KR20160141850A - 추진 장치 - Google Patents

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KR20160141850A
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토미 베이콘헤이모
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에이비비 오와이
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Abstract

지지 스트럿(21)은 선박의 바닥에 회전 가능하게 지지되는 상단부(21A) 및 케이싱(22)을 지지하는 하단부(21B)를 가진다. 케이싱(22) 내부의 제1 전기 모터(30)는 제1 샤프트(31)를 통해 프로펠러(50)를 구동시킨다. 환형 노즐(60)은 프로펠러(50)의 외부 원주를 둘러싸고 케이싱(22)의 외부 원주와 노즐(60)의 내부 원주 사이로 반경 방향으로 연장하는 적어도 3 개의 날개(71, 72)를 포함하는 지지 구조물(70)을 갖춘 케이싱(22)에 고정되게 지지된다. 수류용 덕트(65)는 환형 노즐(60)의 내측을 통해 형성된다. 프로펠러(50)는 구동 방향(S1)으로 선박을 견인한다. 날개(71, 72)는 선박의 구동 방향(S1)으로 프로펠러(50)의 이후에 위치되며, 그에 의해서 날개(71, 72)는 프로펠러(50)에 의해 생성된 유동의 회전 유동 성분을 축방향 추력으로 재지향시키도록 최적화된다.

Description

추진 장치 {PROPULSION UNIT}
본 발명은 청구범위 제1항의 전제부에 따른 추진 장치에 관한 것이다.
WO 특허 공보 99/14113호는 선박용 추진 시스템 및 선박을 결빙 상태에서 이동시키기 위한 방법을 개시한다. 그 시스템은 구동 샤프트, 구동 샤프트에 부착되는 프로펠러, 및 프로펠러를 둘러싸는 노즐을 포함한다. 노즐은 물 입구 및 물 출구, 그리고 얼음이 노즐로 진입하기 이전에 얼음을 파괴 및/또는 파괴하기 위해서 물 입구 외부로 돌출하는 구동 샤프트의 일부에 부착되는 회전 가능한 블레이드 또는 날개를 가진다. 블레이드 또는 날개의 최대 직경의 지점은 프로펠러의 직경의 0.02 내지 0.25 배인, 물 입구의 평면으로부터의 축 방향 거리에 위치된다. 회전 가능한 블레이드 또는 날개의 직경은 프로펠러의 직경의 0.6 내지 0.8 배이다.
미국 특허 제2,714,866호는 선박을 추진시키기 위한 장치를 개시한다. 모터 케이싱은 도 4에 도시된 실시예에서 수직 러더 샤프트(rudder shaft)에 부착되며 그에 의해서 선박의 내측으로부터 러더 샤프트에 의해 회전될 수 있다. 전기 모터는 모터 케이싱의 내부에 위치된다. 케이싱을 둘러싸는 노즐은 케이싱 상의 평탄한 조인트 부품에 의해 지지된다. 전기 모터에 의해 구동되는 견인식 프로펠러(pulling propeller)는 노즐 내부의 케이싱의 전방 단부에 위치된다. 평탄한 조인트 부품은 이들이 프로펠러로부터 다가오는 물의 나선 운동을 포획하도록 조금 구부러진다. 이는 수류의 합성 속도의 나선 운동 성분이 축 방향으로 변경되어 전단(shearing)에 사용될 수 있게 한다.
미국 특허 제8,435,089호는 선박의 선체 아래에 장착 가능한 포드(pod)를 포함하는 선박용 엔진 조립체를 개시한다. 선박 추진 세트는 지지 스트럿(support strut)에 기계식으로 연결되는 적어도 하나의 포드, 포드의 후방 단부에 위치되고 적어도 두 개의 블레이드를 가지는 프로펠러, 및 포드에 체결되는 적어도 3 개의 유동-안내 핀(flow-directing fin)의 배열체를 포함한다.
이러한 핀의 배열체는 포드의 길이 방향 축선에 실질적으로 수직한 링을 형성하며, 상기 링은 상기 지지 스트럿의 중심 부분과 프로펠러 사이에 위치되는 영역 내에 놓인다. 프로펠러 세트는 프로펠러와 상기 링을 적어도 부분적으로 둘러싸는 노즐을 더 포함한다. 각각의 상기 블레이드는 프로펠러가 스크류 펌프의 회전자를 구성하도록 노즐의 내벽과 동일한 높이의 에지를 갖춘 단부를 제공한다. 핀은 선박 이동의 정방향으로 프로펠러 이전에 위치된다. 프로펠러 이후에는 핀이 없다.
