 선택적으로 구동되도록 작동할 수 있는 적어도 하나의 제 2 에너지 변환 기계; 및 상기 제 1 및 제 2 에너지 변환 기계 사이에 동력을 전달하기 위한 동력 전달 장치를 포함하고, 상기 방법은, 상기 동력부를 연결하여 상기 변속기를 구동시키는 단계; 또는 상기 동력부를 연결하여 상기 적어도 하나의 제 1 에너지 변환 기계를 구동시키는 단계; 또는 상기 동력부를 연결하여 상기 변속기 및 적어도 하나의 제 1 에너지 변환 기계를 구동시키는 단계를 포함한다.
본 개시는 선박에 추진을 제공하기 위한 추진 시스템을 포함하는 해양 선박을 더 제공하는 바, 상기 추진 시스템은 회전 출력을 동력부 출력축에 제공하는 동력부; 상기 동력부 출력축에 부착되는 제 1 운동학적 연결 요소; 및 회전 출력을 변속기 출력축에 제공하는 적어도 하나의 유성 기어박스를 포함하고, 상기 변속기 출력축은 추진 요소에 연결되어 있고, 상기 제 1 운동학적 연결 요소는 상기 적어도 하나의 유성 기어박스에 작동 가능하게 연결된다.
본 개시는, 제 1 및 제 2 동력부; 동력을 변속기 축에 전달하도록 되어 있는 변속기; 적어도 하나의 제 1 에너지 변환 기계; 및 동력부 변속기를 포함하는 추진 시스템을 더 제공하며, 상기 동력부 변속기는, 상기 동력부 변속기를 제 1 및 제 2 동력부, 변속기, 및 적어도 하나의 제 1 에너지 변환 기계에 작동 가능하게 연결하는 복수의 변속기 축; 상기 제 2 동력부를 동력부 변속기에 작동 가능하게 선택적으로 연결하기 위한 제 1 토크 커플링; 및 상기 변속기를 동력부 변속기에 작동 가능하게 선택적으로 연결하기 위한 제 2 토크 커플링을 포함한다.
이제, 첨부 도면을 참조하여 또한 그 도면에 나타나 있는 바와 같이 추진 시스템의 실시 형태를 단지 예시적으로 설명한다.
도 1 은 종래 기술의 선박의 측면도이다.
도 2 는 도 1 의 선박에 사용되는 일 예시적인 변속기 장치의 정면도이다.
도 3 은 본 개시의 추진 시스템을 개략적으로 나타낸다.
도 4 는 본 개시의 변속기를 개략적으로 나타낸다.
도 5 는 복수의 유성 기어박스를 포함하는 본 개시의 변속기를 개략적으로 나타낸다.
도 6 은 본 개시의 다른 추진 시스템을 개략적으로 나타낸다.
도 7 은 본 개시의 다른 추진 시스템을 개략적으로 나타낸다.
도 8 은 기계적 작동 모드가 나타나 있는 도 3 의 추진 시스템을 개략적으로 나타낸다.
도 9 는 대체 작동 모드가 나타나 있는 도 3 의 추진 시스템을 개략적으로 나타낸다.
도 10 은 조합형 작동 모드가 나타나 있는 도 3 의 추진 시스템을 개략적으로 나타낸다.
도 11 은 역 작동 모드가 나타나 있는 도 3 의 추진 시스템을 개략적으로 나타낸다.
도 12 ∼ 16 은 시스템 출력 속도의 순차적인 증가를 통한 도 3 의 추진 시스템의 작동을 도시하는 노모그래프이다.
본 개시는 일반적으로 기계적 경로 및/또는 유압 또는 전기적 경로와 같은 대체 경로를 통해 변속기에 작동 가능하게 연결되는 적어도 하나의 동력부를 포함하는 추진 시스템에 관한 것이다. 본 개시는 또한 동력부가 유성 기어박스를 구동시키거나 이 기어박스에 동력을 제공하는 추진 시스템에 관한 것이다. 본 개시는 또한 2개의 동력부 및 이 두 동력부의 출력을 기계적 경로 및/또는 대체 경로를 통해 분배하는 데에 적합한 동력부 변속기를 포함하는 추진 시스템에 관한 것이다. 본 추진 시스템은 특히 해양 선박에 적용될 수 있다.
이하의 설명에서, "작동 가능하게 연결되는" 이라는 용어는, 일 구성 요소가 예컨대 커플링 수단을 사용하여 다른 구성 요소를 구동시키는 것을 의미한다. 상기 커플링 수단은 서로 맞물리는 기어, 서로 연결되는 축, 토크 컨버터, 클러치, 변속기 및 동력을 전달하기 위한 어떤 다른 적절한 수단이라도 포함할 수 있다.
이하의 예시적인 실시 형태는 특히 배와 같은 해양 선박에서 추진 시스템의 사용에 대한 것이다. 그러나, 그 추진 시스템은 육상 차량과 같은 어떤 다른 형태의 작업 기계에도 사용될 수 있다.
도 3 은 동력부(26), 제 1 에너지 변환 기계(27), 제 2 에너지 변환 기계(28) 및 변속기(29)를 포함하는 일 예시적인 추진 시스템(25)을 도시한다. 동력부(26)는 어떤 적절한 유형이라도 될 수 있는데, 예컨대 내연 기관 또는 가스 터빈일 수 있다. 동력부(26)는 어떤 범위의 속도에서 가변 동력 출력을 제공할 수 있다. 예컨대, 동력부(26)는 디젤 엔진일 수 있다. 아래에서 설명하는 바와 같이 복수의 동력부(26)가 제공될 수 있고 또한 작동 가능하게 병렬로 연결될 수 있다.
동력부(26)는 제 1 에너지 변환 기계(27) 및 변속기(29)에 작동 가능하게 연결되어 있다. 작동 가능한 연결에 의해 동력이 동력부(26), 제 1 에너지 변환 기계(27) 및 변속기(29) 사이에 어떤 방향으로도 전달될 수 있다. 작동 가능한 연결은 나타나 있는 바와 같이 기계적 연결일 수 있다. 동력부(26)는 회전 가능한 동력부 출력축(30)을 포함할 수 있다.
동력부 출력축(30)은 연동되는 기어를 통해 제 1 에너지 변환 기계(27)와 변속기(29)에 작동 가능하게 연결될 수 있다. 제 1 기어(31)가 동력부 출력축(30)에 장착될 수 있다. 제 1 기어(31)는, 변속기(29)에 입력을 제공하거나 그 변속기로부터의 출력을 제공하는 축(미도시)에 장착되는 제 2 기어(32)와 연동될(서로 맞물릴) 수 있다. 제 3 기어(33)가 동력부 출력축(30)에 장착될 수 있다. 그 제 3 기어(33)는, 제 1 에너지 변환 기계(27)에 입력을 제공하거나 그 변환 기계로부터의 출력을 제공하는 제 1 기계 축(35)에 장착되는 제 4 기어(34)와 연동될 수 있다. 대안적으로, 제 2 기어(32)와 제 4 기어(34)는 동력부 출력축(30)에 장착되는 단일의 기어와 연동될 수 있다.
