KR20190069784A - 선박의 최적 선속 추정 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 해양 환경 조건에서 연료 소모량이 최소인 선속을 최적 선속으로 결정하여 선박 운항에 적용시킴에 따라 연료 절감 효과를 기대할 수 있는 선박의 최적 선속 추정 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 선박의 운항 중 해상 환경을 계측하는 계측부; 및 상기 선박의 형상에 따라 풍하중 계수 및 파력에 의한 하중전달함수가 미리 설정되어 있으며, 상기 계측부로부터 계측된 해상 환경 조건에서 선속별 해당 선박이 받는 최종 저항값을 계산하고, 계산된 최종 저항값을 반영하여 단위 거리당 연료 소모량을 계산하여 계산된 연료소모량이 최소인 선속을 최적 선속으로 결정하는 선속 결정부를 포함하는, 선박의 최적 선속 추정 시스템이 제공된다.

Description

선박의 최적 선속 추정 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR MEASURING OPTIMAL SHIP'S SPEED OF SHIP}
본 발명은 선박의 최적 선속 추정 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 해양 환경 조건에서 연료 소모량이 최소인 선속을 최적 선속으로 결정하여 선박 운항에 적용시킴에 따라 연료 절감 효과를 기대할 수 있는 선박의 최적 선속 추정 시스템 및 방법에 관한 것이다.
조선업의 발전 및 활용도 증가에 따라 선박의 설계 및 제조가 활발하게 이루어지고 있는데, 선박은 수상에서 이동하는 운송 수단이기 때문에 선박 운항시 선박을 이루는 선체는 다양한 저항 성분의 영향을 받게 된다.
선체의 저항 성분을 감소시켜 효율적인 선박 운행이 가능하도록 하기 위해, 한국특허공개 제 2011-0016210호는 유동저항을 최소화할 수 있는 선체 설계 방안을 제시하고 있고, 한국특허공개 제2002-077112호는 유연성있는 공기관을 내장한 다수의 슬릿이 형성되어 있는 파이프 하우징을 선체표면의 내측 또는 외측에 설치하고 펌프를 이용하여 공기관을 수축, 팽창시켜 슬릿을 통한 유체의 흡입, 분출을 이루게 하여 선체 표면에 형성되는 난류의 유동장을 변화시켜 물에 의한 저항 성분을 감소시키는 방법 및 장치를 개시하고 있다.
그러나, 효율적인 선박 운행을 위한 종래기술에 따른 방법들은 선박의 설계 및/또는 건조 단계에서 적용이 필요한 방법으로서, 선체의 구조적 변경 또는 대형 기계장치가 장착되어야 하는 한계를 가지고 있다.
이러한 한계는 선체의 구조 변경 및/또는 대형 기계장치의 설치 비용이 과다하게 발생되어 실제 선박의 추진 효율 상승 및 연료절감비용과 비교할 때 그 비용대비 효과가 크다고 할 수 없는 실정이다.
한편, 일반적으로 선박의 운항은 미리 정해진 일정 선속을 유지하도록 엔진 출력을 유지하여, 해상 환경에 관계 없이 일정 선속을 유지하기 위한 운전을 하기 때문에 최적의 연료 소모를 달성하기 어려웠다.
이에, 선체의 구조 변경 및/또는 대형 기계장치의 설치하지 않고 선박의 운항을 해상 환경에 맞는 선속으로 변경하여 최적의 연료소모를 달성할 수 있는 시스템의 요구가 존재한다.
한국특허공개 제2011-0016210호 "유동저항저감형으로 향상설계된 선체를 가진 선박" 한국특허공개 제2002-0077112호 "선박의 선체표면 난류제어에 의한 항력 감소 방법 및 장치"
본 발명의 목적은, 해양 환경 조건에서 연료 소모량이 최소인 선속을 최적 선속으로 결정하여 선박 운항에 적용시킴에 따라 연료 절감 효과를 기대할 수 있는 선박의 최적 선속 추정 시스템 및 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 선박의 운항 중 해상 환경을 계측하는 계측부; 및 상기 선박의 형상에 따라 풍하중 계수 및 파력에 의한 하중전달함수가 미리 설정되어 있으며, 상기 계측부로부터 계측된 해상 환경 조건에서 선속별 해당 선박이 받는 최종 저항값을 계산하고, 계산된 최종 저항값을 반영하여 단위 거리당 연료 소모량을 계산하여 계산된 연료소모량이 최소인 선속을 최적 선속으로 결정하는 선속 결정부를 포함하는, 선박의 최적 선속 추정 시스템이 제공된다.