노즐은 예를 들어, 석유 시추에 사용되는 소위, 자동 위치유지(DP) 선박에 사용된다. 노즐은 노즐의 제1 단부로부터 제2 단부로 물을 위한 축 방향 유동로를 갖춘 중심 도관을 형성한다. 프로펠러에 의해 생성되는 추력은 저속에서 노즐에 의해 증폭된다. 노즐은 저속에서 전체 추력의 40%까지 생성할 수 있으며, 그에 의해서 프로펠러는 전체 추력의 60%를 생성한다. 그러한 선박에는 여러 개의 추진 장치가 있으며 선박은 추진 장치에 의해 제 위치에 일정하게 유지된다. 따라서, 거친 바다에서 선박이 제 위치에 연속적으로 유지되기 위해서 저속에서 커다란 추력이 요구된다.
본 발명의 목적은 개선된 추진 장치를 달성하는 것이다.
본 발명에 따른 추진 장치는 청구범위 제1항의 특징부에 언급된 것을 특징으로 한다.
일 양태에서, 선박의 선체로부터 하향으로 연장하는 지지 스트럿, 지지 스트럿의 하단부에 부착되는 케이싱, 케이싱의 단부에 배열되는 프로펠러, 및 프로펠러 블레이드의 외부 원주를 둘러싸고 케이싱의 외부 원주와 노즐의 내부 원주 사이에 적어도 3 개의 날개를 포함하는 지지 구조물을 갖춘 케이싱에 고정되게 지지되는 환형 노즐로서, 상기 노즐이 입구 개구와 출구 개구를 가지며, 그에 의해서 수류용 덕트가 환형 노즐의 내측을 통해서 입구 개구와 출구 개구 사이에 형성되는, 환형 노즐을 포함하는 추진 장치가 제공된다. 프로펠러는 구동 방향으로 선박을 견인하며, 물은 노즐의 입구 개구로부터 자유롭게 프로펠러의 블레이드로 진입하며, 노즐의 지지 구조물은 노즐의 내측에 완전히 그리고 선박의 구동 방향으로 프로펠러의 이후에 위치되며, 프로펠러와 지지 스트럿 사이에 위치된다.
실시예에서, 추진 장치는:
선박의 선체로부터 하향으로 연장하며 그의 상단부가 선체의 바닥 부분에 회전 가능하게 지지되는 지지 스트럿,
지지 스트럿의 하단부에 부착되는 케이싱,
케이싱 내부에 위치되는 제1 전기 모터,
케이싱의 제1 단부에 부착되는 허브,
제1 전기 모터에 부착되는 제1 단부 및 허브에 부착되는 제2 단부를 가지는 제1 샤프트,
허브에 부착되는 적어도 3 개의 블레이드를 포함하는 프로펠러, 및
프로펠러 블레이드의 외부 원주를 둘러싸고 케이싱의 외부 원주와 노즐의 내부 원주 사이에 반경 방향으로 연장하는 적어도 3 개의 날개를 포함하는 지지 구조물을 갖춘 케이싱에 고정되게 지지되는 환형 노즐로서, 상기 노즐이 입구 개구와 출구 개구를 가지며, 그에 의해서 수류용 덕트가 환형 노즐의 내측을 통해서 입구 개구와 출구 개구 사이에 형성되는, 환형 노즐을 포함한다.
실시예에서, 추진 장치는:
프로펠러가 구동 방향으로 선박을 견인하며,
노즐의 지지 구조물이 선박의 구동 방향으로 프로펠러 이후에 배치되며, 그에 의해서 상기 지지 구조물의 날개는 프로펠러에 의해 생성되는 유동의 회전 유동 성분을 축 방향 추력으로 재지향시키도록 최적화되는 것을 특징으로 한다.
노즐의 지지 구조물은 선박의 구동 방향으로 프로펠러의 이후에 위치된다. 이는 프로펠러에 의해 생성된 나선 형상의 유동이 지지 구조물을 통과하는 것을 의미한다. 날개의 형태, 위치, 각도 및 수는 프로펠러 유동의 가능한 한 많은 회전 성분을 축방향 추력으로 재지향시키는 관점에서 최적화될 수 있다.
다음에서, 본 발명은 첨부 도면을 참조한 바람직한 실시예에 의해서 더 구체적으로 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 추진 장치의 수직 횡단면도를 도시하며,
도 2는 본 발명에 따른 추진 장치의 수평 횡단면도를 도시하며,
도 3은 추진 장치의 일부의 축측 투영도(axonometric view)를 도시하며,
도 4a는 노즐의 실시예를 도시하며,
도 4b는 회전자의 실시예를 도시하며,
도 4c는 고정자의 실시예를 도시하며,
도 5는 포드 유닛 및 노즐의 예시적인 치수를 예시하며,
도 6은 노즐 치수와 추력 효율 사이의 종속성을 도시하며,
도 7은 노즐 치수와 추력 효율 사이의 다른 종속성을 도시한다.
