KR20230122373A - 선박 추진축계 비틀림 진동 감소장치 및 감소방법 - Google Patents

선박 추진축계 비틀림 진동 감소장치 및 감소방법 Download PDF

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최진우
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Abstract

본 발명은 엔진 구동부에서 프로펠러에 이르는 추진축계가 엔진에서 발생하는 토크에 의해 회전함에 있어 추진축계에 인가되는 비틀림 진동을 감소시키기 위한 선박 추진축계 비틀림 진동 감소장치 및 감소방법에 관한 것으로서, 엔진에서 추진축계로 동력이 전달될 때 인가되는 비틀림 진동을 실시간으로 검측하거나 또는 기 검측 된 또는 사전에 추정 된 데이터를 통해 추진축계 회전방향의 반대방향으로 비틀림 진동을 인가하여 엔진으로부터 추진축계에 인가되는 비틀림 진동을 감소하도록 구성한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 선박 추진축계 비틀림 진동 감소장치는 엔진 구동부에서 프로펠러에 이르는 추진축계와, 엔진에서 발생하는 토크에 의한 추진축계의 회전방향에 대한 역방향으로 서비스 그리드(service grid)에서 공급되는 전기에너지로 추진축계를 회전시키는 모터를 포함하며, 선박 추진축계 비틀림 진동 감소방법은 서비스 그리드에서 전기에너지를 공급받는 단계와, 엔진에서 발생하는 토크에 의해 회전하는 추진축계의 회전방향에 대한 역방향으로 추진축계를 전기에너지를 통해 회전시키는 단계를 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.

