KR20230043621A - 추진기의 공기 분출 제어 시스템, 그것을 포함하는 추진체 및 추진기의 공기 분출 제어 방법 - Google Patents

추진기의 공기 분출 제어 시스템, 그것을 포함하는 추진체 및 추진기의 공기 분출 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 추진체의 후단에 장착된 추진기로부터 발생하는 캐비테이션(cavitation) 소음을 측정하는 캐비테이션 소음 측정부, 상기 캐비테이션 소음 측정부에 의해 측정된 데이터를 처리하여 캐비테이션 소음을 추정하는 캐비테이션 소음 신호처리부 및 상기 캐비테이션 소음 신호처리부에 의해 추정된 상기 캐비테이션 소음을 기준 소음과 비교하여, 상기 추진기 측으로의 공기 분출을 제어하는 공기분출 제어부를 포함하는 추진기의 공기 분출 제어 시스템으로서, 본 발명에 의하면, 추진기의 공기 분출 여부 및 분출량, 분출 압력을 정해진 기준에 따라 제어할 수 있다.

Description

추진기의 공기 분출 제어 시스템, 그것을 포함하는 추진체 및 추진기의 공기 분출 제어 방법{PRAIRIE SYSTEM OF A PROPELLER, THE PROPULSION SYSTEM COMPRISING THE SAME AND PRAIRIE METHOD OF A PROPELLER}
본 발명은 추진기의 공기분사구를 통해 분출하는 공기를 제어하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 추진기의 공기 분출 시스템(PRAIRIE, Propeller Air Induced Emission System)은 추진기 끝단에 형성된 공기분사구를 통해 공기 방울을 분출시킴으로써 추진기의 캐비테이션 소음(Propeller Cavitation Noise)이 강하게 발생하는 것을 억제하는 역할을 한다.
그러나 캐비티 발생 속도(CIS, Cavitation Inception Speed)는 프로펠러 상태, 흘수, 받음각, 해상상태, 해수온도 등의 다양한 요소에 영향을 받으므로 함정의 운용에 따라 쉽게 변화하는 특성이 있으므로, 캐비티 발생 속도보다 같거나 낮은 속력에서는 오히려 PRAIRIE 시스템에서 분출되는 공기 방울이 전체적인 수중 방사소음 크기를 증가시키는 문제가 있어, 현재는 함정에서는 CIS보다 충분히 높은 고속에서만 PRAIRIE 시스템을 제한적으로 사용하고 있다.
그리고, 추진기의 캐비테이션 발생 위치 및 형태에 따라서도 발생되는 캐비테이션 소음 특성이 크게 변하므로 동일 형상의 함정에서도 PRAIRIE 시스템 사용 효과가 큰 차이를 보이며, PRAIRIE 시스템 작동 환경 하에서 캐비티(Cavity)의 발생 및 성숙에 대한 정확한 해석적 접근이 어렵기 때문에 PRAIRIE 시스템의 효율적인 작동에 대한 가이드라인을 제공하기 어려운 문제가 있다.
이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
공개실용신안공보 제2013-0000389호 공개특허공보 제2015-0030419호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 추진기의 공기 분출 여부 및 분출량, 분출 압력을 정해진 기준에 따라 제어할 수 있는 추진기의 공기 분출 제어 시스템, 그것을 포함하는 추진체 및 추진기의 공기 분출 제어 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 관점에 의한 추진기의 공기 분출 제어 시스템은, 추진체의 후단에 장착된 추진기로부터 발생하는 캐비테이션(cavitation) 소음을 측정하는 캐비테이션 소음 측정부, 상기 캐비테이션 소음 측정부에 의해 측정된 데이터를 처리하여 캐비테이션 소음을 추정하는 캐비테이션 소음 신호처리부 및 상기 캐비테이션 소음 신호처리부에 의해 추정된 상기 캐비테이션 소음을 기준 소음과 비교하여, 상기 추진기 측으로의 공기 분출을 제어하는 공기분출 제어부를 포함한다.