본 발명은 다음에서, 몇몇 실시예를 참조함으로써 개시될 것이다. 실시예는 배/선박의 추진 장치에 관한 것이다.
실시예에서, 추진 장치는 회전형 전기식 추력기이며, 여기서 전기 모터는 프로펠러에 직접적으로 연결되는 수중 포드 유닛에 배열된다. 전기 모터용 전기는 선내의 가스 또는 디젤 엔진과 같은 원동력에 의해 생성될 수 있다.
다른 실시예에서, 추진 장치는 회전형 기계식 추력기이다. 이러한 실시예에서, 모터가 선박 내부에 배열되고 기어 장비에 의해 추진 장치에 연결된다. 모터는 디젤 모터, 전기 모터 또는 이들의 조합식일 수 있다. 축 배열체는 L-타입 또는 Z-타입일 수 있다.
또 다른 실시예에서, 추진 장치는 회전 고정되게, 즉 회전 불가능할 수 있다. 그러한 실시예에서, 선박의 방위를 제어하기 위한 추가의 러더가 제공된다. 모터는 수중 포드 또는 선상에, 즉 선박의 내부에 배열되는 전기 모터, 또는 선상에 배열되는 기계식 추력기일 수 있다.
다음에서 본 발명은 추진 장치가 수중 포드 유닛에 배열되는 전기 모터를 가지는 실시예를 참조하여 설명할 것이지만, 노즐 및 프로펠러와 날개와 같은 관련 특징부에 관한 개시된 개념은 추진력이 어디서 그리고 어떻게 생성되는지에 의존하지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 추진 장치를 도시한다. 추진 장치(20)는 중공형 지지 스트럿(21), 케이싱(22), 제1 전기 모터(30), 제1 샤프트(31), 허브(40), 프로펠러(50), 및 프로펠러(50)를 둘러싸는 환형 노즐(60)을 포함한다. 프로펠러(50)는 제1 방향(S1), 즉 선박의 구동 방향으로 전방으로 선박을 견인한다. 선박이 반대 방향으로 구동되는 것이 바람직하다면, 회전형 추진 장치는 180도 회전될 수 있으며, 그에 의해서 추진 장치는 견인 모드로 여전히 작동한다. 따라서 프로펠러는 주 회전 방향으로 작동하도록 설계되고 그 작동을 위해 최적화된다.
예를 들어 비상 상황과 같은 몇몇 상황에서, 추진 장치의 방위는 유지될 수 있으나, 프로펠러의 회전 방향은 선박을 제동하고/하거나 선박을 후방으로 구동시키도록 역전될 수 있다. 이런 모드에서 프로펠러는 물을 프로펠러의 앞으로 밀어붙이면서 작동한다. 그러나, 그러한 작동은 일시적이며 프로펠러는 그런 작동을 위해 최적화되지 않는다.
지지 스트럿(21)은 선박의 선체(10)로부터 하향으로 연장한다. 스트럿(21)의 상단부(21A)는 선박의 선체(10)의 내측으로 연장하고 선박의 선체(10)의 바닥 부분에 회전 가능하게 지지된다. 지지 스트럿(21)은 선박의 구동 방향(S1) 쪽으로 향하는 선단 에지(21C)를 추가로 가진다. 케이싱(22)은 스트럿(21)의 하단부(21B)에 부착된다. 케이싱(22)은 제1 단부(22A) 및 제2 대향 단부(22B)를 갖는 곤돌라 형태를 가진다. 곤돌라는 적어도 실질적으로 물방울(drop)의 형태를 가질 수 있으며, 그에 의해서 제1 단부(22A), 즉 전방 단부는 포드의 후방 단부인 제2 단부(22B)보다 더 뭉툭할 수 있다. 케이싱/포드는 따라서, 물 저항의 최소화를 위해 뭉툭한 헤드(22A)를 앞으로 확산/구동하도록 배열된다. 케이싱(22)의 제1 단부(22A)는 선박이 전방으로 구동될 때 선박의 구동 방향(S1) 쪽으로 지향된다.