상기 선속 결정부는 상기 계측된 해상 환경 중 바람에 의한 저항값을 계산하고, 상기 계측된 해상 환경 중 파랑에 의한 저항값을 계산하여 계산된 바람에 의한 저항값과 파랑에 의한 저항값을 합산하여 상기 최종 저항값을 계산할 수 있다.
상기 바람에 의한 저항값은 상기 선박의 전진 방향의 풍하중 계수, 공기 밀도 및 상기 선박에 대한 상대 풍속을 이용하여 계산될 수 있다.
상기 파랑에 의한 저항값은 상기 계측부에 의해 계측되거나 또는 관리자에 의해 설정된 파랑 스펙트럼(wave spectrum)과, 상기 파력에 의한 하중전달함수를 이용하여 계산될 수 있다.
상기 선속 결정부는 상기 최종 저항값, 미리 설정된 프로펠러 특성 곡선 및 프로펠러 효율 데이터를 활용하여 상기 엔진 소요 마력을 계산하고, 계산된 엔진 소요 마력, 연료 특성치 및 엔진 효율정보를 활용하여 단위거리당 연료 소모량을 계산할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 선박의 운항 중 해상 환경을 계측하는 계측부로부터 계측된 데이터를 수신하는 단계; 상기 선박의 형상에 따라 풍하중 계수 및 파력에 의한 하중전달함수가 미리 설정되어 있으며, 상기 계측된 해상 환경 조건에서 선속별로 해당 선박이 받는 최종 저항값을 계산하는 단계; 상기 계산된 최종 저항값을 반영하여 엔진 소요 마력을 계산하는 단계; 및 상기 계산된 엔진 소요 마력, 미리 정해진 연료 특성치 및 엔지 효율 정보를 이용하여 단위 거리당 연료 소모량을 계산하여 계산된 연료소모량이 최소인 선속을 최적 선속으로 결정하는 단계를 포함하는, 선박의 최적 선속 추정 방법이 제공된다.
상기 계산하는 단계는 상기 계측된 해상 환경 중 바람에 의한 저항값을 계산하고, 상기 계측된 해상 환경 중 파랑에 의한 저항값을 계산하여 계산된 바람에 의한 저항값과 파랑에 의한 저항값을 합산하여 상기 최종 저항값을 계산할 수 있다.
상기 바람에 의한 저항값은 상기 선박의 전진 방향의 풍하중 계수, 공기 밀도 및 상기 선박에 대한 상대 풍속을 이용하여 계산될 수 있다.
상기 파랑에 의한 저항값은 상기 계측부에 의해 계측되거나 또는 관리자에 의해 설정된 파랑 스펙트럼(wave spectrum), 및 상기 파력에 의한 하중전달함수를 이용하여 계산될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 해양 환경 조건에서 연료 소모량이 최소인 선속을 최적 선속으로 결정하여 선박 운항에 적용시킴에 따라 연료 절감 효과를 기대할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 최적 선속 추정 시스템을 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 2는 선박의 형상에 따라 정해지는 풍하중 계수를 나타낸 그래프이다.
도 3은 파력에 의한 하중전달함수를 나타낸 그래프이다.
도 4는 선속별 단위거리당 연료소모량을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 선박의 최적 선속 추정 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 최적 선속 추정 시스템을 설명하기 위한 개략적인 도면을 도시하고 있다.
도 1을 참조하면 본 발명에 의한 선박의 최적 선속 추정 시스템은 선박의 해양 환경을 계측하는 계측부(10)와, 계측부(10)를 통해 계측된 해양 환경 조건에서 선속별로 계산된 선박이 받는 최종 조항값을 반영하여 계산된 단위 거리당 연료 소모량을 토대로 연료 소모랑이 최소인 최적 선속을 결정하는 선속 결정부(20)를 포함하여 이루어진다.
계측부(10)는 풍속 및 풍향을 계측하는 풍속풍향계를 포함한다. 또한, 계측부(10)는 HF, X-band 등의 주파수 대역을 사용하여 해상을 탐지하며. 일정 시간동안 설정된 시간 간격으로 촬영된 영상을 저장/송신할 수 있는 레이더 장치로부터 수신한 영상을 분석하여 파속, 파장, 수심, 파고, 파방(Wave Direction), 파랑 스펙트럼(Wave Spectrum) 등의 파랑 정보를 획득할 수 있다. 또한 선장의 경험에 의해 파방 및 파랑 스펙트럼이 입력될 수도 있다.