그리고, 상기 공기분출 제어부는 분출할 공기 분출량 또는 공기 분출압력을 설정하여 설정된 상기 공기 분출량 또는 상기 공기 분출압력에 의해 상기 추진기 측으로 공기가 분출되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 공기분출 제어부의 제어에 의해 분출되는 공기의 공기 분출량 또는 공기 분출압력을 측정하는 공기분출 측정부를 더 포함할 수 있다.
그래서, 상기 공기분출 제어부는 상기 설정된 공기 분출량 또는 공기 분출압력과 상기 공기분출 측정부에 의해 측정된 측정값의 차이가 설정된 임계값 이상이면 상기 공기 분출량 또는 상기 공기 분출압력의 설정값을 피드백(feed-back) 제어하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 캐비테이션 소음 신호처리부는 OCTAVE 및 DEMON(Detection of Envelope Modulation On Noise) 분석을 이용하여 상기 측정된 데이터를 처리하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 추진체는 상기의 추진기의 공기 분출 제어 시스템을 포함한다.
다음으로, 본 발명의 일 관점에 의한 추진기의 공기 분출 제어 방법은, 추진체의 후단에 장착된 추진기로부터 발생하는 캐비테이션(cavitation) 소음을 측정하는 단계, 상기 캐비테이션 소음을 측정하는 단계에 의해 측정된 데이터를 처리하여 캐비테이션 소음을 추정하는 캐비테이션 소음 신호 처리 단계, 상기 캐비테이션 소음 신호 처리 단계에 의해 추정된 상기 캐비테이션 소음을 기준 소음과 비교하는 단계 및 추정된 상기 캐비테이션 소음이 상기 기준 소음 이상이면, 분출할 공기 분출량 또는 공기 분출압력을 설정하여 설정된 상기 공기 분출량 또는 상기 공기 분출압력에 의해 상기 추진기 측으로 공기가 분출되도록 제어하는 단계를 포함한다.
그리고, 상기 추진기 측으로 공기가 분출되도록 제어하는 단계에 의해 공기 분출 후, 상기 추진기 측으로 분출되는 공기의 공기 분출량 또는 공기 분출압력을 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 추진기 측으로 공기가 분출되도록 제어하는 단계에 의해 설정된 공기 분출량 또는 공기 분출압력과, 상기 추진기 측으로 분출되는 공기의 공기 분출량 또는 공기 분출압력을 측정하는 단계에 의해 측정된 측정값의 차이가 설정된 임계값 이상이면 상기 공기 분출량 또는 상기 공기 분출압력의 설정값을 피드백(feed-back) 제어하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 캐비테이션 소음 신호 처리 단계는 OCTAVE 및 DEMON(Detection of Envelope Modulation On Noise) 분석을 이용하여 상기 측정된 데이터를 처리하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 여러 환경요인에 따라 운용조건이 변하는 PRAIRIE 공기분출 시스템을 보다 효율적으로 사용하기 위한 것으로, 추진기 캐비테이션 소음을 실시간으로 측정하여 PRAIRIE 분출 공기를 자동으로 제어할 수가 있다.
따라서 방사 소음 기준에 따라 제한적인 조건에서만 운용하는 PRAIRIE 시스템의 사용 범위를 늘릴 수 있다고 판단된다.
또한 CIS 측정에 대한 요구가 적어지게 되어 비용을 절감할 수 있을 것으로 판단되며, 기존과 달리 추진기에 문제가 생길 경우에도 보다 빨리 문제를 감지할 수 있게 한다.