허브(40)는 케이싱(22)의 제1 단부(22A)에 연결되며 프로펠러(50)는 허브(40)에 부착된다. 제1 샤프트(31)의 제1 단부(31A)는 케이싱(22) 내부에 위치된 제1 전기 모터(30)에 연결되며 제1 샤프트(31)의 제2 단부(31B)는 허브(40)에 연결된다. 허브(40) 및 그에 의해 프로펠러(50)가 또한 제1 전기 모터(30)에 의해 구동되는 제1 샤프트(31)와 함께 회전한다. 제1 샤프트(31)는 샤프트 라인(X-X) 주위에서 회전한다.
프로펠러(50)는 적어도 3 개의 반경 방향으로 연장하는 블레이드(51, 52), 유리하게 3 내지 7 개의 블레이드(51, 52)를 포함한다. 물은 프로펠러(50) 이전에 위치된 임의의 방해 요소 없이 프로펠러(50)의 블레이드(51, 52)로 직접적으로 진입한다. 따라서, 예를 들어 구동 방향으로 견인 프로펠러의 전방에 날개 없으며, 그에 의해서 물은 프로펠러의 블레이드로 자유롭게 진입할 수 있다. 프로펠러(50)의 블레이드(51, 52)는 정상적인 선박 프로펠러 치수화 공정(dimensioning processes)에 따라 치수화된다. 프로펠러(50)의 블레이드(51, 52) 형상은 노즐(60)의 지지 구조물(70) 및 지지 스트럿(21)과 같은 하류 장비를 고려한 자유롭게 유입하는 3차원 물 유동을 위해 최적화된다.
환형 노즐(60)은 프로펠러(50) 블레이드(51, 52)의 외부 원주를 둘러싼다. 샤프트 라인(X-X)은 환형 노즐(60)을 위한 축 방향 중심선을 또한 형성한다. 유리한 실시예에서, 노즐(60)의 길이 방향으로의 프로펠러의 중심은 노즐(60)의 입구 개구(61)로부터 프로펠러(50)의 직경의 0.30 내지 0.45 배의 범위이다.
환형 노즐(60)은 입구 개구(61) 및 출구 개구(62)를 가지며, 그에 의해서 중심 덕트(65)가 노즐(60)의 입구 개구(61)와 출구 개구(62)의 사이에 형성된다. 중심 덕트(65)는 환형 노즐(60)의 내측을 통해 유동하는 물을 위한 축방향 유동로를 형성한다. 노즐(60)의 형상은 최소 자기-유도 항력과 최대 추력을 목적으로 설계된다. 케이싱(22)과 관련한 노즐(60)의 길이, 두께 및 위치가 최적화되어야 한다. 하나의 유리한 실시예에서, 노즐(60)의 길이는 프로펠러(50)의 직경의 0.45 내지 0.65 배 범위 사이이다. 더 유리한 실시예에서, 노즐(60)의 길이는 프로펠러의 직경의 0.45 내지 0.55 배이다. 케이싱(22)의 전방 단부(22A)의 각도는 노즐(60)의 형태에 큰 영향을 미친다. 이는 도 4a 내지 도 7을 참조하여 더 구체적으로 설명될 것이다.
환형 노즐(60)은 케이싱(22)의 외부 원주와 노즐(60)의 내부 원주 사이로 연장하는 반경 방향으로 연장하는 날개(71, 72)를 포함하는 지지 구조물(70)에 의해 케이싱(22)에 고정되게 부착된다. 케이싱(22)에 환형 노즐(60)을 지지하는 적어도 3 개의 날개(71, 72), 유리하게 2 내지 7 개의 날개(71, 72)가 있다.
프로펠러 블레이드 및 날개의 수는 일정하지 않은 힘을 피하기 위해서 서로 상이할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 고정자는 회전자가 블레이드를 갖는 것보다 더 많은 날개를 가진다. 몇몇 실시예에서, 차이점은 하나(1), 즉 회전자가 블레이드를 갖는 것보다 고정자가 하나 더 많은 날개를 갖는다는 점이다. 실시예에서, 프로펠러는 4 개의 블레이드를 가지며 고정자는 5 개의 날개를 가질 수 있다.
날개(71, 72)는 선박의 구동 방향(S1)으로 프로펠러(50) 이후에 위치된다. 회전하는 프로펠러(50)는 제1 방향(S1), 즉 선박의 구동 방향과 반대인 제2 방향(S2)으로 중심 덕트(65)의 제1 단부(61)로부터 중심 덕트(65)의 제2 단부(62)로 중심 덕트(65)를 통해 물이 유동하게 한다. 프로펠러(50)에 의해 생성된 추력은 환형 노즐(60)에 의해 증폭된다. 따라서 프로펠러(50)는 선박을 제1 방향(S1)으로 견인한다.
