KR20170142711A

KR20170142711A - 연속 가변형 호이스트용 윈치

Info

Publication number: KR20170142711A
Application number: KR1020160076652A
Authority: KR
Inventors: 류신욱; 김웅지; 김정민; 이광민
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2016-06-20
Filing date: 2016-06-20
Publication date: 2017-12-28

Abstract

본 발명은 시추에 사용되는 호이스트용 윈치에 관한 것으로, 윈치의 변속장치 부분에 가변장치(CVT: Continuously Variable Transmission)를 적용함으로써 연속적으로 출력되는 동력을 제어하여 윈치의 크기(size)도 최소화하면서 동력을 전체 속도영역에서 효율화할 수 있으며, 동력 손실 없이 연속적으로 변속함으로써 변속시 요구되는 시프팅 타임(shifting time)을 최소화하여 운영상 발생하는 손실(loss)을 최소화할 수 있다.

Description

연속 가변형 호이스트용 윈치{CONTINUOUS CHANGE SPEED TYPE WINCH FOR HOISTING IN DRILL SHIP}

본 발명은 시추에 사용되는 호이스트용 윈치에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로 윈치의 변속장치 부분에 가변장치(CVT: Continuously Variable Transmission)를 적용함으로써 연속적으로 출력되는 동력을 제어하여 윈치의 크기(size)도 최소화하면서 동력을 전체 속도영역에서 효율화할 수 있으며, 동력 손실 없이 연속적으로 변속함으로써 변속시 요구되는 시프팅 타임(shifting time)을 최소화하여 운영상 발생하는 손실(loss)을 최소화할 수 있는 연속 가변형 호이스트용 윈치에 관한 것이다.

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

드릴십은 상하로 관통된 형태의 문풀(Moonpool)을 구비하고, 문풀 상부에 위치하며 시추장비를 구비하는 데릭(Derrick)을 포함한다.

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

시추시 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 길이로 연결한 후, 그 드릴 파이프를 문풀을 통해 해저까지 하강시킨 뒤, 로테이팅 시스템(Rotating System)을 통해 드릴 파이프를 회전하여서 시추공을 형성한다.

시추장비의 호이스트 시스템(Hoisting System) 중 호이스트용 윈치(Hoisting Winch, 혹은 Drawworks)는 시추 작업 간 드릴 파이프나 케이싱, 라이저 등의 중량물을 심해(深海)까지 밀어 넣거나 끌어올리는 작업을 반복해서 수행한다.

호이스팅(Hoisting) 작업이란 중량물을 심해까지 밀어 넣거나 끌어올리는 작업으로, 드릴 파이프를 회전시키기 위한 탑 드라이브(Topdrive) 상에 중량물을 고정하고 운동을 하는 경우 호이스트용 윈치의 동력 제한으로 인해서 저속(低速) 운전을 하고, 그에 비해서 중량물을 고정하지 않고 Empty Hook으로 운전되는 경우 고속(高速) 운전을 한다.

종래에는 동력을 최적화하여 윈치에서 소모되는 동력의 효율성을 제고하는 경우, 통상 2~3단 감속용 기어(gearbox)를 적용하고 있는데, 2개의 속도 모드로 제한되어 있기 때문에 모든 영역에서 효율적으로 동력을 사용할 수 없다.

종래에는 온라인 기어 변속시 기어의 내구성이 문제가 될 수 있다. 즉, Heavy Load와 Empty Hook 간 감속 비를 변경해야 효율적인데, 일반적으로 속도를 Zero로 만든 다음 변속을 수행한다. 변속 간에 발생하는 시프팅 타임(shifting time)은 생산성과 직접적인 연관이 많은 empty hook의 시간을 지연시키는 문제가 있다. 특히, Heavy Load와 Empty Hook을 연속적으로 반복 수행해야 할 때에 문제가 발생하며, 통상 Tripping시 시간당 40 stand를 처리하게 되는데, 높이 45m를 기준으로 연속적으로 변속하지 않으면, stand 당 13초의 차이가 발생하여 시간당 9분 정도의 Loss가 발생할 수 있다. 따라서, 온라인 기어 변속시 동력을 유지하면서 연속 변속이 가능한 윈치가 절실히 요구되고 있다.

국내 등록특허 제10-1311208호 국내 공개특허 제10-2014-0028865호

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 윈치의 변속장치 부분에 가변장치(CVT: Continuously Variable Transmission)를 적용함으로써 연속적으로 출력되는 동력을 제어하여 윈치의 크기(size)도 최소화하면서 동력을 전체 속도영역에서 효율화할 수 있으며, 동력 손실 없이 연속적으로 변속함으로써 변속시 요구되는 시프팅 타임(shifting time)을 최소화하여 운영상 발생하는 손실(loss)을 최소화할 수 있는 연속 가변형 호이스트용 윈치를 제공함에 그 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 연속 가변형 호이스트용 윈치는 윈치 본체; 상기 윈치 본체에 회전 가능하게 설치되며, 외주 면에 와이어 로프가 권취되는 드럼; 상기 드럼의 양측에 설치되고, 내주 면을 따라 기어 치가 형성되는 링 기어; 상기 드럼을 회전시키기 위해서 회전 동력을 발생하며, 상기 윈치 본체에 설치되는 구동모터; 상기 구동모터에 연결되는 무단 변속장치(CVT); 상기 기어 치에 치합하여 동력을 전달할 수 있도록 상기 무단 변속장치에 결합하는 피니언을 포함한다.

