KR20180016810A - 에어보트용 가변피치 프로펠러 자동제어 장치 - Google Patents

에어보트용 가변피치 프로펠러 자동제어 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에어보트 프로펠러의 추력 효율성을 대폭 증진시킬 수 있는 에어보트용 가변피치 프로펠러 자동제어 장치에 관한 것으로,
본 발명의 실시예에 따른 에어보트용 가변피치 프로펠러 자동제어 장치는, 선체 및 프로펠러를 포함하는 에어보트에 설치되어 에어보트의 피치를 자동으로 가변시키는 에어보트용 가변피치 프로펠러 자동제어 장치로서, 상기 에어보트의 속도를 검출하는 선체 속도 센서; 상기 에어보트 주변의 공기 밀도를 검출하는 공기 밀도 센서; 상기 프로펠러의 회전수를 검출하는 회전수 검출 센서; 상기 프로펠러를 회전시키는 프로펠러 샤프트의 위치를 조절하는 액츄에이터 스트로트의 위치 정보를 검출하는 프로펠러 피치 센서; 상기 선체 속도 센서, 공기 밀도 센서, 회전수 검출 센서, 프로펠러 피치 센서로부터 검출된 정보를 이용하여 프로펠러 피치각도를 연산하고, 연산 결과에 따라 프로펠러 제어 신호를 출력하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