지지 구조물(70)의 날개(71, 72)는 날개(71, 72)가 선박(10)의 구동 방향(S1)으로 프로펠러(50) 이후에 위치되기 때문에 프로펠러(50)의 블레이드(51, 52)로부터 나선 형상의 수류를 수용한다. 날개(71, 72)는 프로펠러(50)의 블레이드(51, 52)에 의해 생성되는 회전 에너지를 복구한다. 날개(71, 72)는 나선 형상의 수류의 회전 유동 성분을 축 방향으로 재지향시킨다. 이는 프로펠러(50)에 의해 생성되는 추력을 증가시킬 것이다.
날개(70)의 단면 형상은 자기-유도 항력을 최소화하도록 설계된다. 각각의 날개(71, 72)는 유입하는 3 차원 수류, 즉 프로펠러(50)로부터 다가오는 수류를 고려하여 설계된다. 날개(71, 72)로부터 하류에 위치되는 지지 스트럿(21)의 영향이 날개(71, 72)를 설계할 때 또한 고려된다.
지지 구조물(70) 내의 날개(71, 72)는 프로펠러(50)에 의해 생성된 유동의 회전 유동 성분을 축 방향 추력으로 재지향시키도록 최적화된다. 최적화는 지지 구조물(70) 직전에서 프로펠러(50)에 의해 생성된 유동장(flow field)을 계산함으로써 수행된다. 그 계산은 계산 유체 역학(computational fluid dynamics; CFD)에 의해 또는 더욱 간단한 패널 기법(panel method)에 의해 수행될 수 있다. 유동장이 공지되면, 날개(71, 72)가 생성하는 과다 추력과 날개(71, 72)가 생성하는 자기-유도 항력 사이의 비가 최대로 되도록 유입 유동과 관련한 날개(71, 72)의 반경 방향으로의 최적 각도 분포가 결정된다. 각각의 날개(71, 72)의 두께와 길이 사이의 비는 날개(71, 72)의 강도에 의해 결정된다. 날개(71, 72)는 프로펠러(50)에 의해 생성되는 추력과 유체역학적 하중을 운반하고 공급한다.
실시예에서, 프로펠러는 따라서 프로펠러로 자유롭게/직접적으로 진입하는 물에 대한 회전 토크를 생성한다. 구동 방향으로 프로펠러 이후에서, 회전하는 수류가 날개로 진입하며, 이는 프로펠러보다는 수류와 상반되는 토크를 생성한다. 그에 의해서 물의 축 방향 유동은 날개에 의해 복귀된다. 따라서 날개는 물이 날개와 노즐을 빠져나올 때 날개로 진입하는 회전하는 수류를 축 방향 추력으로 복귀시키기 위해서 프로펠러에 의해 생성된 회전 토크를 반대 토크에 의해 보상한다. 따라서 프로펠러에 의해 부과된 토크에 비교할 때 날개는 수류에 역회전-토크를 부과하며, 그 역회전-토크는 결과로써 직접적인 수류가 노즐에 의해 제공되도록 프로펠러의 회전 효과를 적어도 실질적으로 균일화한다고 말할 수 있다. 날개는 노즐의 내측에, 즉 노즐의 입구 개구와 출구 개구 사이에 위치되는 것이 유리하다. 이러한 방식으로, 물의 축방향 유동은 가능한 한 빨리 복귀되며, 이는 노즐로부터 얻어지는 추력을 최대화한다.
프로펠러(50) 및 지지 구조물(70)은 완전히, 노즐(60) 내부에, 즉 노즐(60)의 입구 단부(61)와 출구 단부(62)의 내부에 있다. 즉, 프로펠러 블레이드 및 날개는 노즐에 의해 형성된 튜브의 내측에 위치된다.
지지 스트럿(21)의 상단부(21A)는 선박 선체 내부의 기어 휠(26)에 부착된다. 제2 전기 모터(110)는 제2 샤프트(111)를 경유하여 회전륜(26)의 톱니에 연결되는 피니언(112)에 연결된다. 제2 전기 모터(110)는 따라서 기어 휠(26)을 그리고 그에 따라 또한 추진 장치(20)를 회전시킬 것이다. 추진 장치(20)는 따라서 선박의 선체(10)에 회전 가능하게 지지되고 선박의 선체(10)와 관련하여 수직 중심 축선(Y-Y) 주위에서 360도 회전될 수 있다. 도면은 기어 휠(26)에 연결되는 단지 하나의 제2 전기 모터(110)만을 도시하지만, 거기에는 당연히 기어 휠(26)을 구동시키는 두 개 이상의 제2 전기 모터(110)가 있을 수 있다.
