KR20230059552A - 선박의 하이브리드 발전 및 추진 시스템 및 방법 - Google Patents

선박의 하이브리드 발전 및 추진 시스템 및 방법 Download PDF

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곽기곤
박성종
박어진
신상명
오환엽
정성훈
최봉균
최정인
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삼성중공업 주식회사
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Abstract

선박용 하이브리드 발전 및 추진시스템이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 선박용 하이브리드 발전 및 추진시스템은 동력을 발생하기 위하여 선체의 엔진룸에 설치되는 메인 엔진; 샤프트를 통해서 상기 메인 엔진과 연결되는 프로펠러; 상기 샤프트에 연결되어 전기를 생산하는 샤프트 제너레이터; 상기 샤프트에 설치되어 상기 메인 엔진의 동력을 선택적으로 상기 프로펠러에 전달하는 클러치; 상기 프로펠러에 연결되는 출력측 샤프트를 회전시키는 회전 부재; 및 상기 회전 부재 및 상기 클러치를 제어하는 제어부를 포함하되; 상기 제어부는 선박 운항을 위해 상기 클러치를 동력 전달 상태로 전환하기 전에 상기 출력측 샤프트를 회전시키도록 상기 회전 부재를 제어할 수 있다.

Description

선박의 하이브리드 발전 및 추진 시스템 및 방법{HYBRID GENERATION AND PROPULSION SYSTEM AND METHOD FOR A VESSEL}
본 발명은 선박의 하이브리드 발전 및 추진 시스템 및 방법에 관한 것이다.
최근 친환경 및 에너지 절약 등의 이유로 샤프트 제너레이터(shaft generator(SG) 및 동력 인출장치(power take off: PTO) 설치를 통해서 발전(發電)하는 방식이 증가하는 추세이다.
특히, 대형 컨테이너(container) 선박의 경우, 선박 운항 시 주로 샤프트 제너레이터(SG)를 많이 사용하며, 또한 냉동컨테이너(reefer container)가 많이 실리기에 많은 전력 공급이 필요하다.
도 1은 종래 선박의 발전 시스템의 일 예를 설명하는 구성도이다.
도 1을 참조하면, 종래 선박의 발전 시스템은 엔진 룸 안에 ME-GI와 같은 메인 엔진(2)을 구비한다. 상기 메인 엔진(2)에는 컨테이너선의 추진을 위한 프로펠러(3)가 샤프트(4)에 의해 연결된다. 상기 샤프트(4)에 연결된 샤프트 제너레이터(5)는 샤프트(4)의 회전력을 이용하여 발전을 한다.
그러나, 이와 같이 구성된 종래 선박의 발전 시스템은 계류(정박)시 메인 엔진(ME)이 작동하지 않아서 샤프트 제너레이터(shaft generator)를 활용하여 전기를 생산할 수 없으므로, 모드 별로 샤프트 제너레이터를 사용함에 있어서 제약 조건이 따른다.
따라서, 보다 효율적이며 경쟁력 있는 시스템을 구성하기 위해서 기존에 사용 중인 샤프트 제너레이터와 메인 엔진을 선택적으로 연결하거나 분리하는 클러치 기능을 갖는 시스템이 절실히 요구되고 있다.
본 발명은 효율적이고 경쟁력을 갖는 선박의 하이브리드 발전 및 추진 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 샤프트 제너레이터와 메인 엔진을 선택적으로 연결하거나 분리하는 클러치의 작동이 용이한 선박의 하이브리드 발전 및 추진 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 선박이 계류중이거나 운항중에도 축발전이 용이한 선박의 하이브리드 발전 및 추진 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 동력을 발생하기 위하여 선체의 엔진룸에 설치되는 메인 엔진; 샤프트를 통해서 상기 메인 엔진과 연결되는 프로펠러; 상기 샤프트에 연결되어 전기를 생산하는 샤프트 제너레이터; 상기 샤프트에 설치되어 상기 메인 엔진의 동력을 선택적으로 상기 프로펠러에 전달하는 클러치; 상기 프로펠러에 연결되는 출력측 샤프트를 회전시키는 회전 부재; 및 상기 회전 부재 및 상기 클러치를 제어하는 제어부를 포함하되; 상기 제어부는 선박 운항을 위해 상기 클러치를 동력 전달 상태로 전환하기 전에 상기 출력측 샤프트를 회전시키도록 상기 회전 부재를 제어하는 선박용 하이브리드 발전 및 추진시스템이 제공될 수 있다.