대안적으로, 제 1 기어(31), 제 2 기어(32), 제 3 기어(33) 및 제 4 기어(34) 대신에 어떤 적절한 운동학적 연결 요소라도 제공하여, 동력부 출력축(30)을 변속기(29) 및/또는 제 1 에너지 변환 기계(27)에 작동 가능하게 연결할 수 있다. 예컨대, 상기 운동학적 연결 요소는 벨트, 체인 및/또는 기어를 포함할 수 있다.
대안적으로, 동력부(26)는 하나 이상의 동력 출력부를 포함할 수 있다. 동력부(26)는 제 1 출력축을 통해 제 1 에너지 변환 기계(27)에 작동 가능하게 연결될 수 있고 또한 제 2 출력 축을 통해 변속기(29)에 연결될 수 있다. 제 1 출력축은 주 구동 출력을 포함할 수 있다. 제 2 출력축은 보조 동력 인출 축을 포함할 수 있다.
동력부(26)가 제 1 에너지 변환 기계(27) 및/또는 변속기(29)에 작동 가능하게 선택적으로 연결될 수 있도록 변속기 커플링(36)이 또한 제공될 수 있다. 도 1 에 나타나 있는 바와 같이, 변속기 커플링(36)은 제 1 기어(31)와 제 3 기어(33) 사이에서 동력부 출력축(30)에 위치되는 클러치를 포함할 수 있다. 다른 커플링이 예컨대 동력부(26)와 제 3 기어(33) 사이에서 동력부 출력축(30)에 제공될 수 있다. 커플링(들)은 기계식 또는 유체 커플링일 수 있고, 토크를 선택적으로 전달하는 데에 적합한 어떠한 장치라도 포함할 수 있다.
제 1 에너지 변환 기계(27)와 제 2 에너지 변환 기계(28)는 에너지를 가역적을 변환시키거나 전달하기 위한 어떤 적절한 수단이라도 포함할 수 있다. 특히, 제 1 에너지 변환 기계(27)와 제 2 에너지 변환 기계(28)는 일 형태의 에너지(특히, 기계적 에너지)를 다른 형태의 에너지(특히, 전기적 또는 유체 에너지)로 변환시키고 또한 그 반대 방향으로도 변환시키는 데에 적합할 수 있다. 예컨대, 제 1 에너지 변환 기계(27)와 제 2 에너지 변환 기계(28)는 가역적인 유압 기계(즉, 펌프/모터) 또는 가역적인 전기 기계(즉, 모터/발전기)일 수 있다. 대안적으로, 제 1 에너지 변환 기계(27)와 제 2 에너지 변환 기계(28)는 기계적 에너지의 전달을 가능하게 해주는 가역적인 역학적 기계를 포함할 수 있다. 아래에서 설명하는 바와 같이 복수의 제 1 및 제 2 에너지 변환 기계가 제공될 수 있고 병렬로 연결될 수 있다.
제 1 에너지 변환 기계(27)와 제 2 에너지 변환 기계(28)는 작동 가능하게 서로 연결되어 있어, 동력이 서로에 공급되거나 또는 서로로부터 동력을 받을 수 있다. 작동 가능한 연결은 동력 전달 장치(37)에 의해 제공될 수 있다. 제 1 에너지 변환 기계(27)와 제 2 에너지 변환 기계(28) 사이에서 전달되는 동력은 상기 동력 전달 장치(37)에 의해 제어될 수 있다. 예컨대, 동력 전달은, 제 1 에너지 변환 기계(27)에 대한 입력 속도가 제 2 에너지 변환 기계(28)의 출력 속도와 다를 수 있도록 제어될 수 있다.
제 1 에너지 변환 기계(27)와 제 2 에너지 변환 기계(28) 및 동력 전달 장치(37)는 함께 배리에이터(variator)를 형성할 수 있다. 특히, 이 배리에이터는 입력과 출력 사이의 비의 연속적인 변화를 가능하게 해준다. 배리에이터는 양 방향형일 수 있는데, 그래서 동력이 제 1 에너지 변환 기계(27)에 입력될 수 있고 제 2 에너지 변환 기계(28)로부터 동력이 출력될 수 있으며 또는 그 반대도 가능하다.
제 1 에너지 변환 기계(27)와 제 2 에너지 변환 기계(28)는 가변 용량 유압 모터 등과 같은 가역적인 유압 기계일 수 있다. 가역적인 유압 기계는 회전축의 기계적 에너지를 유체 에너지로 변환시키고 또한 그 반대 방향으로도 변환 가능하다. 대안적으로, 제 1 에너지 변환 기계(27)와 제 2 에너지 변환 기계(28) 각각은 병렬로 배치되는 유압 펌프와 유압 모터를 포함할 수 있고, 그래서 그 유압 펌프와 유압 모터 각각은 서로 독립적으로 작용할 수 있다. 동력 전달 장치(37)는, 가역적인 제 1 및 제 2 유압 기계 사이에 유압 유체를 전달하고 그래서 에너지 또는 동력을 전달하기 위한 유압 시스템을 포함할 수 있다. 이 유압 시스템은 당업계에 알려져 있는 어떤 적절한 장치라도 포함할 수 있는데, 예컨대, 호스, 펌프, 모터, 밸브, 저장부, 필터, 어큐뮬레이터, 시일, 연결부, 충전 펌프, 충전 회로 등을 포함할 수 있다. 유압 시스템의 예시적인 구성이 아래에 개시되어 있다.
대안적으로, 제 1 에너지 변환 기계(27)와 제 2 에너지 변환 기계(28)는 가역적인 전기 모터 또는 발전기 등과 같은 가역적인 전기 기계일 수 있다. 가역적인 전기 기계는 회전 축의 기계적인 에너지를 전기 에너지로 변환시키고 또한 그 반대 방향으로도 변환시킨다. 가역적인 전기 기계는 DC 도는 AC일 수 있고 어떤 적절한 유형이라도 될 수 있는데, 예컨대 비동기, 동기 스위치 릴럭턴스(reluctance) 및 가변 주파수 유도 모터일 수 있다.
상기 동력 전달 장치(37)는 가역적인 제 1 및 제 2 전기 기계 사이에서 전류를 전달하고 그래서 에너지 또는 전력을 전달하기 위한 전기 시스템을 포함할 수 있다. 이 전기 시스템은, 예컨대 인버터, 정류기, 케이블, 단로기(isolator), 배터리, 동력 제어 전자 기기 등을 포함하여, 당업계에 알려져 있는 어떤 적절한 장치라도 될 수 있다. 동력 전달 장치는 소내 부하(house load), 작업자 숙소, 작업 기구 등에 동력을 제공할 수 있다. 전기 시스템의 예시적인 구성이 아래에 개시된다.