전기 모터(30, 110)에 필요한 전력은 선박의 선체(10) 내부에서 생성된다. 전력은 연소 기관에 연결되는 발전기에 의해 생성될 수 있다. 제1 전기 모터(30)로의 전력은 선박의 선체(10) 내측에 있는 발전기로부터 추진 장치(20)로 연장하는 케이블에 의해 공급된다. 슬립 링 배열체(100)는 정지된 선체(10)로부터 회전 가능한 추진 장치(20)로 전력을 전달하기 위해서 선체(10) 내부의 기어 휠(26)과 연결될 필요가 있다.
제1 샤프트(31)의 중심 축선(X)은 도면에 도시된 실시예에서 수평 방향으로 지향된다. 그러나, 제1 샤프트(31)의 중심 축선(X)은 수평 방향에 대해 경사질 수 있다. 따라서 케이싱(22)은 수평 방향에 대해 경사질 것이다. 이는 몇몇 상황에서 유체역학적 장점을 초래할 수 있다.
추진 장치(20)의 회전 축선(Y-Y)과 샤프트 라인(X-X) 사이의 각도(α1)는 유리하게 90도이지만, 이는 90도보다 더 작거나 90도보다 더 클 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 추진 장치의 수평 횡단면도를 도시한다. 도면은 지지 스트럿(21) 및 케이싱(22)을 도시한다. 지지 스트럿(21)은 추진 장치(20)를 선박의 선체에 지지한다. 지지 스트럿(21)의 수평 횡단면은 지지 스트럿(21)의 선단 에지(21C)가 유입 수류 쪽으로 각도(α2)만큼 경사져 있음을 도시한다. 지지 스트럿(21)의 선단 에지(21C)는 유입 수류 쪽으로 선단 에지(21C)를 경사시킴으로써 전체 유닛의 추력을 증가시키도록 최적화되고 그렇게 하기 위한 형상을 가질 수 있다. 따라서 지지 스트럿(21)은 지지 구조물(70) 이후의 3차원 유동으로부터 나머지 회전 에너지를 복구할 수 있다. 지지 스트럿(21)의 선단 에지(21C)의 경사 각도(α2)는 0 내지 10도 범위로 변화한다. 유리한 실시예에서, 경사 각도는 3 내지 7도 범위이다. 바람직하게, 그 경사는 접근하는 회전자 블레이드 쪽이다. 즉, 회전자가 시계방향으로 회전하면, 그 경사는 스트럿의 뒤에서 보았을 때 우측으로 향한다. 지지 스트럿(221)의 선단 에지(21C)의 경사 각도(α2)는 반경 방향으로 변할 수 있다. 노즐(60)의 지지 구조물(70) 이후의 수류의 각도는 각도(α2)를 결정하기 위해서 계산 유체 역학(CFD)에 의해 또는 더욱 간단한 패널 기법에 의해 계산될 수 있다.
프로펠러(50)의 블레이드(51, 52)는 제1 축 방향 구역(X1)에 위치되며 지지 구조물(70)의 날개(71, 72)는 제2 축방향 구역(X2)에 위치된다. 제2 축 방향 구역(X2)은 선박 이동의 정방향(S1)으로 제1 축방향 구역(X1) 이후의 축 방향 거리(X3)에 위치된다.
프로펠러(50)는 프로펠러(50)의 블레이드(51, 52)의 반경 방향 외측 에지를 통과하는 원으로부터 측정된 직경(D1)을 가진다.
도 3은 추진 장치의 일부의 축측 투영도를 도시한다. 도면은 케이싱(22)과 그 케이싱(22)을 둘러싸는 노즐(60)을 도시한다. 도면은 하나의 날개(71)를 추가로 도시한다. 각각의 날개(71, 72)의 섹션 각도(section angle)(α3)는 반경 방향으로 0 내지 15도로 변화한다. 바람직한 일 실시예에서, 각도는 3 내지 10도이다. 섹션 각도(α3)는 날개(71, 72)의 평면의 축 방향(X-X)과 반경 방향 사이의 각도이다. 환언하면, 이러한 각도는 날개가 길이방향 축선(X-X)에 대해 얼마나 많이 경사지는지를 정의하며, 이는 또한 프로펠러의 회전 축선을 정의한다.
도 4a는 노즐의 일 실시예의 3D-도면을 도시한다. 따라서 노즐은 기하학적으로, 개방 단부를 갖는 원통체 또는 절두 원추체일 수 있다. 노즐의 형태는 노즐에 의해 둘러싸인 포드의 형태에 의존할 수 있다. 바람직하게, 포드와 노즐 사이의 개방 면적은 노즐의 후방에서보다 노즐의 전방에서 더 크다. 노즐의 전방은 노즐의 내부에 놓이게 될 프로펠러에 더 가까운 노즐의 단부를 지칭한다. 다른 실시예에서, 노즐 양 단부의 직경은 실질적으로 동일하다.