또한, 상기 회전 부재는 상기 클러치가 해제된 상태에서 상기 메인 엔진에 연결된 입력측 샤프트와 상기 출력측 샤프트의 회전 상대 속도가 0으로 맞춰지도록 상기 출력측 샤프트를 회전시킬 수 있다.
또한, 상기 회전 부재는 모터; 상기 모터에 의해 회전되는 제1기어; 및 상기 출력측 샤프트의 외주면에 제공되며, 상기 제1기어와 치합되는 제2기어를 포함하고, 상기 제2기어는 상기 제2기어와 연결 또는 해제되도록 이동될 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 출력측 샤프트의 회전속도가 상기 입력측 샤프트의 회전속도와 일치되면 상기 클러치를 동력 전달 상태로 전환시킬 수 있다.
또한, 상기 클러치는 계류 모드에서 상기 샤프트 제너레이터가 전력을 생산할 수 있도록 동력 차단 상태로 전환될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 메인 엔진의 동력을 프로펠러에 전달하는 샤프트 중간에 클러치를 설치하고, 상기 메인 엔진과 연결된 입력측 샤프트에는 샤프트 제너레이터를 연결하여, 계류중에는 상기 클러치를 사용하여 상기 프로펠러에 전달되는 상기 메인 엔진의 동력을 차단하고, 상기 메인 엔진의 동력으로 상기 샤프트 제너레이터를 구동하여 전기를 생성하며, 선박 운항을 위해 상기 클러치를 동력 전달 상태로 전환하기 전에 상기 프로펠러에 연결된 출력측 샤프트의 회전속도를 조절하여 상기 입력측 샤프트와의 상대 회전 속도를 0로 맞추는 선박용 하이브리드 발전 및 추진방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 클러치는 상기 출력측 샤프트가 상기 메인 엔진에 연결된 입력측 샤프트의 회전 속도와 일치하는 속도로 회전된 이후에 동력 전달 상태로 전환될 수 있다.
또한, 상기 출력측 샤프트는 상기 샤프트 제너레이터로부터 제공받은 전기에 의해 작동되는 회전 부재에 의해 회전될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 효율적이고 경쟁력을 갖는 선박 추진용 하이브리드 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 선박이 계류 상태 또는 운항 상태 모두 전력을 생산할 수 있다.
본 발명의 효과는 상술한 효과들로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래 선박의 발전 시스템의 일 예를 설명하는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 선박의 선미부를 보여주는 측면 구성도이다.
도 3은 도 1에 도시된 선박의 선미부를 보여주는 평면 구성도이다.
도 4는 본 발명에서 회전 부재를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 선박의 운항 모드에서 하이브리드 발전 및 추진 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 선박의 계류 모드에서 하이브리드 발전 및 추진 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 7a 내지 도 7c는 선박이 계류 모드에서 운항 모드로 전환되는 과정의 하이브리드 발전 및 추진 장치를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술하는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되지 않으며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 공지된 구성에 대한 일반적인 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위해 생략될 수 있다. 본 발명의 도면에서 동일하거나 상응하는 구성에 대하여는 가급적 동일한 도면부호가 사용된다. 본 발명의 이해를 돕기 위하여, 도면에서 일부 구성은 다소 과장되거나 축소되어 도시될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 선박의 선미부를 보여주는 측면 구성도이고, 도 3은 도 2에 도시된 선박의 선미부를 보여주는 평면 구성도이며, 도 4는 본 발명에서 회전 부재를 설명하기 위한 도면이다.