변속기(29)는 동력부(26) 및/또는 제 2 에너지 변환 기계(28)로부터 동력을 받고 또한 동력을 변속기 출력부(38)에 공급할 수 있다. 나타나 있는 바와 같이, 변속기 출력부(38)는 추진 요소(40)가 부착될 수 있는 변속기 출력축(39)을 포함하거나 이 출력축에 작동 가능하게 연결될 수 있다. 추진 요소(40)는 하나 이상의 프로펠러, 스러스터(thruster), 휠 및 차량을 움직이는 다른 형태의 요소를 포함할 수 있다. 그러므로, 변속기(29)는 적어도 3개의 입력축 및/또는 출력축을 가질 수 있다. 변속기(29)에 의해 어떤 동력 전달 경로라도 제공될 수 있는데, 예컨대 동력부(26)로부터 동력이 제 2 에너지 변환 기계(28) 및 변속기 출력부(38)에 전달될 수 있다.
변속기(29)는 당업계에 알려져 있는 어떤 적절한 유형이라도 될 수 있는데, 예컨대 유성(planetary) 변속기, 자동 변속기, 연속 가변 변속기 등이 될 수 있다. 도 3 및 4 에 나타나 있는 바와 같이, 변속기(29)는 동일한 면에서 동력을 전달하는 복수의 회전 가능한 기어를 포함하는 유성 시스템일 수 있다. 아래에서 설명하는 바와 같이, 변속기는 직렬로 배치되는 복수의 유성 기어박스를 포함할 수 있다.
특히, 변속기(29)는 링 기어(42)에 의해 에워싸여 있는 태양 기어(41)를 포함할 수 있다. 링 기어(42)는 환형 디스크의 내측 가장자리 주위에 있는 내향 치부(tooth)를 포함할 수 있다. 복수의 유성 기어(43)가 태양 기어(41)와 링 기어(42) 사이에 위치되어 이들 기어와 연동될 수 있다. 복수의 유성 기어(43)는 그의 축을 중심으로 캐리어(44)에 부착될 수 있다. 예컨대 클러치의 형태로 되어 있는 변속기 로크(45)가 제공되어 캐리어(44)의 회전을 방지할 수 있다. 대안적으로, 태양 기어(41), 복수의 유성 기어(43), 캐리어(44) 및 링 기어(42) 중 임의의 두 개는 상기 변속기 로크(45)에 의해 함께 잠금될 수 있다.
제 2 에너지 변환 기계(28)는 예컨대 제 2 기계 축(46)을 통해 태양 기어(41)에 작동 가능하게 연결될 수 있다. 제 2 기계 커플링(미도시), 예컨대 클러치 또는 토크 컨버터가 태양 기어(41)와 제 2 에너지 변환 기계(28) 사이에서 제 2 기계 축(46)에 제공될 수 있다. 상기 제 2 기계 커플링에 의해, 태양 기어(41)와 제 2 에너지 변환 기계(28) 사이의 작동 가능한 연결이 해제될 수 있다. 대안적으로, 그 작동 가능한 연결은, 동력이 동력 전달 장치로부터 태양 기어(41)에 전달되지 않고 또한 그 반대 방향으로도 전달되지 않도록 제 2 에너지 변환 기계(28)를 절환시켜 해제될 수 있다. 예컨대, 제 2 에너지 변환 기계(28)가 가변 용량 유압 모터이면, 그 안에 들어 있는 사판(swash plate)이 동력이 전달되지 않도록 회전될 수 있다.
상기 캐리어(44)는 동력부 출력축(30), 변속기 커플링(36), 제 1 기어(31) 및 제 2 기어(32)를 통해 동력부(26)에 작동 가능하게 연결될 수 있다. 캐리어(44)는 중간축을 통해 제 2 기어(32)와 연동될 수 있다. 변속기(29)는 기어박스 폭(47)을 가질 수 있는데, 이 폭은 유성 기어박스의 폭일 수 있다.
링 기어(42)는 변속기 출력축(39)에 작동 가능하게 연결되어 있는 변속기 출력부(38)를 제공할 수 있다. 특히, 외측 기어가 링 기어(42)의 외측 가장자리에 제공될 수 있고 그 외측 기어는 변속기 출력축(39)에 부착되어 있는 다른 기어와 연동될 수 있다.
변속기(29)는 직렬로 배치되는 복수의 유성 기어박스를 포함할 수 있다. 도 5 에 도시되어 있는 바와 같이, 제 1, 제 2 및 제 3 유성 기어박스(48, 49, 50)가 직렬로 배치될 수 있다. 제 2 유성 기어박스(49)는 여기서 전술한 유성 시스템과 유사한 방식으로 배치된다. 제 1 및 제 3 유성 기어박스(48, 50)는 제 2 유성 기어박스(49)의 각 측에 배치되어, 제 2 기계 축(46)으로부터 변속기 출력축(39)으로의 기어비 감소 또는 증가를 제공한다.
제 1, 제 2 및 제 3 유성 기어박스(48, 49, 50) 각각은 태양 기어(51, 52, 53), 캐리어(나타나 있지 않음), 복수의 유성 기어(54, 55, 56) 및 링 기어(57, 58, 59)를 포함할 수 있다. 제 1 및 제 3 유성 기어박스(48, 50)의 링 기어(57, 59)는 회전할 수 없도록 고정될 수 있다. 제 2 유성 기어박스(49)의 링 기어(58)는 회전가능하다.
제 2 기계 커플링(60)이 제 2 기계 축(46)에 제공될 수 있으며, 이 기계 축은 제 1 유성 기어박스(48)의 태양 기어(51)에 작동 가능하게 연결된다. 제 1 유성 기어박스(48)의 캐리어는 예컨대 축(61)을 통해 제 2 유성 기어박스(49)의 태양 기어(52)에 작동 가능하게 연결될 수 있다. 제 2 유성 기어박스(49)의 캐리어는 제 1 및 제 2 기어(19, 20) 및 동력부 출력축(30)을 통해 동력부(26)에 작동 가능하게 연결될 수 있다. 제 2 유성 기어박스(49)의 캐리어가 회전하는 것을 선택적으로 방지하기 위해 변속기 로크(62)가 제공될 수 있다. 제 2 유성 기어박스(49)의 링 기어(58)는 예컨대 축(63)을 통해 제 3 유성 기어박스(50)의 태양 기어(53)에 작동 가능하게 연결될 수 있다. 제 3 유성 기어박스(50)의 캐리어는 변속기 출력축(39)에 작동 가능하게 연결될 수 있다.