선속 결정부(20)는 선박의 형상에 따라 미리 정해진 풍하중 계수(Cx, Cy, Cn) 및 파력에 의한 하중전달함수(QTF: Quadratic Transfer Function)가 저장부(미도시)에 저장되어 있으며, 계측부(10)로부터 계측된 해상 환경 조건에서 선속별로 해당 선박이 받는 최종 저항값을 계산하고, 계산된 최종 저항값을 반영하여 선속 변화에 따른 단위 거리당 연료 소모량을 각각 계산한다.
여기서, 풍하중 계수는 도 2에 도시된 바와 같으며, 선박의 형상에 따라 경험식 또는 실험으로 도출된 값이고, 파력에 의한 하중전달함수는 계산으로 도출되며, 도 3에 도시된 바와 같다.
보다 구체적으로, 선속 결정부(20)는 선속별로 선박이 받는 최종 저항값을 계산하기 위해, 하기의 수학식 1에 의해 바람에 의한 저항값(
Figure pat00001
)을 계산하고, 하기의 수학식 2에 의해 파랑에 의한 저항값(
Figure pat00002
)을 계산하며, 수학식 1 및 수학식 2에 의해 계산된 바람에 의한 저항값과 파랑에 의한 저항값을 하기의 수학식 3에 반영하여 선속별로 선박이 받는 최종 저항값(R)을 계산한다.
Figure pat00003
여기서,
Figure pat00004
는 공기 밀도이고, CX는 선박 전진 방향의 풍하중 계수이고, VR은 선박에 대한 상대 풍속이다.
Figure pat00005
여기서, S(
Figure pat00006
)는 파랑 스펙트럼이고,
Figure pat00007
는 파랑 주파수이다.
Figure pat00008
여기서, Ro는 바람과 파랑이 없을 때의 저항이고, V는 선박의 속도인 선속이다.
상술된 수학식 1 내지 수학식 3에 의해 계산된 최종 저항값은 선속 변화에 따른 단위 거리당 연료 소모량을 계산하는데 사용된다.
즉, 선속 결정부(20)는 최종 저항값, 프로펠러 추력값, 프로펠러 토크값, 프로펠러 주변속도, 프로펠러 특성곡선(POW 곡선) 및 프로펠러 효율 데이터를 활용하여 엔진 소요 마력을 계산한다.
보다 구체적으로, 선속 결정부(20)는 하기의 수학식 4에 의해 전진비(J)를 구하고, 하기의 수학식 5에 의해 엔진 소요 마력(P)을 구한다.
Figure pat00009
여기서, K T 는 프로펠러 추력 계수, J는 전진비, ρ는 해수밀도, V A 는 프로펠러 주변 속도, D는 프로펠러 직경, τ는 추력 감소 계수, w는 wake이다.
Figure pat00010
여기서, n은 프로펠러 rps(초당 회전수)이고, D는 프로펠러 직경이고, η G 는 선체 효율(Hull efficiency)과 프로펠러 단독 효율(open water propeller efficiency)을 곱하여 계산되고, η S 는 축 효율(shaft efficiency)이고, η R 은 프로펠러 회전효율(propeller rotative efficiency)이다.
선속 결정부(20)는 상술된 수학식 5에 의해 계산된 엔진 소요 마력과 연료 특성치(LCV: Lower Calorific Value)를 이용하여 선속별 단위거리당 연료 소모량을 계산한다.
선속별 단위거리당 연료 소모량은 도 4에 도시된 그래프와 같으며, 선속 결정부(20)는 선속별 단위거리당 연료 소모량을 기초로 연료 소모량이 최소인 최적 선속을 결정한다. 이와 같이 결정된 최적 선속을 선박 운항에 적용시켜 연료절감효과를 기대할 수 있다.
이와 같은 구성을 갖는 선박의 최적 속도 추정 시스템을 이용한 선박의 최적 속도 추정 방법을 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 선박의 최적 선속 추정 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도를 도시하고 있다.
도 5를 참조하면, 선박의 최적 선속 추정 시스템은 계측부(10)를 통해 해상의 환경, 예컨대 풍속, 풍향 및 파랑을 실시간으로 계측한다(S11).
다음, 선박의 최적 선속 추정 시스템은 선속 결정부(20)를 통해 계측된 해상 환경 조건에서 선속별로 선박이 받는 최종 저항값을 계산한다(13). 선박이 받는 최종 저항값은 바람에 의한 저항값과 파랑에 의한 저항값을 합산한 저항값으로, 상술된 수학식 1 내지 수학식 3에 의해 계산된다.
다음, 선속 결정부(20)는 계산된 최종 저항값을 반영하여 엔진 소요 마력을 계산한다(S15). 보다 구체적으로, 엔진 소요 마력은 최종 저항값, 프로펠러 추력값, 프로펠러 토크값, 프로펠러 주변속도, 프로펠러 특성곡선 및 프로펠러 효율 데이터를 상술된 수학식 5에 적용시켜 계산된다.