본 명세서에서, 선박(10)은 자항 능력을 갖춘 FPSO, LNG 운반선, 여객선, 화물선, 유조선 등일 수도 있고, LNG(Liquefied Natural Gas), LEG(Liquefied Ethane Gas) 등 극저온의 액화가스를 엔진의 연료로써 사용하는 다양한 선박으로 제공될 수 있다.
도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 선박(10)은 선체(100)와, 선체(100)의 후미에 결합되는 프로펠러(290)를 회전시켜 선체(100)를 추진시키는 동시에 선박(10) 내에 설치된 각종 전력수요처에서 필요로 하는 전력량을 충족시킬 수 있는 발전 및 추진 시스템(200)을 제공한다.
일 예로, 발전 및 추진 시스템(200)은 메인 엔진(210), 프로펠러(290), 샤프트 제너레이터(230), 클러치(240) 그리고 회전 부재(250)를 포함할 수 있다.
메인 엔진(210)은 프로펠러(290)로 이루어진 추진체와 직결되어 동력을 직접 전달하도록 구성될 수 있다. 메인 엔진(210)은 선체의 엔진룸에 설치될 수 있다. 메인 엔진(210)은 연료를 연소시켜 동력을 얻을 수 있는 내연기관을 의미하며, 2행정 또는 4행정 기관일 수 있고, 디젤 엔진 등과 같이 오일을 연료로 할 수도 있으며, ME-GI 엔진 및 DFDE 등 LNG와 같은 액화가스를 기화시켜 가스 연료로 공급받을 수 있는 이중연료 엔진일 수도 있다. 일 예로, 메인 엔진(210)은 오일 및 LNG화물창에서 자연 기화된 증발가스(NBOG)(자연기화 증발가스가 부족한 경우 LNG를 강제 기화시킨 증발가스 사용)를 연료로 공급받을 수 있는 이중연료 엔진인 것이 바람직하다.
클러치(240)는 샤프트(220)에 설치되어 메인 엔진(210)의 동력을 선택적으로 프로펠러(290)에 전달한다. 메인 엔진(210)과 프로펠러(290)를 연결하는 샤프트(220)는 엔진측에 연결되는 입력측 샤프트(222)와 프로펠러(290)에 연결되는 출력측 샤프트(224)로 구성될 수 있고, 클러치(240)는 입력측 샤프트(222)와 출력측 샤프트(224) 사이에 제공된다. 클러치(240)는 입력측 샤프트(222)와 연결되는 제1클러치판(242)과 출력측 샤프트(224)와 연결되는 제2클러치판(244)을 포함할 수 있다. 제1클러치판(242)과 제2클러치판(244)은 전자기 방식으로 결합 및 해제될 수 있다.
다시 도 2 내지 도 4를 참조하면, 샤프트 제너레이터(SGM;Shaft Generator Motor)(230)는 메인 엔진(210)에서 동력소비처인 프로펠러(290)로 전달되는 회전력에 제공받아 전력을 생산할 수 있다. 샤프트 제너레이터(230)는 샤프트(220)의 회전을 저지하여 샤프트(220)에 부하가 발생되고, 샤프트(220)에 발생된 부하는 샤프트 제너레이터(230)로 전달되어, 샤프트 제너레이터(230)가 샤프트(220)의 부하에 의해 전력을 생산하게 된다. 샤프트 제너레이터(230)에서 발생된 전력은 BUS(미도시됨)를 통해 선박 내의 각종 전력수요처에 공급되거나, 충전용 전력으로 변환시키는 컨버터(미도시됨)를 거쳐 배터리(232)에 직접 저장될 수 있다.
회전 부재(250)는 프로펠러(290)에 연결되는 출력측 샤프트(224)를 회전시킨다. 좀 더 구체적으로, 회전 부재(250)는 클러치(240)가 해제된 상태에서 메인 엔진(210)에 연결된 입력측 샤프트(222)의 회전 속도와 일치하는 속도로 출력측 샤프트(224)를 회전시킬 수 있다.