복수의 동력부(26)가 제공되어 작동 가능하게 병렬로 연결될 수 있다. 도 6 은 본 개시의 추진 시스템(64)을 도시하는데, 이 추진 시스템은 제 1 및 제 2 동력부(65, 66), 가역적인 제 1 및 제 2 유압 기계(67, 68), 및 전기 시스템(70)에 전력을 제공하는 발전기(69)를 포함한다. 전기 시스템(70)은 작업 기구, 스러스터, 호텔 부하 등에 전력을 제공할 수 있다. 변속기(29)는 도 5 에 나타나 있는 것과 동일하며 동일한 참조 번호가 도 6 에 나타나 있다.
도 6 에서, 동력 전달 장치(37)는, 유체와 에너지를 가역적인 제 1 유압 기계(67)로부터 가역적인 제 2 유압 기계(68)에 전달하고 또한 그 반대 방향으로도 전달하는 유압 라인(71, 72)을 포함한다. 동력 전달 장치(37)는 저장부 및 충전 펌프와 같은 다른 유압 요소를 포함할 수 있다.
동력부(65, 66)는 동력부 변속기(73)를 통해 변속기(29), 가역적인 제 1 유압 기계(67) 및 발전기(69)에 동력을 제공하도록 작동될 수 있다. 동력부 변속기(73)는 제 1, 2, 3, 4 및 5 변속기 축(74, 75, 76, 77, 78), 제 1 및 제 2 토크 커플링(79, 80), 및 제 1, 2, 3, 4 및 5 변속기 기어(81, 82, 83, 84, 85)를 포함할수 있다.
제 1 변속기 축(74)은 제 1 동력부(65) 및 제 1 토크 커플링(79)에 작동 가능하게 연결될 수 있다. 제 1 토크 커플링(79)은 제 4 변속기 축(77)에 작동 가능하게 연결될 수 있고, 이 변속기 축에는 제 1 및 제 4 변속기 기어(81, 84)가 장착될 수 있다. 제 4 변속기 축(77)은 가역적인 제 1 유압 기계(67)에 작동 가능하게 연결될 수 있다. 제 1 변속기 기어(81)는 제 2 변속기 기어(82)와 연동될 수 있고, 그 제 2 변속기 기어는 제 2 변속기 축(75)에 장착될 수 있다. 제 2 변속기 축(75)은 발전기(69)에 작동 가능하게 연결될 수 있다. 제 2 변속기 기어(82)는 제 3 변속기 기어(83)와도 연동될 수 있고, 이 제 3 변속기 기어는 제 3 변속기 축(76)에 장착될 수 있다. 제 3 변속기 축(76)은 제 2 동력부(66)와 제 2 토크 커플링(80)에 작동 가능하게 연결될 수 있다. 제 2 토크 커플링(80)은 제 5 변속기 축(78)에 작동 가능하게 연결될 수 있고, 그 제 5 변속기 축에는 제 1 기어(31)가 장착될 수 있다. 제 5 변속기 기어(85)는 제 3 변속기 축(76) 또는 제 2 토크 커플링(80)의 제 3 변속기 축(76) 측에 장착될 수 있고 제 4 변속기 기어(84)와 연동될 수 있다.
제 1 토크 커플링(79)은 제 1 변속기 축(74)과 제 4 변속기 축(77)을 선택적으로 결합시킬 수 있다. 제 2 토크 커플링(80)은 제 3 변속기 축(76)과 제 5 변속기 축(78)을 선택적으로 결합시킬 수 있다. 제 1 및 제 2 토크 커플링(79, 80)은 토크를 선택적으로 전달하기 위한 어떤 적절한 장치라도 될 수 있는데, 예컨대 클러치 또는 토크 컨버터일 수 있다. 제 1 토크 커플링(79)에 의해 동력부(65)가 동력부 변속기(73)와 선택적으로 결합될 수 있다. 제 2 토크 커플링(80)에 의해 제 5 변속기 축(78)이 동력부 변속기(73)의 나머지와 선택적으로 결합될 수 있다. 제 2 토크 커플링(80)은 여기서 전술한 변속기 커플링(36)과 유사한 라인을 따라 작동할 수 있다.
도 7 은 도 6 의 추진 시스템(64)과 실질적으로 유사한 본 개시의 추진 시스템(86)을 도시한다. 이 추진 시스템(86)에서, 제 2 변속기 축(75)은 제 1 에너지 변환 기계(27)에 작동 가능하게 연결될 수 있고, 그 에너지 변환 기계는 직렬로 서로 연결되어 있는 가역적인 제 1 및 제 2 전기 기계(87, 88)를 포함할 수 있다. 제 2 기계 축(46)은 제 2 에너지 변환 기계(28)에 작동 가능하게 연결될 수 있고, 그 에너지 변환 기계는 가역적인 제 3 및 제 4 전기 기계(89, 90)를 포함할 수 있다. 특히, 가역적인 제 4 전기 기계(90)는 제 2 기계 축(46)에 직접 연결될 수 있다. 가역적인 제 3 전기 기계(89)는 기어(91)에 출력을 제공할 수 있고, 이 기어는 제 2 기계 축(46)에 장착되어 있는 다른 기어(92)와 연동된다. 가역적인 제 1, 2, 3 및 4 전기 기계(87, 88, 89, 90)는 제 2 기계 축(46) 또는 제 2 변속기 축(75)에 작동 가능하게 선택적으로 연결될 수 있다.
동력 전달 장치(37)는 제 1 인버터/정류기(94)와 가역적인 제 1 및 제 2 전기 기계(87, 88) 사이에 가변 주파수 AC 전류를 전달하기 위한 제 1 도체(93)를 포함할 수 있다. 제 2 인버터/정류기(96)와 가역적인 제 3 및 제 4 전기 기계(89, 90) 사이에 가변 주파수 AC 전류를 전달하기 위한 제 2 도체(95)가 제공될 수 있다. 제 1 및 제 2 인버터/정류기(94, 96)는 주 DC 버스(97)와 전력을 교환할 수 있다. 주 DC 버스(97)는 전기 추진 시스템(99)에 고정 주파수 AC 전류를 제공하기 위한 인버터/단로기(98)에도 전력을 공급할 수 있다. 전기적 추진 시스템(99)은 호텔 부하, 스러스터, 배터리, 작업 기구 등을 포함할 수 있다. 제 2 추진 시스템(86)이 또한 주 DC 버스(97)에 공급을 주고/주거나 그로부터 공급을 받을 수 있다.
상기 추진 시스템(25, 64, 86)은 어떤 수의 동력부(26, 65, 66)라도 포함할 수 있으며, 각각의 동력부는 변속기(29) 및/또는 제 1 에너지 변환 기계(27)에 작동 가능하게 선택적으로 연결될 수 있다.