도 1은 본 발명의 추진기의 공기 분출 제어 시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 추진기의 공기 분출 제어 방법을 순서적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 추진기의 공기 분출 제어 시스템에 의한 방사 소음 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 4a 내지 도 4b는 본 발명의 추진기의 공기 분출 제어 시스템에 의한 고주파수 대역에서의 방사 소음 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 5a 내지 도 5b는 본 발명의 추진기의 공기 분출 제어 시스템에 의한 저주파수 대역에서의 방사 소음 분석 결과를 나타낸 것이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 기술이나 반복적인 설명은 그 설명을 줄이거나 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 추진기의 공기 분출 제어 시스템을 개략적으로 도시한 것이고, 도 2는 본 발명의 추진기의 공기 분출 제어 방법을 순서적으로 도시한 것이다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 추진기의 공기 분출 제어 시스템, 그것을 포함하는 추진체 및 추진기의 공기 분출 제어 방법을 설명하기로 한다.
본 발명의 추진체(10)는 후단에 후방으로 추진기(Propeller)가 장착되고, 후단으로부터 추진기까지 연결된 공기 분사관을 통해 공기가 추진기 측에 분사되고, 추진기에 형성된 공기 분사구(150)를 통해 공기를 분출함으로써, 공기 방울을 형성시켜 방사 소음을 저감시킨다.
이를 제어하기 위한 공기 분출 제어 시스템은 캐비테이션 소음 측정부(110), 캐비테이션 소음 신호처리부(120), 공기 분출 자동 제어부(130) 등을 포함한다.
캐비테이션 소음 측정부(110)는 추진체(10) 후단부에 장착되어 추진기에 의해 발생하는 캐비테이션 소음을 측정하기 위한 것으로서, 캐비테이션 소음 측정부(110)를 통해 추진기의 캐비테이션 소음을 측정한다(S10).
캐비테이션 소음 측정부(110)는 청음기, 진동센서, 음향방출센서 등 다양한 종류의 센서가 사용될 수 있으며, 해당 센서들은 외부소음의 영향을 줄이기 위해 추진기와 최대한 가까운 선체에 장착되는 것이 바람직하다.
캐비테이션 소음 신호처리부(120)는 실시간으로 캐비테이션 소음 측정부(10)로부터 전송되는 데이터를 수신하여 추진기 캐비테이션 소음의 발생 여부 및 발생 정도를 추정하기 위한 실시간 신호처리를 수행한다(S20).
이때, 추진기 캐비테이션 소음 발생여부 및 발생정도를 추정할 때, Noise Spike, Kurtosis, Wavelet, Cyclo-stationary 분석 등 다양한 신호처리가 사용가능하나, 본 실시예에서는 캐비테이션 분석에 연산량을 줄일 수 있는 OCTAVE 및 DEMON(Detection of Envelope Modulation On Noise) 분석을 이용하는 것이 바람직하다.
해당 신호처리를 통하여 얻어진 데이터의 준위 및 추진기 변조성분 유무 등을 통해 추진기 캐비테이션 소음이 발생하는 경우, 캐비테이션 소음의 정도를 추정하여 추정된 캐비테이션 소음과 기준 소음을 비교하여 캐비테이션 소음이 기준 소음 이상인지를 판단한다(S30).
판단 결과, 캐비테이션 소음이 기준 소음 이상인 경우에는, 공기분출 제어부(130)를 통해 공기분출(PRAIRIE)을 제어하여(S40), 공기분사관을 통해 공기를 분출시킨다(S50).
공기분출 제어부(130)는 S40에서 PRAIRIE 공기분출을 사용할지와 초기 공기분출량 또는 공기분출압력 값을 선택하여, 그에 따라 공기를 분출한다(S50).
이는 추진기 캐비테이션 소음의 준위가 높을수록 공기분출량 또는 공기분출압력을 높게 설정한다.
즉, 전체 분출할 공기량을 설정하여 시간당 분출하거나, 공기분출압력을 설정하여 해당 압력으로 일정시간 공기를 분출하도록 제어한다.