일 예로, 회전 부재(250)는 모터(252), 제1기어(254), 제2기어(256) 그리고 구동부(258)를 포함할 수 있다. 모터(252)는 샤프트 제너레이터(230)에서 생산된 전력 또는 별도의 배터리에 저장된 전력에 의해 구동될 수 있다. 모터(252)의 구동축에는 제1기어(254)가 설치되고, 제1기어(254)와 맞물리는 제2기어(256)는 출력측 샤프트(224)의 외주면에 제공된다. 즉, 모터(252)의 구동력은 제1기어(254)와 제2기어(256)를 통해 출력측 샤프트(224)에 전달될 수 있다.
한편, 구동부(258)는 운항 모드 및 계류 상태에서 제1기어(254)가 제2기어(256)와 연결 또는 해제되도록 제1기어(254)와 모터(252)를 이동시킬 수 있다.
발전 및 추진 시스템(200)은 제어부(260)를 포함한다. 제어부(260)는, 선박의 운항모드에 따라 클러치(240) 및 회전 부재(250)를 제어할 수 있다.
일 예로, 제어부(260)는 선박이 정박(계류)중인 경우 클러치(240)를 동력 차단 상태로 전환시켜서 샤프트 제너레이터에서 전력만 생상하도록 한다. 그리고, 제어부(260)는 운항 모드를 시작하기 전에 출력측 샤프트(224)와 입력측 샤프트(222)의 상대 회전속도와 제로(0)가 되도록 회전 부재(250)를 작동시키고, 출력측 샤프트(224)의 회전속도가 입력측 샤프트(222)의 회전속도와 매칭되면 클러치(240)를 동력 전달 상태로 전환시킨다.
도 5는 선박의 운항 모드에서 하이브리드 발전 및 추진 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5에서와 같이, 선박의 운항 모드에서는 클러치가 동력 전달 상태로써, 입력측 샤프트(222)와 출력측 샤프트(224)가 연결되어 있으므로, 메인 엔진의 동력이 샤프트를 통해 프로펠러(290)로 전달되어 프로펠러(290)가 회전함으로써 선박이 추진된다. 이와 동시에 샤프트 제너레이터(230)에서 전력을 생산하게 된다. 이때, 회전부재(250)의 제1기어(254)는 제2기어(256)로부터 이격된 상태를 유지한다.
도 6은 선박의 계류 모드에서 하이브리드 발전 및 추진 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 6에서와 같이, 선박의 계류 모드에서는 클러치가 동력 차단 상태로써, 입력측 샤프트(222)와 출력측 샤프트(224)가 분리되므로, 메인 엔진의 동력은 프로펠로(290)로 전달되지 않고, 입력측 샤프트(222)에 설치된 샤프트 제너레이터(230)에서 전력을 생산하게 된다. 이때, 회전부재(250)의 제1기어(254)는 제2기어(256)로부터 이격된 상태를 유지한다.
도 7a 내지 도 7c는 선박이 계류 모드에서 운항 모드로 전환되는 과정의 하이브리드 발전 및 추진 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 7a 내지 도 7c에 도시된 바와 같이, 선박이 계류 모드에서 운항 모드로 전환되기 위해 회전부재(250)의 제1기어(254)는 제2기어(256)에 치합된다. 그리고 회전 부재(250)는 출력측 샤프트(224)를 회전시킨다. 제어부(260)는 출력측 샤프트(224)와 입력측 샤프트(222) 각각에 설치된 측정부(미도시됨)로부터 측정된 회전속도값을 제공받고, 출력측 샤프트(224)의 회전속도가 입력측 샤프트(222)의 회전속도와 매칭되면 클러치(240)를 동력 전달 상태로 전환시킨다. 클러치(240)가 동력 전달 상태로 전환되면 회전부재(250)의 제1기어(254)는 제2기어(256)로부터 이격된다.