에어보트용 가변피치 프로펠러 자동제어 장치{Automatic control device for controllable pitch airboat propeller}
본 발명은 에어보트용 가변피치 프로펠러 자동제어 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 에어보트 프로펠러의 추력 효율성을 대폭 증진시킬 수 있는 에어보트용 가변피치 프로펠러 자동제어 장치에 관한 것이다.
에어보트는 일반적인 선박에서 사용하는 수중 스크루가 아닌 선체 위의 항공기 프로펠러로 추력을 발생한다. 또한 선체가 편평하게 제작되어 수심이 매우 낮은 지역은 물론, 습지, 갯벌, 얼음, 눈 위, 심지어는 육상의 도로에서도 운영될 수 있다. 그리하여 미국의 플로리다 지역 늪지와 러시아의 결빙호수나 폭설지역에서 많이 애용되고 있는 특수선박이다.
이러한 에어보트는 기존의 소형 보트에 수중 스크루 엔진을 제거하고 소형 비행기 엔진과 함께 고정피치 프로펠러를 장착함으로 실용화되었다. 비행기 프로펠러가 발생하는 추력을 사용하여 에어보트는 수륙양용의 특별한 기능을 가지게 된 것이다.
그러나, 보트 제작자들이 항공기 프로펠러의 효율성 이해와 기술적인 한계로 인해 여전히 비효율적으로 에어보트를 운영하는 문제점이 있다.
에어보트에 사용되는 소형항공기 프로펠러는 일정한 순항속도와 엔진의 일정한 정격출력에 맞춰져 설계되어 있으므로 피치가 고정되어 있다. 이러한 에어보트는 자동차의 시내 운전처럼 빈번한 속도와 출력변화로 비행기 고정피치 프로펠러로는 효율적인 출력 사용을 기대할 수 없다.
현재의 거의 모든 에어보트는 고정피치 프로펠러를 사용하고 있는 데, 이것은 자동차에 비유하면 1단 기어로 시내운전을 계속하는 것과 같이 매우 비효율적이다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 에어보트의 속도와 엔진의 회전수에 따라 시시각각 변화하는 가변피치 프로펠러와 자동 피치 조정장치가 필요하다. 이것은 자동차의 경우 자동변속 기어장치에 해당한다.
현재 극히 소수의 에어보트가 가변피치 프로펠러 엔진을 장착하여 가변피치 프로펠러를 사용하지만, 그것은 정속 가변피치 프로펠러로써 엔진 회전수를 일정하게 정격 회전수(통상 최대회전수의 75%로 고정됨)에 고정시킨 다음, 속도에 맞춰 프로펠러 피치를 수동으로 조종하는 것이므로 에어보트에서는 오히려 불편한 문제가 있다.
결론적으로 에어보트의 빈번한 속도 변화와 엔진 출력 변화에 자동적으로 최적의 프로펠러 피치를 변환시키는 장치의 개발이 요구된다.
본 발명은 에어보트 프로펠러의 추력 효율성을 대폭 증진시킬 수 있는 에어보트용 가변피치 프로펠러 자동제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 에어보트용 가변피치 프로펠러 자동제어 장치는,
선체 및 프로펠러를 포함하는 에어보트에 설치되어 에어보트의 피치를 자동으로 가변시키는 에어보트용 가변피치 프로펠러 자동제어 장치로서, 상기 에어보트의 속도를 검출하는 선체 속도 센서; 상기 에어보트 주변의 공기 밀도를 검출하는 공기 밀도 센서; 상기 프로펠러의 회전수를 검출하는 회전수 검출 센서; 상기 프로펠러를 회전시키는 프로펠러 샤프트의 위치를 조절하는 액츄에이터 스트로트의 위치 정보를 검출하는 프로펠러 피치 센서; 상기 선체 속도 센서, 공기 밀도 센서, 회전수 검출 센서, 프로펠러 피치 센서로부터 검출된 정보를 이용하여 프로펠러 피치각도를 연산하고, 연산 결과에 따라 프로펠러 제어 신호를 출력하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
기타 본 발명의 다양한 측면에 따른 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 엔진과 프로펠러 효율을 최적화하여 에너지를 효율적으로 사용할 수 있다.
또한, 작은 엔진으로도 효율적 운전을 하는 에어보트를 제공할 수 있어서 연료절약, 소음감소, 제작비감소, 선체 중량 감소, 가속력 증대로 이어지는 선순환 결과로 보다 경쟁력 있는 에어보트를 생산할 수 있다.
도 1은 양력 계수와 항력 계수 및 받음각과의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 에어보트용 가변피치 프로펠러 자동제어 장치가 장착된 에어보트가 도시된 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 에어보트용 가변피치 프로펠러 자동제어 장치가 장착된 에어보트가 도시된 사시도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 에어보트용 가변피치 프로펠러 자동제어 장치를 설명한다.
도 1은 양력 계수와 항력 계수 및 받음각과의 관계를 보여주는 그래프이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 에어보트용 가변피치 프로펠러 자동제어 장치가 장착된 에어보트가 도시된 개념도이다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 에어보트용 가변피치 프로펠러 자동제어 장치가 장착된 에어보트가 도시된 사시도이다.
항공공학에서 비행기 날개 단면을 에어포일(Airfoil)이라 하는 데 그 종류는 수백 가지로 매우 다양하다. 그 중 프로펠러의 대표적인 에어포일인 NACA4412를 기준으로, 도 1을 참조하여 설명을 하면 다음과 같다.
도 1에서 녹색 원은 양력 계수(CL), 파란색 원은 항력 계수(CD)를 나타낸다. 빨간색 원은 양력과 항력의 비율(L/D)을 나타낸다. 그리고, X축은 받음각을 표시하며, 빨간색 화살표는 양력과 항력비(L/D)가 최적일 때의 받음각을 나타낸다.
항공기설계자는 가장 작은 항력으로 가장 많은 양력이 발생하는 것을 원하므로 양력과 항력비(L/D)를 비교해서 그래프를 만든 것인데, 이 실험표에 의하면 약 2도 정도에서 양력과 항력의 비(L/D)가 가장 좋은 것을 알 수 있다. 즉, 비행기 날개가 2도로 들려 있을 때 가장 효율이 좋다는 것이고, 가장 작은 힘으로 가장 많은 양력을 발생한다는 의미이다.
이는 프로펠러의 경우 2도의 받음각을 유지하는 것이 가장 효율적인 동력 사용 방법이라는 것을 의미한다. 여기서, 받음각이라는 것은 단순히 동체에 붙어 있는 날개의 각도를 의미하는 것이 아니라 비행기 진행 속도와 상승, 또는 하강으로 생기는 상대적인 공기의 합성 각도를 말한다. 프로펠러의 경우는 비행기나 보트의 전진 속도와 엔진의 회전 속도의 합성 바람 각도를 의미한다. 이것을 상대풍(Relative wind)이라 하는 데, 에어보트의 경우도 보트의 전진 속도와 엔진 회전수에 따라 상대풍이 수시로 바뀌게 되는 것이다.
변화하는 상대풍의 각도에 자동으로 대응하여 언제나 최적 효율을 찾아낸다면 적은 출력의 엔진으로도 고성능을 낼 수 있고 연료도 대폭 절감될 수 있다. 전술한 바와 같이, 자동피치 조절장치가 없는 현재의 에어보트는 자동차가 1단 기어로 계속 시내주행을 하는 것처럼 매우 비효율적이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 에어보트용 가변피치 프로펠러 자동제어 장치는, 선체 속도 센서(1), 공기 밀도 센서(2), 회전수 검출 센서(3), 제어부(4), 프로펠러 피치 센서(5), 액츄에이터(6), 가변피치 프로펠러(7)를 포함한다.
상기 선체 속도 센서(1)는 에어보트의 속도를 검출한다. 이러한 선체 속도 센서(1)로는 초음파, 레이저, 마이크로파 등의 도플러 효과를 이용한 센서가 있다. 이들 중에서도 레이저는 지향성이 좋고 파장도 짧기 때문에 미세한 속도 변화를 검출할 수 있다. 코일 내에 자석 또는 철심을 넣은 가동 코일이나 가동 철심형의 센서는 가동 거리는 짧지만, 10－4∼102m/s 정도의 넓은 범위에 걸친 속도를 검출할 수 있다. 리니어 인코더나 리니어 퍼텐쇼미터도 변위(變位) 측정뿐 아니라 속도 측정에 이용된다. 속도는 가속도를 적분함으로써 얻을 수도 있기 때문에 가속도 센서를 이용하여 속도를 측정하는 경우도 있다.
상기 공기 밀도 센서(2)는 에어보트 주변의 공기 밀도를 검출한다. 공기 밀도 센서(2)는 단위 시간당 흐르는 공기의 양을 측정하는 공기 유량 센서를 이용할 수도 있다.
상기 회전수 검출 센서(3)는 에어보트에 탑재된 프로펠러의 회전수를 검출한다. 이러한 회전수 검출 센서(3)는 발전식, 전자식, 발진식, 광전식, 홀 효과식, 자기저항식 등의 방식이 있다. 이들 중 전자식, 발진식, 홀 효과식, 자기저항식은 모두 회전축의 일부에 기어 모양의 요철(강자성체)을 붙여놓고, 그 부근에 놓인 전자 코일이나 홀 소자, 자기저항 소자에 의하여 요철의 수를 계측하여 회전수를 검출할 수 있다.
가변피치 프로펠러(7)는 피치가 가변하는 프로펠러이다. 프로펠러는 원동기의 회전력을 추력(推力 ; 전진력)으로 바꾸어 에어보트를 추진시킨다. 여기서, 피치란 프로펠러 1회전시 에어보트의 이동거리를 의미하고, 가변피치란 피치가 고정되지 않고 변동되는 것을 의미한다.
상기 프로펠러 피치 센서(5)는 프로펠러를 회전시키는 프로펠러 샤프트의 위치를 조절하는 액츄에이터 스트로트의 위치 정보를 검출한다.
상기 제어부(4)는 선체 속도 센서(1), 공기 밀도 센서(2), 회전수 검출 센서(3), 프로펠러 피치 센서(5)로부터 검출된 정보를 이용하여 프로펠러 피치각도를 연산하고, 연산 결과에 따라 가변피치 프로펠러(7)를 제어하는 제어 신호를 출력한다.
상기 액츄에이터(6)는 상기 제어부(4)로부터 제어 신호를 수신하고, 수신된 제어 신호에 따라 액츄에이터 스트로트 위치를 조절하여 가변피치 프로펠러(7)의 피치를 조절한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 에어보트용 가변피치 프로펠러 자동제어 장치는, 제어부(4)가 선체 속도 센서, 공기 밀도 센서, 회전수 검출 센서 등으로부터 실시간으로 검출된 정보를 이용하여 프로펠러 피치각도를 연산하고, 가변피치 프로펠러(7)를 제어하는 제어 신호를 출력하면, 액츄에이터(6)가 이를 수신하여 액츄에이터 스트로트 위치를 조절함으로써 프로펠러 피치각도를 자동으로 변환하여 항상 최적의 엔진 효율을 유지할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
1 : 선체 속도 센서 2 : 공기 밀도 센서
3 : 회전수 검출 센서 4 : 제어부
5 : 프로펠러 피치 센서 6 : 액츄에이터
7 : 가변피치 프로펠러