상기 무단 변속장치는 상기 구동모터의 회전축에 연결되며, 마주하는 2개의 풀리중 어느 하나의 풀리가 축 방향으로 이동 가능하게 설치되는 구동 풀리; 상기 피니언에 연결되며, 마주하는 2개의 풀리 중 어느 하나의 풀리가 축 방향으로 이동 가능하게 설치되는 피동 풀리; 및 상기 구동 풀리와 상기 피동 풀리를 연결하여 동력을 전달하며, 상기 구동 풀리와 상기 피동 풀리의 축 방향 이동에 의해서 회전 반경이 가변되는 스틸 벨트를 포함한다.

상기 윈치 본체의 중간에는 상기 드럼이 설치되기 위한 설치공간이 형성되고, 상기 설치공간에는 드럼 축이 횡 방향으로 설치되며, 상기 드럼 축에는 상기 드럼이 결합한다.

상기 설치공간에는 보강 크로스바가 설치되어 상기 윈치 본체를 보강할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 윈치의 변속장치 부분에 가변장치(CVT: Continuously Variable Transmission)를 적용함으로써 연속적으로 출력되는 동력을 제어하여 윈치의 크기(size)도 최소화하면서 동력을 전체 속도영역에서 효율화할 수 있으며, 동력 손실 없이 연속적으로 변속 가능함으로써 변속시 요구되는 시프팅 타임(shifting time)을 최소화하여 운영상 발생하는 손실(loss)을 최소화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 연속 가변형 호이스트용 윈치를 보인 사시도
도 2는 본 발명의 연속 가변형 호이스트용 윈치를 보인 정면도
도 3은 본 발명의 드럼과 무단 변속장치를 설명하기 위한 사시도
도 4는 본 발명의 링 기어 및 무단 변속장치를 설명하는 측면도
도 5는 본 발명의 무단 변속장치를 설명하기 위한 사시도
도 6은 본 발명의 무단 변속장치 작동을 설명하기 위한 도면

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연속 가변형 호이스트용 윈치에 대하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 연속 가변형 호이스트용 윈치를 보인 사시도, 도 2는 본 발명의 연속 가변형 호이스트용 윈치를 보인 정면도, 도 3은 본 발명의 드럼과 무단 변속장치를 설명하기 위한 사시도, 도 4는 본 발명의 링 기어 및 무단 변속장치를 설명하는 측면도, 도 5는 본 발명의 무단 변속장치를 설명하기 위한 사시도, 및 도 6은 본 발명의 무단 변속장치 작동을 설명하기 위한 도면이다.

도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 연속 가변형 호이스트용 윈치는 선체 상에 설치되는 윈치 본체(10), 외주 면에 와이어 로프(W)가 권취되는 드럼(20), 내주 면을 따라 기어 치(31)가 형성되는 링 기어(30), 회전 동력을 발생하는 구동모터(40), 동력 손실 없이 연속적으로 변속 가능한 무단 변속장치(CVT)(100), 및 기어 치에 치합하는 피니언(50)을 포함한다.

윈치 본체(10)는 그 중간에 드럼(20)이 설치되기 위한 설치공간(S)이 형성되고, 그 설치공간(S)에는 드럼(20)이 회전 가능하게 설치된다.

드럼(20)의 회전을 위해서 그 설치공간(S)에 드럼 축(11)이 횡 방향으로 설치될 수 있으며, 드럼 축(11)에 드럼(20)이 회전 가능하게 결합할 수 있다.

설치공간(S)에는 보강 크로스바(12)가 설치되어 윈치 본체(10)를 보강할 수 있다. 도면에 도시하지 않았으나, 드럼(20)은 다수의 베어링에 의해서 지지될 수 있다.

드럼(20)은 원통 형상으로 형성될 수 있으며, 윈치 본체(10)에 회전 가능하게 설치되며, 외주 면에 와이어 로프(W)가 권취될 수 있다.

링 기어(30)는 드럼(20)의 양측에 설치되고, 내주 면을 따라 기어 치(31)가 형성된다.

구동모터(40)는 드럼(20)을 회전시키기 위해서 회전 동력을 발생하며, 윈치 본체(10)에 고정 설치된다.

무단 변속장치(CVT)(100)는 구동모터(40)에 연결되며, 구동모터(40)의 동력을 연속적으로 가변하는 역할을 한다.

무단 변속장치(100)는 구동모터(40)의 회전축에 연결되며, 마주하는 2개의 풀리(111)(111')중 어느 하나의 풀리(111)가 축 방향으로 이동 가능하게 설치되는 구동 풀리(110); 피니언(50)에 연결되며, 마주하는 2개의 풀리(121)(121')중 어느 하나의 풀리(121)가 축 방향으로 이동 가능하게 설치되는 피동 풀리(120); 및 구동 풀리(110)와 피동 풀리(120)를 연결하여 동력을 전달하며, 구동 풀리(110)와 피동 풀리(120)의 축 방향 이동에 의해서 회전 반경이 가변되는 스틸 벨트(130)를 포함한다.