추가적으로 비공동소음(Non-cavity Noise) 또는 순간소음(Transient Noise)의 영향을 줄이기 위한 별도의 추가절차를 수행할 수 있다.
S50에 의해 공기를 분출 제어한 후, 정확한 공기 분출을 확인하기 위해 본 발명의 시스템은 공기 분출 측정부(140)를 더 포함하고, 공기 분출 측정부(140)는 실제 공기 분출량 또는 공기 분출 압력을 측정한다(S60).
측정된 공기 분출량 또는 공기 분출 압력을 S40에서 설정된 분출 제어량과 비교하여, 차이의 절대값이 특정값 이상이면 공기 분출 제어(S40)를 통해 피드백(feed-back) 제어하고, 특정값 미만이면 계속적으로 공기를 분출한다(S50).
이와 같은 구성과 제어를 통해서 PRAIRIE 공기는 추진기 축계 내부에 위치한 공기 분사관을 통하여 추진기 날개 앞날(Leading Edge)과 끝단 근처로 보내어진 후, 추진기에 형성된 미세한 공기분사구(150)를 통해 추진기 외부로 공기방울 형태로 분출되게 된다.
도 3은 본 발명의 추진기의 공기 분출 제어 시스템에 의한 방사 소음 분석 결과를 나타낸 것이다.
그리고, 도 4a 내지 도 4b는 본 발명의 추진기의 공기 분출 제어 시스템에 의한 고주파수 대역에서의 방사 소음 분석 결과를 나타낸 것이며, 도 5a 내지 도 5b는 본 발명의 추진기의 공기 분출 제어 시스템에 의한 저주파수 대역에서의 방사 소음 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 실제 함정에 대한 해상실험 결과를 나타내며, 특정한 A 속도에서의 OCTAVE 분석 결과를 보면, PRAIRIE 시스템을 사용하지 않을 경우에는 고주파수 대역 준위가 높게 나오며, 기존 PRAIRIE 시스템(100%)과 같이 사용하였을 때에는 저주파수 대역 준위가 높게 나오는 것을 확인할 수 있다. 하지만 공기분출량을 조정(70%)하였을 경우, 고주파수뿐만 아니라 저주파수 대역에서도 낮은 준위를 보이는 것을 확인할 수 있다.
또한 도 4의 고주파수 대역 DEMON 분석 결과에서도 OCTAVE 분석과 같이 PRAIRIE 사용(70% & 100%)할 경우는 변조성분이 확인되는 거리가 짧은 반면, PRAIRIE 미사용 시에는 사용 시보다 변조성분이 확인되는 거리가 멀어져 캐비테이션 소음 억제가 잘 이루어지지 않은 것을 확인할 수 있다. 반면 도 5의 저주파수 대역 DEMON 분석 결과에는 기존 PRAIRIE 시스템(100%) 경우만 변조성분이 확인되는 거리가 멀어지는 것을 확인할 수 있는데, 이는 앞에서의 OCTAVE 분석과 문맥을 같이 한다고 판단할 수 있다.
따라서 결론적으로 PRAIRIE 공기분출을 잘 조절하였을 때, 낮은 준위와 적은 변조성분을 가질 수 있음을 확인할 수 있다.
여기서는 OCTAVE 분석과 DEMON 분석을 예로 들어 설명하였지만, 상황에 따라 다른 방식의 분석 또한 사용 가능하다.
이상과 같은 본 발명은 예시된 도면을 참조하여 설명되었지만, 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 첨부된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.