다음, 선속 결정부(20)는 계산된 엔진 소요 마력, 미리 정해진 연료 특성치(LCV: Lower Calorific Value) 및 엔진효율정보를 이용하여 단위거리당 연료소모량을 계산한다(S17).
이후, 선속 결정부(20)는 이와 같이 계산된 선속별 단위거리당 연료소모량을 토대로 연료 소모량이 최소인 선속을 최적 선속으로 결정한다(S19). 선속별 단위거리당 연료소모량을 도 4의 그래프 형태로 제공하여 선장을 통해 연료소모량이 최소인 최적 선속이 선택될 수도 있지만, 선속 결정부(20)를 통해 자동으로 연료 소모량이 최소인 최적 선속이 선박의 운항에 적용되도록 함이 바람직하다. 이에, 선박의 해상 환경 조건에 연료 소모량이 최소인 선속으로 운항할 수 있어 연료를 절감시킬 수 있다.
이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.
10 : 계측부 20 : 선속 결정부

Claims (9)

  1. 선박의 운항 중 해상 환경을 계측하는 계측부; 및
    상기 선박의 형상에 따라 풍하중 계수 및 파력에 의한 하중전달함수가 미리 설정되어 있으며, 상기 계측부로부터 계측된 해상 환경 조건에서 선속별 해당 선박이 받는 최종 저항값을 계산하고, 계산된 최종 저항값을 반영하여 단위 거리당 연료 소모량을 계산하여 계산된 연료소모량이 최소인 선속을 최적 선속으로 결정하는 선속 결정부를 포함하는, 선박의 최적 선속 추정 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 선속 결정부는 상기 계측된 해상 환경 중 바람에 의한 저항값을 계산하고, 상기 계측된 해상 환경 중 파랑에 의한 저항값을 계산하여 계산된 바람에 의한 저항값과 파랑에 의한 저항값을 합산하여 상기 최종 저항값을 계산하는, 선박의 최적 선속 추정 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 바람에 의한 저항값은 상기 선박의 전진 방향의 풍하중 계수, 공기 밀도 및 상기 선박에 대한 상대 풍속을 이용하여 계산되는, 선박의 최적 선속 추정 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 파랑에 의한 저항값은 상기 계측부에 의해 계측되거나 또는 관리자에 의해 설정된 파랑 스펙트럼(wave spectrum)과, 상기 파력에 의한 하중전달함수를 이용하여 계산되는, 선박의 최적 선속 추정 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 선속 결정부는 상기 최종 저항값, 미리 설정된 프로펠러 특성 곡선 및 프로펠러 효율 데이터를 활용하여 상기 엔진 소요 마력을 계산하고, 계산된 엔진 소요 마력, 연료 특성치 및 엔진 효율정보를 활용하여 단위거리당 연료 소모량을 계산하는, 선박의 최적 선속 추정 시스템.
  6. 선박의 운항 중 해상 환경을 계측하는 계측부로부터 계측된 데이터를 수신하는 단계;
    상기 선박의 형상에 따라 풍하중 계수 및 파력에 의한 하중전달함수가 미리 설정되어 있으며, 상기 계측된 해상 환경 조건에서 선속별로 해당 선박이 받는 최종 저항값을 계산하는 단계;
    상기 계산된 최종 저항값을 반영하여 엔진 소요 마력을 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 엔진 소요 마력, 미리 정해진 연료 특성치 및 엔지 효율 정보를 이용하여 단위 거리당 연료 소모량을 계산하여 계산된 연료소모량이 최소인 선속을 최적 선속으로 결정하는 단계를 포함하는, 선박의 최적 선속 추정 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 계산하는 단계는 상기 계측된 해상 환경 중 바람에 의한 저항값을 계산하고, 상기 계측된 해상 환경 중 파랑에 의한 저항값을 계산하여 계산된 바람에 의한 저항값과 파랑에 의한 저항값을 합산하여 상기 최종 저항값을 계산하는, 선박의 최적 선속 추정 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 바람에 의한 저항값은 상기 선박의 전진 방향의 풍하중 계수, 공기 밀도 및 상기 선박에 대한 상대 풍속을 이용하여 계산되는, 선박의 최적 선속 추정 방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 파랑에 의한 저항값은 상기 계측부에 의해 계측되거나 또는 관리자에 의해 설정된 파랑 스펙트럼(wave spectrum), 및 상기 파력에 의한 하중전달함수를 이용하여 계산되는, 선박의 최적 선속 추정 방법.
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