피니언(50)은 기어 치에 치합하여 동력을 전달할 수 있도록 무단 변속장치(100)에 결합한다.

이와 같이 구성된 연속 가변형 호이스트용 윈치에 대하여 상세하게 설명한다.

일반적으로 호이스팅(Hoisting) 작업은 크게 중량물을 심해까지 밀어 넣거나 끌어올리는 작업으로, 드릴 파이프를 회전시키기 위한 탑 드라이브(Topdrive) 상에 중량물을 고정하고 운동을 하는 경우 호이스트용 윈치의 동력 제한으로 인해서 저속으로 운전하게 되고, 그에 비해서 중량물을 고정하지 않고 Empty Hook으로 운전되는 경우는 고속으로 운전하게 된다.

본 발명에서는 자동차 분야에 많이 적용되고 있는 무단 변속장치(100)(CVT:Continuously Variable Transmission)을 윈치의 감속장치 부분에 적용함으로써, 연속적으로 출력되는 동력을 제어하여 윈치의 크기도 최소화하면서 동력을 전체 속도영역에서 효율화할 수 있다.

구동모터(40)가 구동하여 동력을 발생하면, 구동모터(40)의 동력은 무단 변속장치(100)에 의해 가변 되며, 무단 변속장치(100)에 연결된 피니언(50)은 링 기어(30)의 기어 치(31)에 치합된 상태에서, 링 기어(30)를 회전시킨다. 링 기어(30)의 회전에 의해서 드럼(20)도 회전하면서 와이어 로프(W)를 감거나 풀게 된다.

시추 작업에서는 Heavy Load와 Empty Hook 간 감속 비를 변경해야 효율적이므로 변속 간에 발생하는 시프트 타임(shifting time)을 최소화하여 운영상 발생하는 손실(loss)을 최소화할 수 있어야 한다. 이를 위해서 본 발명에서는 무단 변속장치(CVT:Continuously Variable Transmission)을 적용함으로써, 연속적으로 출력되는 동력을 제어하여 윈치의 크기(size)도 최소화하면서 동력을 전체 속도영역에서 효율화할 수 있으며, 동력 손실 없이 연속적으로 변속 가능하다.

도 6을 참조하여 무단 변속장치(100)의 원리를 살펴보면, 구동 풀리(110)의 풀리(111)는 축 방향으로 이동하여 넓혀지거나 좁혀질 수 있으며, 반대로 피동 풀리(120)의 풀리(121)는 축 방향으로 이동하여 좁혀지거나 넓혀질 수 있다. 이때, 스틸 벨트(130)의 회전 반경이 가변되어 드럼(20)의 속도가 연속적으로 가변될 수 있는 것이다.

10: 윈치 본체
11: 드럼 축
12: 보강 크로스바
20: 드럼
30: 링 기어
31: 기어 치
40: 구동모터
50: 피니언
100: 무단 변속장치
110: 구동 풀리
111, 111': 풀리
120: 피동 풀리
121, 121':풀리
130: 스틸 벨트
S: 설치공간
W: 와이어 로프

Claims

윈치 본체;
상기 윈치 본체에 회전 가능하게 설치되며, 외주 면에 와이어 로프가 권취되는 드럼;
상기 드럼의 양측에 설치되고, 내주 면을 따라 기어 치가 형성되는 링 기어;
상기 드럼을 회전시키기 위해서 회전 동력을 발생하며, 상기 윈치 본체에 설치되는 구동모터;
상기 구동모터에 연결되는 무단 변속장치;
상기 기어 치에 치합하여 동력을 전달할 수 있도록 상기 무단 변속장치에 결합하는 피니언을 포함하는 연속 가변형 호이스트용 윈치.
청구항 1에 있어서,
상기 무단 변속장치는
상기 구동모터의 회전축에 연결되며, 마주하는 2개의 풀리 중 어느 하나의 풀리가 축 방향으로 이동 가능하게 설치되는 구동 풀리;
상기 피니언에 연결되며, 마주하는 2개의 풀리 중 어느 하나의 풀리가 축 방향으로 이동 가능하게 설치되는 피동 풀리; 및
상기 구동 풀리와 상기 피동 풀리를 연결하여 동력을 전달하며, 상기 구동 풀리와 상기 피동 풀리의 축 방향 이동에 의해서 회전 반경이 가변되는 스틸 벨트;를 포함하는 연속 가변형 호이스트용 윈치.
청구항 1에 있어서,
상기 윈치 본체의 중간에는 상기 드럼이 설치되기 위한 설치공간이 형성되고, 상기 설치공간에는 드럼 축이 횡 방향으로 설치되며, 상기 드럼 축에는 상기 드럼이 결합하는 것을 특징으로 하는 연속 가변형 호이스트용 윈치.
청구항 1에 있어서,
상기 설치공간에는 보강 크로스바가 설치되는 것을 특징으로 하는 연속 가변형 호이스트용 윈치.