상기와 같이, 본 발명의 하이브리드 발전 및 추진 장치는 메인 엔진의 속도를 줄이지 않은 상태에서 클러치를 동력 차단 상태에서 동력 전달 상태로 용이하게 전환시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 하이브리드 발전 및 추진 시스템은 선박 내에 설치된 각종 전력수요처에서 필요로 하는 전력량을 충족시키는 동시에, 선박의 추진체를 구동시켜 선박을 추진할 수 있다.
이상의 실시 예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시 예들도 본 발명의 범위에 속하는 것임을 이해하여야 한다. 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명에 대하여까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.
100 : 선체 210 : 메인 엔진
220 : 샤프트 230 : 샤프트 제너레이터
240 : 클러치 250 : 회전부재
290 : 프로펠러

Claims (8)

  1. 동력을 발생하기 위하여 선체의 엔진룸에 설치되는 메인 엔진;
    샤프트를 통해서 상기 메인 엔진과 연결되는 프로펠러;
    상기 샤프트에 연결되어 전기를 생산하는 샤프트 제너레이터;
    상기 샤프트에 설치되어 상기 메인 엔진의 동력을 선택적으로 상기 프로펠러에 전달하는 클러치;
    상기 프로펠러에 연결되는 출력측 샤프트를 회전시키는 회전 부재; 및
    상기 회전 부재 및 상기 클러치를 제어하는 제어부를 포함하되;
    상기 제어부는
    선박 운항을 위해 상기 클러치를 동력 전달 상태로 전환하기 전에 상기 출력측 샤프트를 회전시키도록 상기 회전 부재를 제어하는 선박용 하이브리드 발전 및 추진시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전 부재는
    상기 클러치가 해제된 상태에서 상기 메인 엔진에 연결된 입력측 샤프트와 상기 출력측 샤프트의 회전 상대 속도가 0으로 맞춰지도록 상기 출력측 샤프트를 회전시키는 선박용 하이브리드 발전 및 추진시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 회전 부재는
    모터;
    상기 모터에 의해 회전되는 제1기어; 및
    상기 출력측 샤프트의 외주면에 제공되며, 상기 제1기어와 치합되는 제2기어를 포함하고,
    상기 제2기어는 상기 제2기어와 연결 또는 해제되도록 이동되는 선박용 하이브리드 발전 및 추진시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 출력측 샤프트의 회전속도가 상기 입력측 샤프트의 회전속도와 일치되면 상기 클러치를 동력 전달 상태로 전환시키는 선박용 하이브리드 발전 및 추진시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 클러치는
    계류 모드에서 상기 샤프트 제너레이터가 전력을 생산할 수 있도록 동력 차단 상태로 전환되는 선박용 하이브리드 발전 및 추진시스템.
  6. 메인 엔진의 동력을 프로펠러에 전달하는 샤프트 중간에 클러치를 설치하고, 상기 메인 엔진과 연결된 입력측 샤프트에는 샤프트 제너레이터를 연결하여, 계류중에는 상기 클러치를 사용하여 상기 프로펠러에 전달되는 상기 메인 엔진의 동력을 차단하고, 상기 메인 엔진의 동력으로 상기 샤프트 제너레이터를 구동하여 전기를 생성하며, 선박 운항을 위해 상기 클러치를 동력 전달 상태로 전환하기 전에 상기 프로펠러에 연결된 출력측 샤프트의 회전속도를 조절하여 상기 입력측 샤프트와의 상대 회전 속도를 0로 맞추는 선박용 하이브리드 발전 및 추진방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 클러치는
    상기 출력측 샤프트가 상기 메인 엔진에 연결된 입력측 샤프트의 회전 속도와 일치하는 속도로 회전된 이후에 동력 전달 상태로 전환되는 선박용 하이브리드 발전 및 추진방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 출력측 샤프트는 상기 샤프트 제너레이터로부터 제공받은 전기에 의해 작동되는 회전 부재에 의해 회전되는 선박용 하이브리드 발전 및 추진방법.
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