산업상 이용 가능성
상기 추진 시스템(25)은 적어도 4개의 작동 모드를 가질 수 있다. 이하, 모드를 도 3 의 추진 시스템(25)을 참조하여 설명하지만, 도 6 및 7 의 추진 시스템(64, 86)에도 관계될 수 있다.
기계적 모드
도 8 에 나타나 있는 바와 같이, 기계적 모드(100)에서는 동력부(26)로부터 동력을 변속기 출력축(39)에 전달하기 위해 기계적 경로가 이용된다. 변속기 커플링(36)은 동력이 동력부(26)로부터 동력부 출력축(30)을 통해 변속기(29)에 전달되도록 결합될 수 있다. 변속기(29)는 제 2 에너지 변환 기계(28)로부터는 동력을 받지 않는다. 그러나, 상기 기계적 모드(100)에서 동력은 동력부(26)로부터 제 1 에너지 변환 기계(27)에 전달되어 동력 전달 장치(37)에 동력을 제공할 수 있다. 이 동력은 소내 부하, 작업자 숙소, 작업 기구 등에 전달될 수 있다.
특히, 회전하는 동력부 출력축(30)이 제 1 기어(31)를 회전시키고 그리하여 제 2 기어(32)를 회전시키게 된다. 회전하는 제 2 기어(32)는 캐리어(44)를 회전시킬 수 있다. 변속기 로크(45)가 결합 해제되어 캐리어(44)가 회전될 수 있다. 캐리어(44)가 회전함에 따라, 복수의 유성 기어(43)가 또한 회전할 수 있고 그래서 링 기어(42)를 회전시킬 수 있다. 이렇게 해서, 회전하는 링 기어(42)가 변속기 출력축(39)에 동력을 전달하게 된다. 태양 기어(41)도 회전할 수 있지만, 동력은 제 2 에너지 변환 기계(28)에 전달되지 않을 수 있다. 이는 예컨대 제 2 기계 축(46)에 있는 제 2 기계 커플링의 결합 해제 때문일 수 있다.
대체 동력 모드
도 9 에 나타나 있는 바와 같이, 대체 동력 모드(101)에서는, 동력부(26)로부터 동력을 변속기 출력축(39)에 전달하기 위해 대체 경로가 이용된다. 변속기(29)가 기계적으로 동력부(26)로부터 동력을 받지 않도록 변속기 커플링(36)은 결합 해제 상태로 유지된다. 동력부(26)는 제 1 에너지 변환 기계(27)에 동력을 공급할 수 있고, 그 에너지 변환 기계는 동력 발생기(즉, 유압 펌프 또는 발전기)로서 작용한다. 동력 전달 장치(37)는 제 2 에너지 변환 기계(28)(모터(즉, 유압 또는 전기 모터)로서 작용함) 및 변속기(29)에 동력을 전달할 수 있다. 그리고 변속기(29)는 변속기 출력부(38)와 추진 시스템(40)에 동력을 전달할 수 있다. 특히, 캐리어(44)의 회전을 방지하기 위해 변속기 로크(45)가 결합될 수 있다. 그래서, 회전하는 제 2 기계 축(46) 및 태양 기어(41)로부터 동력이 유성 기어(43)의 회전에 의해 링 기어(42)에 전달될 수 있다. 링 기어(42) 또한 회전할 수 있고 그래서 동력을 변속기 출력축(39)에 전달할 수 있다.
조합형 동력 모드
도 10 에 나타나 있는 바와 같이, 조합형 동력 모드(102)에서는, 전술한 기계적 경로와 대체 경로의 조합을 통해 동력이 동력부(26)로부터 변속기 출력축(39)에 공급될 수 있다. 변속기 커플링(36)은 결합될 수 있고 변속기 로크(45)는 결합 해제될 수 있다. 특히, 동력은 제 3 기어(33), 제 4 기어(34), 제 1 기계 축(35), 제 1 에너지 변환 기계(27), 동력 전달 장치(37), 제 2 에너지 변환 기계(28), 제 2 기계 축(46), 태양 기어(41) 및 복수의 유성 기어(43)를 순차적으로 경유하여 링 기어(42)에 전달될 수 있다. 동력은 또한 동력부 출력축(30), 결합된 변속기 커플링(36), 제 1 기어(31), 제 2 기어(32), 캐리어(44) 및 복수의 유성 기어(43)를 순차적으로 경유하여 링 기어(42)에 전달될 수 있다. 이 링 기어(42)는 조합된 동력을 양 경로로부터 변속기 출력축(39)에 전달할 수 있다.
역 동력 모드
도 11 에 나타나 있는 바와 같이, 역 동력 모드(103)에서는, 여기서 앞에서개시된 기계적 경로를 통해 동력이 변속기 출력축(39)에 전달될 수 있다. 복수의 유성 기어(43)는 회전하면서 또한 태양 기어(41)와 제 2 기계 축(46)을 회전시킬 수 있다. 제 2 에너지 변환 기계(28)는 동력 발생기로서 작용하여 동력 전달 장치(37)에 전력을 제공할 수 있다. 동력 전달 장치(37)는 제 1 에너지 변환 기계(27)에 동력을 제공하여 제 1 기계 축(35)을 회전시킬 수 있다. 그래서, 제 1 에너지 변환 기계(27)는 보충 동력을 동력부 출력축(30)에 제공할 수 있다. 동력부(26)의 동력 출력은 제 1 에너지 변환 기계(27)에 의해 제공되는 보충 동력과 동일한 값만큼 감소될 수 있다. 그리하여, 동력부 출력축(30)은 동력부(26)의 감소된 출력으로 동일한 회전력을 유지할 수 있다. 대안적으로, 동력 전달 장치(37)는 동력을 동력 전달 장치(37)의 구성 요소에 보낼 수 있다. 예컨대, 동력 전달 장치(37)가 전기 시스템인 경우, 배터리 등에 전력이 제공될 수 있다.
다른 모드의 실행
도 12 ∼ 16 은 시스템 출력 속도(104)가 증가됨에 따른 추진 시스템(25)의 작동을 도시하는 노모그래프(nomograph)이다. 시스템 출력 속도 축(105)은 변속기 출력 축(39)의 회전 속도를 나타낼 수 있고, 동력부 출력축(30)의 회전 출력 속도의 백분율로 나타나 있다. 제 2 에너지 변환 기계 속도 축(106)은 제 2 에너지 변환 기계(28)의 입력/출력의 회전 속도를 나타낼 수 있는데, 여기서 100%는 일 회전 방향으로의 전(full) 속도이고 -100%는 반대 회전 방향으로의 전 속도이다.