Claims (2)

  1. 선체 및 프로펠러를 포함하는 에어보트에 설치되어 에어보트의 피치를 자동으로 가변시키는 에어보트용 가변피치 프로펠러 자동제어 장치로서,
    상기 에어보트의 속도를 검출하는 선체 속도 센서;
    상기 에어보트 주변의 공기 밀도를 검출하는 공기 밀도 센서;
    상기 프로펠러의 회전수를 검출하는 회전수 검출 센서;
    상기 프로펠러를 회전시키는 프로펠러 샤프트의 위치를 조절하는 액츄에이터 스트로트의 위치 정보를 검출하는 프로펠러 피치 센서;
    상기 선체 속도 센서, 공기 밀도 센서, 회전수 검출 센서, 프로펠러 피치 센서로부터 검출된 정보를 이용하여 프로펠러 피치각도를 연산하고, 연산 결과에 따라 프로펠러 제어 신호를 출력하는 제어부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 에어보트용 가변피치 프로펠러 자동제어 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부로부터 제어 신호를 수신하고, 수신된 제어 신호에 따라 액츄에이터 스트로트 위치를 조절하여 상기 프로펠러의 피치를 조절하는 액츄에이터를 더 함하는 것을 특징으로 하는 에어보트용 가변피치 프로펠러 자동제어 장치.
KR1020160100617A 2016-08-08 2016-08-08 에어보트용 가변피치 프로펠러 자동제어 장치 KR20180016810A (ko)

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