도 4b는 회전자/프로펠러의 실시예의 3D-도면을 도시한다. 프로펠러가, 블레이드가 고정되는 실질적으로 원통형 중간 부분인 회전자 디스크를 포함함을 알 수 있다. 회전자 디스크에 고정되는 블레이드의 기저 부분은 프로펠러의 회전 축선으로부터 조금 기울어질 수 있다. 블레이드의 형태는 블레이드의 선단에서 후방 단부가 블레이드의 전방 단부보다 블레이드의 기저부로부터 반경 방향으로 더 멀리 떨어져 있도록 비틀림 형태를 추가로 가질 수 있다.
도 4c는 고정자의 실시예의 3D-도면을 도시한다. 고정자의 날개는 회전자의 회전 축선에 대해 또한 경사질 수 있다. 고정자 블레이드의 경사는 회전자 블레이드의 경사와 반대 방향일 수 있다. 예를 들어, 도 4b의 회전자 블레이드가 회전자의 후방으로부터 보았을 때 우측으로 경사져 있기 때문에, 도 4c의 고정자 블레이드는 좌측으로 경사질 수 있으며, 이는 날개의 전방 단부가 날개의 후방 단부보다 더 좌측에 있음을 의미한다. 날개의 경사는 회전자의 회전 축선과 비교할 때 15도까지일 수 있다. 바람직하게, 날개 경사는 포드를 길이방향으로 통과하는 길이방향 축선으로부터 3 내지 10도이다.
회전자 블레이드와 고정자 날개의 경사가 반대 방향이기 때문에, 이들은 물에 대한 실질적으로 반대 회전 효과를 유발한다. 즉, 날개는 실질적으로, 회전자 블레이드보다는 물에 반대 회전력을 유발하도록 배열되며, 그에 의해서 회전자의 회전 효과는 고정자를 빠져나가는 추력이 적어도 실질적으로 축 방향이 되도록 고정자에 의해 실질적으로 보상된다
도 5는 다양한 치수 및 치수들 사이의 종속성을 예시하기 위한 추진 장치의 일부의 실시예를 도시한다. 도 5에서, 다음의 약어가 사용된다.
Dα는 포드(22)의 주 확산 방향으로의 노즐 전방의 직경이다. Dβ는 노즐 후방, 즉 포드(22)의 주 확산 방향으로의 노즐의 단부의 직경이다. dα는 노즐 전방의 평면에서 포드의 직경을 지칭하며, dβ는 노즐 후방의 평면에서 포드의 직경을 지칭한다. Din은 회전자 블레이드가 고정되는 회전자 디스크의 명면에서 내부 노즐 직경이다. dRh는 회전자 허브의 직경을 지칭한다.
또한, 다음의 정의가 만들어진다.
Figure pct00001
, 여기서 Sα는 노즐 전방의 섹션 면적이며 Sin은 회전자 디스크에서 노즐의 섹션 면적이다.
Figure pct00002
, 여기서 Sβ는 노즐 후방의 섹션 면적이며
Figure pct00003
도 6은 α와 프로펠러에 의해 생성된 추력 사이의 관련성을 도시한다. 노즐의 전방 헤드에서 개방 수류 면적과 회전자 디스크에서 개방 물 면적 사이의 분할을 예시하는 α가 대략 1.25일 때 추력이 최소화됨을 알 수 있다. 최적 범위는 1.15 내지 1.35, 훨씬 더 바람직하게 1.20 내지 1.30 이 되도록 한정될 수 있다. 여기서 추력은 얼마나 큰 힘이 프로펠러에 의해 커버된 면적에 영향을 미치는지를 예시한다.
도 7은 회전자 디스크에서의 개방 면적에 의해 나누어진 노즐 후방에서의 개방 면적을 지칭하는 β와 프로펠러에 의해 생성된 효율 사이의 관련성을 도시한다. β가 1.10 아래에, 특히 1.00 내지 1.10 사이에 있을 때 효율의 약간의 개선이 달성됨을 알 수 있다.
본 발명 및 본 발명의 실시예는 전술한 예에 한정되지 않으며 청구범위의 범주 내에서 변경될 수 있다.