제 2 에너지 변환 기계 속도(107)는 제 2 에너지 변환 기계(28), 제 2 기계 축(46) 및 태양 기어(41)의 실제 회전 속도를 나타낼 수 있다(각각의 사이에 1:1 의 속도비를 가정함). 동력부 출력 속도(108)는 캐리어(44), 동력부 출력축(30) 및 동력부(26)의 회전 속도를 나타낼 수 있다(제 1 기어(19)와 제 2 기어(20) 사이에 1:1의 속도비를 가정함). 시스템 출력 속도(104)는 링 기어(42)와 변속기 출력 축(39)의 회전 속도를 나타낼 수 있다(둘 사이에 1:1 의 속도비를 가정함). 제 2 에너지 변환 기계 속도(107), 동력부 출력 속도(108) 및 시스템 출력 속도(104)를 나타내는 라인들 사이의 수평 방향 거리는, 태양 기어(41), 캐리어(44) 및 링 기어(42) 사이의 기어비를 나타낼 수 있다.
도 12 는 제 2 에너지 변환 기계 속도(107), 동력부 출력 속도(108) 및 시스템 출력 속도(104)가 영일 때, 예컨대 추진 시스템(25)이 작동하지 않을 때의 추진 시스템(25)을 나타낸다.
시스템 출력 속도(104)는 대체 동력 모드(101)의 실행으로 영에서 증가될 수 있다. 대체 동력 모드(101)는 변속기 로크(45)를 결합하고 변속기 커플링(36)을 결합 해제하여 실행될 수 있다. 대체 동력 모드(101)에서, 시스템 출력 속도(104)는 최대 동력부 출력 속도(109)에 이를 때까지 동력부 출력 속도(108)를 증가시켜(즉, 동력부(26)의 출력을 증가시켜) 증가될 수 있다. 제 1 에너지 변환 기계(27)는 동력 전달 장치(37)를 통해 동력을 제 2 에너지 변환 기계(28)에 전달할 수 있다. 제 2 에너지 변환 기계(28)는 변속기(29)를 구동시킬 수 있고, 그 변속기는 변속기 출력축(39)을 구동시키고 그리하여 시스템 출력 속도(104)를 제공하게 된다.
도 13 은 최대 동력부 출력 속도(109)에서 작동하는 추진 시스템(25)을 도시하며, 그 최대 동력부 출력 속도는 동력부(26)의 출력이 최대일 때 일 수 있다. 이때 제 2 기계 속도(107) 또한 최대일 수 있다.
도 14 는 시스템 출력 속도(104)의 추가 증가를 도시하는데, 이 증가는 최대 동력부 출력 속도(109)를 유지하면서 역 동력 모드(103)를 실행하여 이루어질 수 있다. 역 동력 모드(103)는 변속기 로크(45)를 잠금 해제하고 변속기 커플링(36)을 결합시켜 실행될 수 있다. 동력은 제 2 에너지 변환 기계(28)로부터 제 1 에너지 변환 기계(27)에 전달될 수 있다. 최대 동력부 출력 속도(109)는, 동력부(26)의 동력 출력을 감소시키면서 제 1 에너지 변환 기계(27)로부터 동력을 동력부 출력축(30)에 제공하여 유지될 수 있다.
시스템 출력 속도(104)를 더 증가시키기 위해, 제 2 기계 속도(107)가 감소될 수 있다. 그러므로, 증가된 동력은 링 기어(42)에 전달될 수 있고 그래서 시스템 출력 속도(104)가 증가된다.
도 15 는 제 2 기계 속도(107)가 영에 도달할 때를 도시한다. 추진 시스템(25)은 기계적 모드(100)로만 유지될 수 있다. 동력부(26)는 이때 최고 효율로 작동되도록 설계될 수 있고, 이때 시스템 출력 속도(104)는 순항 속도(110)일 수 있다.
시스템 출력 속도(104)를 상기 순항 속도(110) 위로 더 증가시키기 위해, 상기 조합형 동력 모드(102)가 실행될 수 있다. 도 16 에 나타나 있는 바와 같이, 시스템 출력 속도(104)는 제 2 기계 속도(107)를 역 방향으로 증가시켜 증가될 수 있다.
시스템 출력 속도(104)를 증가시키기 위한 전술한 작동 방법이 바람직할 수 있지만, 전술한 모드들의 다른 적절한 조합도 실행될 수 있다. 시스템 출력 속도(104)를 감소시키기 위해, 위에서 개시된 작동 방법의 반대를 따를 수 있다. 대안적으로, 전술한 모드들의 다른 적절한 조합을 실행하여 시스템 출력 속도(104)를 감소시킬 수 있다.
복수의 동력부(26, 65, 66)를 포함하는 추진 시스템을 참조하면, 각각의 동력부(26, 65, 66)를 순차적으로 결합하여 시스템 출력 속도(104)를 증가시킬 수 있다.
도 6 에 나타나 있는 추진 시스템(64)을 참조하면, 여기서 전술한 서로 다른 모드(100, 101, 102, 103) 각각에서 동력이 제 1 및 제 2 동력부(65, 66)로부터 다른 방식으로 전달될 수 있다. 제 2 동력부(66)로부터 동력이 가역적인 제 1 유압 기계(67) 및 변속기(29)에만 전달되도록 제 1 토크 커플링(79)이 결합 해제될 수 있고 제 2 토크 커플링(80)은 결합될 수 있다. 제 1 및 제 2 동력부(65, 66)로부터 동력이 가역적인 제 1 유압 기계(67) 및 변속기(29)에 전달되도록 제 1 및 제 2 토크 커플링(79, 80)이 결합될 수 있다. 전기 시스템(70)에 전력을 제공하기 위해 제 1 및/또는 제 2 동력부(65, 66)로부터 동력이 발전기(69)에 연속적으로 제공될 수 있다.
복수의 동력부(65, 66)를 사용하면, 더 낮은 등급의 동력부(65, 66)를 사용할 수 있게 된다. 또한, 복수의 동력부(65, 66)를 사용하면, 기계적 모드(100)에서 상이한 순항 속도(110) 대해 적어도 두 레벨의 효율이 가능하게 된다. 예컨대, 제 1 순항 속도는 제 2 동력부(66)의 출력의 최적 효율에서 설정될 수 있고 제 2 순항 속도는 제 1 및 제 2 동력부(65, 66)의 조합된 출력의 최적 효율에서 설정될 수 있다.
도 7 에 나타나 있는 추진 시스템(86)을 참조하면, 제 1 및 제 2 에너지 변환 기계(27, 28)에의 동력 공급 및/또는 그로부터의 동력 공급 면에서 개선된 유연성이 얻어질 수 있다.