10 : 추진체
110 : 캐비테이션 소음 측정부
120 : 캐비테이션 소음 신호처리부
130 : 공기분출 제어부
140 : 공기분출 측정부
150 : 공기분사구
S10 : 캐비테이션 소음 측정
S20 : 캐비테이션 소음 신호 처리
S30 : 캐비테이션 소음 비교
S40 : 공기분출 제어
S50 : 공기분출
S60 : 공기분출 측정
S70 : 공기분출 비교

Claims (10)

  1. 추진체의 후단에 장착된 추진기로부터 발생하는 캐비테이션(cavitation) 소음을 측정하는 캐비테이션 소음 측정부;
    상기 캐비테이션 소음 측정부에 의해 측정된 데이터를 처리하여 상기 캐비테이션 소음을 추정하는 캐비테이션 소음 신호처리부; 및
    상기 캐비테이션 소음 신호처리부에 의해 추정된 상기 캐비테이션 소음을 기준 소음과 비교하여, 상기 추진기 측으로의 공기 분출을 제어하는 공기분출 제어부를 포함하는,
    추진기의 공기 분출 제어 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기분출 제어부는 분출할 공기 분출량 또는 공기 분출압력을 설정하여 설정된 상기 공기 분출량 또는 상기 공기 분출압력에 의해 상기 추진기 측으로 공기가 분출되도록 제어하는 것을 특징으로 하는,
    추진기의 공기 분출 제어 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 공기분출 제어부의 제어에 의해 분출되는 공기의 공기 분출량 또는 공기 분출압력을 측정하는 공기분출 측정부를 더 포함하는,
    추진기의 공기 분출 제어 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 공기분출 제어부는 설정된 상기 공기 분출량 또는 상기 공기 분출압력과 상기 공기분출 측정부에 의해 측정된 측정값의 차이가 설정된 특정값 이상이면 설정된 상기 공기 분출량 또는 상기 공기 분출압력을 피드백(feed-back) 제어하는 것을 특징으로 하는,
    추진기의 공기 분출 제어 시스템.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 캐비테이션 소음 신호처리부는 OCTAVE 및 DEMON(Detection of Envelope Modulation On Noise) 분석을 이용하여 상기 측정된 데이터를 처리하는 것을 특징으로 하는,
    추진기의 공기 분출 제어 시스템.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항의 추진기의 공기 분출 제어 시스템을 포함하는 추진체.
  7. 추진체의 후단에 장착된 추진기로부터 발생하는 캐비테이션(cavitation) 소음을 측정하는 단계;
    상기 캐비테이션 소음을 측정하는 단계에 의해 측정된 데이터를 처리하여 상기 캐비테이션 소음을 추정하는 캐비테이션 소음 신호 처리 단계;
    상기 캐비테이션 소음 신호 처리 단계에 의해 추정된 상기 캐비테이션 소음을 기준 소음과 비교하는 단계; 및
    추정된 상기 캐비테이션 소음이 상기 기준 소음 이상이면, 분출할 공기 분출량 또는 공기 분출압력을 설정하여 설정된 상기 공기 분출량 또는 상기 공기 분출압력에 의해 상기 추진기 측으로 공기가 분출되도록 제어하는 단계를 포함하는,
    추진기의 공기 분출 제어 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 추진기 측으로 공기가 분출되도록 제어하는 단계에 의해 공기 분출 후, 상기 추진기 측으로 분출되는 공기의 공기 분출량 또는 공기 분출압력을 측정하는 단계를 더 포함하는,
    추진기의 공기 분출 제어 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 추진기 측으로 공기가 분출되도록 제어하는 단계에 의해 설정된 상기 공기 분출량 또는 상기 공기 분출압력과, 상기 추진기 측으로 분출되는 공기의 공기 분출량 또는 공기 분출압력을 측정하는 단계에 의해 측정된 측정값의 차이가 설정된 특정값 이상이면 설정된 상기 공기 분출량 또는 상기 공기 분출압력을 피드백(feed-back) 제어하는 것을 특징으로 하는,
    추진기의 공기 분출 제어 방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 캐비테이션 소음 신호 처리 단계는 OCTAVE 및 DEMON(Detection of Envelope Modulation On Noise) 분석을 이용하여 상기 측정된 데이터를 처리하는 것을 특징으로 하는,
    추진기의 공기 분출 제어 방법.
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