Claims (18)

  1. 선박의 선체(10)로부터 하향으로 연장하는 지지 스트럿(21),
    지지 스트럿(21)의 하단부(21B)에 부착되는 케이싱(22),
    케이싱(22)의 단부에 배열되는 프로펠러(50), 및
    프로펠러(50) 블레이드(51, 52)의 외부 원주를 둘러싸고 케이싱(22)의 외부 원주와 노즐(60)의 내부 원주 사이에 적어도 3 개의 날개(71, 72)를 포함하는 지지 구조물(70)을 갖춘 케이싱(22)에 고정되게 지지되는 환형 노즐(60)로서, 상기 노즐(60)이 입구 개구(61)와 출구 개구(62)를 가지며, 그에 의해서 수류용 덕트(65)가 환형 노즐(60)의 내측을 통해서 입구 개구(61)와 출구 개구(62) 사이에 형성되는, 환형 노즐을 포함하는 추진 장치(20)에 있어서,
    상기 프로펠러(50)는 구동 방향(S1)으로 선박을 견인하며,
    물은 노즐(60)의 입구 개구(61)로부터 자유롭게 프로펠러의 블레이드(51, 52)로 진입하며,
    상기 노즐(60)의 지지 구조물(70)은 노즐(60)의 내측에 완전히 그리고 선박의 구동 방향(S1)으로 프로펠러(50)의 이후에 위치되며, 프로펠러(50)와 지지 스트럿(21) 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는 추진 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지 스트럿(21)의 상단부(21A)는 선체(10)의 바닥 부분에 회전 가능하게 지지되는 것을 특징으로 하는 추진 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 추진 장치는 케이싱(22) 내부에 위치되는 제1 전기 모터(30)를 포함하는 것을 특징으로 하는 추진 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 추진 장치는 케이싱(22)의 제1 단부(22A)에 부착되는 허브(40)를 포함하며 상기 프로펠러(50)는 허브(40)에 부착되는 것을 특징으로 하는 추진 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 추진 장치는 제1 전기 모터(30)에 부착되는 제1 단부(31A) 및 허브(40)에 부착되는 제2 단부(31B)를 가지는 제1 샤프트(31)를 포함하는 것을 특징으로 하는 추진 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지 구조물(70) 내의 날개(71, 72)는 프로펠러(50)에 의해 생성되는 유동의 회전 유동 성분을 축방향 추력으로 재지향시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 추진 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지 구조물(70) 내의 날개(71, 72)는 날개 이후의 유동이 적어도 실질적으로 축방향 추력으로 복귀하도록 프로펠러에 의해 유발되는 회전 효과를 보상하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 추진 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지 구조물(70) 내의 날개(71, 72)는 노즐의 반경 방향으로 연장하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 추진 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지 구조물 내의 날개(71, 72)의 수는 프로펠러(50) 내의 블레이드(51, 52)의 수보다 더 큰 것을 특징으로 하는 추진 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 케이싱(22)의 제1 단부(22A)는 제2 단부(22B)보다 더 뭉툭한 형태를 가지며, 그에 의해서 케이싱은 제1 헤드(22A)를 앞으로 구동 방향(S1)으로 확산하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 추진 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 추진 장치는 케이싱(22) 외부의 모터로부터 추진력을 수용하기 위한 기어링 조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 추진 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 노즐(60)의 길이는 프로펠러(50)의 직경의 0.45 내지 0.65 배인 것을 특징으로 하는 추진 장치.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 노즐(60)의 길이 방향으로 프로펠러(50)의 중심은 노즐의 입구 개구(61)로부터 프로펠러의 직경의 0.30 내지 0.45 배의 범위인 것을 특징으로 하는 추진 장치.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지 구조물(70)은 3 내지 7 개의 날개(71, 72)를 포함하는 것을 특징으로 하는 추진 장치.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지 스트럿(21)의 선단 에지(21C)는 유입 수류 쪽으로 각도(α2)만큼 경사져 있으며, 상기 지지 스트럿(21)의 선단 에지(21C)의 상기 각도(α2)는 3 내지 7도의 범위인 것을 특징으로 하는 추진 장치.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프로펠러의 회전 축선에 대한 적어도 하나의 날개(71, 72)의 경사 각도(α3)는 3 내지 10도인 것을 특징으로 하는 추진 장치.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 노즐의 전방에서 포드와 노즐 사이의 섹션 면적은 회전자 디스크와 노즐 사이의 섹션 면적의 1.15 내지 1.35 배인 것을 특징으로 하는 추진 장치.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 노즐의 후방에서 포드와 노즐의 내면 사이의 섹션 면적은 회전자 디스크와 노즐 사이의 섹션 면적의 1.00 내지 1.15 배인 것을 특징으로 하는 추진 장치.
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