추진 시스템(25, 64, 86)에 의해, 동력부(26, 65, 66)는 그의 최적 엔진 출력이 순항 속도에서 얻어지도록 선택될 수 있다. 대안적으로, 최적 엔진 출력은 80% 보다 높은 부하율을 유지하도록 설정될 수 있는데, 이는 여전히 비교적 효율적일 수 있다. 복수의 동력부(26, 65, 66)를 사용하면, 이들 동력부가 효율적인 작동이 일어나는 복수의 순항 속도(110)를 제공하므로 유연성이 개선될 수 있다. 또한, 동력부의 크기는 복수의 동력부(26, 65, 66)의 사용을 통해 감소될 수 있고, 그리하여 중량 분포를 개선할 수 있고 또한 비용을 줄일 수 있다.
복수의 추진 요소(40)가 추력을 제공하도록 복수의 추진 시스템(25, 64, 86)이 또한 제공될 수 있다. 추진 시스템(25, 64, 86) 각각은 동력 전달 장치(37)를 통해 서로 연결될 수 있다. 그러므로, 일 추진 시스템(25, 64, 86)에서 동력이 발생되어 다른 추진 시스템(25, 64, 86)에 전달될 수 있다.
동력 전달 장치(37)는 제 2 에너지 변환 기계(28)만 가동시키기 위한 배터리를 포함할 수 있으므로 예비성이 개선될 수 있다. 동력은 더 효율적인 기계적 경로를 통해 전달될 수 있기 때문에, 안전과 전기적 손실이 순수히 전기적인 구동 시스템에 비해 감소될 수 있다.
또한, 추진 시스템(25, 64, 86)의 효율 및 유연성이 함께 개선됨으로 인해, 가변 피치 프로펠러로 얻어지는 동일한 유연성과 효율을 유지하면서 고정 피치 프로펠러를 사용할 수 있다. 그러므로, 쉬라우드(shroud)를 또한 사용하여 효율을 더 개선할 수 있다.
추진 시스템(25, 64, 86)은 또한 단순히 동력부(26, 65, 66)의 크기 및/또는 수를 적합하게 하여 큰 작업 기계 및 작은 작업 기계에 맞게 쉽게 규모 조정될 수 있다. 예컨대, 그러한 추진 시스템(25, 64, 86)은 끌배(tugboat) 또는 대형 유조선에 사용될 수 있다.
또한, 변속기(29)를 위해 하나 이상의 유성 기어박스를 사용하면, 이러한 추진 시스템(25, 64, 86)을 포함하는 선박은, 이전에 알려져 있는 선박용 변속기 장치에서 가능한 경우 보다 더 작은 용골 폭을 가질 수 있다. 도 4 에 도시되어 있는 바와 같이, 변속기(29)는 기어박스 폭(47)을 가질 수 있다. 변속기(29)가 유성 기어박스인 경우, 기어박스 폭(47)은 동일한 기어비를 얻을 때 여기서 앞에서 개시된 출력 기어 직경(23) 보다 상대적으로 더 작을 수 있다. 이는 큰 기어비가 사용될 때에도 유성 기어박스가 컴팩트한 특성 때문일 수 있다. 그러므로, 선박에 유성 기어박스를 사용하여 용골 폭을 줄일 수 있다.

Claims (38)

  1. 동력 출력을 제공하기 위한 추진 시스템으로서,
    동력 출력을 제공하도록 되어 있는 변속기;
    적어도 하나의 제 1 에너지 변환 기계;
    상기 변속기 및/또는 적어도 하나의 제 1 에너지 변환 기계를 선택적으로 구동시키도록 작동할 수 있는 적어도 하나의 동력부;
    상기 변속기를 선택적으로 구동시키기나 그 변속기에 의해 선택적으로 구동되도록 작동할 수 있는 적어도 하나의 제 2 에너지 변환 기계; 및
    상기 제 1 및 제 2 에너지 변환 기계 사이에 동력을 전달하기 위한 동력 전달 장치를 포함하는, 추진 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제 1 및 제 2 에너지 변환 기계는 가역적인 유압 또는 전기 기계인 추진 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 동력 전달 장치는 유압식 또는 전기식인 추진 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 동력부는 적어도 하나의 구동축, 적어도 하나의 변속기 커플링 및 적어도 하나의 운동학적 연결 요소를 통해 상기 변속기를 선택적으로 구동시키도록 작동할 수 있는 추진 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 동력부는 적어도 하나의 구동축 및 적어도 하나의 운동학적 연결 요소를 통해 상기 적어도 하나의 제 1 에너지 변환 기계를 선택적으로 구동시키도록 작동할 수 있는 추진 시스템.
  6. 제 4 항 및 제 5 항에 있어서,
    상기 운동학적 연결 요소는 기어이고, 상기 추진 시스템은,
    동력부 출력축에 장착되는 제 1 및 제 3 기어;
    상기 제 1 기어와 서로 연결되어 있고 회전 입력을 상기 변속기에 제공하는 제 2 기어; 및
    제 1 기계 축에 장착되고 상기 제 3 기어와 서로 연결되어 있는 제 4 기어를 포함하며,
    상기 제 1 기계 축은 상기 적어도 하나의 제 1 에너지 변환 기계에 입력을 제공하거나 그 제 1 에너지 변환 기계로부터의 출력을 제공하는 추진 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변속기는 적어도 하나의 유성 기어박스를 포함하는 추진 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 유성 기어박스는 태양 기어, 캐리어에 부착되는 복수의 유성 기어, 및 회전 가능한 링 기어를 포함하는 추진 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 태양 기어는 상기 적어도 하나의 제 2 에너지 변환 기계에 회전 가능하게 연결되며, 상기 링 기어는 회전 가능하게 연결되어 동력 출력을 제공하고, 상기 캐리어는 상기 적어도 하나의 동력부에 작동 가능하게 연결되어 있는 추진 시스템.
  10. 제 6 항 및 제 9 항에 있어서,
    상기 캐리어는 상기 제 2 기어에 회전 가능하게 연결되어 있는 추진 시스템.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 동력 출력은 회전 가능한 변속기 출력축에 의해 제공되며, 상기 링 기어는 그 변속기 출력축에 회전 가능하게 연결되어 있는 추진 시스템.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 추진 시스템을 포함하는 작업 기계.
  13. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 추진 시스템을 포함하는 해양 선박.
  14. 추진 시스템을 작동시키는 방법으로서,
    상기 추진 시스템은,
    동력 출력을 제공하도록 되어 있는 변속기;
    적어도 하나의 제 1 에너지 변환 기계;
    상기 변속기 및/또는 적어도 하나의 제 1 에너지 변환 기계를 선택적으로 구동시키도록 작동할 수 있는 적어도 하나의 동력부;
    상기 변속기를 선택적으로 구동시키기나 그 변속기에 의해 선택적으로 구동되도록 작동할 수 있는 적어도 하나의 제 2 에너지 변환 기계; 및
    상기 제 1 및 제 2 에너지 변환 기계 사이에 동력을 전달하기 위한 동력 전달 장치를 포함하고,
    상기 방법은,
    상기 동력부를 연결하여 상기 변속기를 구동시키는 단계; 또는
    상기 동력부를 연결하여 상기 적어도 하나의 제 1 에너지 변환 기계를 구동시키는 단계; 또는
    상기 동력부를 연결하여 상기 변속기 및 적어도 하나의 제 1 에너지 변환 기계를 구동시키는 단계를 포함하는, 추진 시스템을 작동시키는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    동력이 적어도 하나의 축, 적어도 하나의 운동학적 연결 요소 및 적어도 하나의 변속기 커플링을 통해 상기 변속기에 전달되는 제 1 모드를 포함하는 방법.
  16. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,
    동력이 적어도 하나의 축 및 적어도 하나의 운동학적 연결 요소를 통해 상기 적어도 하나의 제 1 에너지 변환 기계에 전달되는 제 2 모드를 포함하고, 상기 동력은 상기 적어도 하나의 제 1 에너지 변환 기계로부터 상기 동력 전달 장치 및 제 2 에너지 변환 기계를 통해 변속기에 전달되는 방법.
  17. 제 15 항 및 제 16 항에 있어서,
    동력이 상기 제 1 모드와 제 2 모드에서 동시에 전달되는 제 3 모드를 포함하는 방법.
  18. 제 15 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    동력이 상기 변속기로부터 제 2 에너지 변한 기계에 전달되는 중에 동력이 상기 제 1 모드에서 상기 변속기에 전달되는 제 4 모드를 포함하는 방법.
  19. 선박에 추진을 제공하기 위한 추진 시스템을 포함하는 해양 선박으로서,
    상기 추진 시스템은,
    회전 출력을 동력부 출력축에 제공하는 동력부;
    상기 동력부 출력축에 부착되는 제 1 운동학적 연결 요소; 및
    회전 출력을 변속기 출력축에 제공하는 적어도 하나의 유성 기어박스를 포함하고,
    상기 변속기 출력축은 추진 요소에 연결되어 있고,
    상기 제 1 운동학적 연결 요소는 상기 적어도 하나의 유성 기어박스에 작동 가능하게 연결되는 해양 선박.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 선박은 용골(keel)을 포함하고, 상기 적어도 하나의 유성 기어박스가 실질적으로 그 용골 내부에 위치되는 해양 선박.
  21. 제 19 항 또는 제 20 항에 있어서,
    상기 제 1 운동학적 연결 요소와 연동되는 제 2 운동학적 연결 요소를 더 포함하고, 제 1 운동학적 연결 요소는 제 2 운동학적 연결 요소를 통해 상기 적어도 하나의 유성 기어박스에 작동 가능하게 연결되는 해양 선박.
  22. 제 19 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    직렬로 배치되는 복수의 유성 기어박스를 포함하는 해양 선박.
  23. 제 19 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 추진 시스템은 적어도 하나의 제 2 에너지 변환 기계에 작동 가능하게 연결되는 적어도 하나의 제 1 에너지 변환 기구를 포함하고, 상기 동력부는 상기 적어도 하나의 제 1 에너지 변환 기계에 동력을 제공하며, 상기 적어도 하나의 제 2 에너지 변환 기계는 상기 적어도 하나의 유성 기어박스에 작동 가능하게 연결되는 해양 선박.
  24. 추진 시스템으로서,
    제 1 및 제 2 동력부;
    동력을 변속기 축에 전달하도록 되어 있는 변속기;
    적어도 하나의 제 1 에너지 변환 기계; 및
    동력부 변속기를 포함하고,
    상기 동력부 변속기는,
    상기 동력부 변속기를 제 1 및 제 2 동력부, 변속기, 및 적어도 하나의 제 1 에너지 변환 기계에 작동 가능하게 연결하는 복수의 변속기 축;
    상기 제 2 동력부를 동력부 변속기에 작동 가능하게 선택적으로 연결하기 위한 제 1 토크 커플링; 및
    상기 변속기를 동력부 변속기에 작동 가능하게 선택적으로 연결하기 위한 제 2 토크 커플링을 포함하는 추진 시스템.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 복수의 변속기 축 중의 하나는 동력부 변속기를 적어도 하나의 발전기에 연결하도록 되어 있는 추진 시스템.
  26. 제 24 항 또는 제 25 항에 있어서,
    상기 변속기를 구동시키도록 작동할 수 있는 적어도 하나의 제 2 에너지 변환 기계; 및
    상기 제 1 및 제 2 에너지 변환 기계 사이에 동력을 전달하기 위한 동력 전달 장치를 더 포함하는 추진 시스템.
  27. 제 24 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제 1 에너지 변환 기계는 가역적인 유압 또는 전기 기계인 추진 시스템.
  28. 제 26 항 또는 제 27 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제 2 에너지 변환 기계는 가역적인 유압 또는 전기 기계인 추진 시스템.
  29. 제 26 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 동력 전달 장치는 유압식 또는 전기식인 추진 시스템.
  30. 제 24 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 동력부는 동력부 변속기를 통해 상기 변속기 및/또는 적어도 하나의 제 1 에너지 변환 기계를 선택적으로 구동시키도록 작동할 수 있는 추진 시스템.
  31. 제 24 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 변속기 축 중의 하나에 장착되는 제 1 운동학적 연결 요소; 및
    상기 제 1 운동학적 연결 요소와 서로 연결되어 있고 회전 입력을 변속기에 제공하는 제 2 운동학적 연결 요소를 포함하는 추진 시스템.
  32. 제 24 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변속기는 적어도 하나의 유성 기어박스를 포함하는 추진 시스템.
  33. 제 32 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 유성 기어박스는 태양 기어, 캐리어에 부착되는 복수의 유성 기어, 및 회전 가능한 링 기어를 포함하는 추진 시스템.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 태양 기어는 상기 적어도 하나의 제 2 에너지 변환 기계에 회전 가능하게 연결되고, 상기 링 기어는 회전 가능하게 연결되어 동력 출력을 제공하며, 상기 캐리어는 상기 동력부 변속기에 작동 가능하게 연결되어 있는 추진 시스템.
  35. 제 31 항 및 제 34 항에 있어서,
    상기 캐리어는 상기 제 2 운동학적 연결 요소에 회전 가능하게 연결되는 추진 시스템.
  36. 제 34 항 또는 제 35 항에 있어서,
    동력 출력은 회전 가능한 변속기 출력축에 의해 제공되며, 링 기어는 그 변속기 출력축에 회전 가능하게 연결되어 있는 추진 시스템.
  37. 제 24 항 내지 제 36 항 중 어느 한 항에 다른 추진 시스템을 포함하는 작업 기계.
  38. 제 24 항 내지 제 36 항 중 어느 한 항에 다른 추진 시스템을 포함하는 해양 선박.
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