Description

선박 추진축계 비틀림 진동 감소장치 및 감소방법{Vessel propulsion shaft torsional vibration reduction apparatus and reduction method}
본 발명은 엔진 크랭크축에서 프로펠러까지의 추진축계가 엔진에서 발생하는 토크에 의해 회전함에 있어 엔진의 착화순서에 따른 폭발력과 회전체의 관성력에 의한 변동 토크가 주기적으로 발생하여 추진축계에 인가되며 추진축계 진동의 한 형태가 되는데 이러한 변동 토크 및 변동 응력(이하 '비틀림 진동'이라 함)을 감소시키기 위한 선박 추진축계 비틀림 진동 감소장치 및 감소방법에 관한 것으로서, 엔진에서 프로펠러로 동력이 전달될 때 인가되는 비틀림 진동을 실시간으로 검측하거나 또는 기 검측된 또는 사전에 추정된 데이터를 통해 추진축계 회전방향의 반대방향으로 비틀림 진동을 인가하여 추진축계에 인가되는 비틀림 진동을 감소하도록 구성한 것이다.
선박에는 엔진 또는 모터의 동력을 받아 추진하는 추진장치가 구비되고, 엔진 또는 모터에서 연장된 추진축계의 단부에는 프로펠러가 장착된다. 프로펠러의 추력은 엔진에서 전달된 토크이며 엔진 실린더 내의 폭발에 따른 평균 출력 성분인 평균 토크와 엔진의 착화순서에 따른 폭발력과 회전체의 관성력에 의해 순간적인 가속력/감속력으로 작용하는 변동 토크의 조합으로 구성된다.
따라서 엔진 구동부에서 프로펠러에 이르는 추진축계가 평균 토크와 변동 토크의 조합으로 회전됨에 따라 프로펠러 또한 회전한다. 이러한 프로펠러의 회전에 의해 발생된 프로펠러 추력으로 선박은 해상을 운항하게 된다.
모터는 정속 회전이 가능함에 따라 모터에 연결된 추진축계에는 크지 않은 비틀림 진동이 가해지지만, 엔진에 연결된 추진축계가 회전할 경우에는 변동 토크가 주기적으로 발생하므로 비틀림 진동이 추진축계에 반복하여 인가된다.
엔진에는 복수의 실린더가 형성되고, 각 실린더 내에서 직선 왕복 이동하는 피스톤에 의해 크랭크축이 회전하며, 프로펠러 및 엔진과 프로펠러 사이의 동력 전달 축(예, 중간축)은 크랭크축에 연결되어 회전한다. 따라서 추진축계는 엔진에서 발생하는 토크로 회전하는 구조로서, 토크를 구성하는 성분 중 하나인 변동 토크가 추진축계에 주기적으로 인가되면서 비틀림 진동이 추진축계에 축적된다.
이와 같이 비틀림 진동이 추진축계에 축적될 경우 결국에는 추진축계가 파괴되는 문제점이 있으며, 비틀림 진동 축적 시간과 비틀림 진동 수준에 따라 파괴되는 시점이 결정된다.
추진축에 비틀림 진동이 축적될 경우 파괴라는 문제점을 해결하기 위해 종래에는 추진축에 댐퍼를 장착한 기술이 개발되었다.
대한민국 공개특허공보 제10-2015-0012077호에는 추진축계의 비틀림을 감쇠하는 장치에 대해 기술하고 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2015-0012077호에 따른 추진축계 비틀림 감쇠장치는 프로펠러에 연결된 추진축계가 일측에 연결되고 엔진의 구동축이 타측에 연결되어 회전에 따른 비틀림 진동을 흡수하는 댐퍼를 포함하고 있다.
이와 같은 댐퍼의 종류로는 점성 댐퍼(Viscous Damper) 또는 스프링 댐퍼(Spring Damper) 등이 있으며, 추진축계에 인가되는 비틀림 진동을 댐퍼로서 감소시키는 것을 특징으로 하고 있다.
도 1에서는 추진축계에 인가되는 비틀림 진동과 댐퍼의 종류에 따른 비틀림 진동의 감소 정도를 그래프로 나타내고 있다.
이와 같은 댐퍼를 장착할 경우 추진축계에 인가되는 비틀림 진동을 도 1에 도시된 바와 같이 감소시킬 수 있는 있지만, 추진축계에 장착되는 점성 댐퍼(Viscous Damper) 또는 스프링 댐퍼(Spring Damper)는 고가의 장비라는 단점이 있다.
도 1의 그래프 상에서 댐퍼가 장착되지 않은 추진축계의 비틀림 진동의 변화는 일점쇄선으로 표시하고, 점성 댐퍼가 장착된 추진축계의 비틀림 진동의 변화는 점선으로 표시하며, 스프링 댐퍼가 장착된 추진축계의 비틀림 진동의 변화는 굵은 실선으로 표시하고 있다.
또한 그래프 상의 얇은 두 실선은 추진축계에 허용되는 비틀림 진동 범위를 나타낸 것으로서 추진축계의 비틀림 진동의 피크가 비틀림 진동 범위의 상부 허용치 내에 위치하는 것이 바람직하다.
대한민국 공개특허공보 제10-2015-0012077호(2015년02월03일) 대한민국 등록특허공보 제10-0588341호(2006년06월14일) 대한민국 공개특허공보 제10-2021-0112211호(2021년09월14일)
본 발명은 앞에서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 엔진에서 추진축으로 동력이 전달될 때 인가되는 비틀림 진동을 실시간으로 검측하거나 또는 기 검측된 또는 사전에 추정된 데이터를 통해 메인 엔진에서 발생하는 토크에 의한 추진축계 회전방향의 반대방향으로 비틀림 진동을 인가하여 추진축계로 인가되는 비틀림 진동을 감소하도록 구성한 선박 추진축계 비틀림 진동 감소장치 및 감소방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 선박 추진축계 비틀림 진동 감소장치는 엔진 구동부에서 프로펠러에 이르는 추진축계와, 엔진에서 발생하는 토크에 의한 추진축계의 회전방향에 대한 역방향으로 서비스 그리드(service grid)에서 공급되는 전기에너지로 추진축을 회전시키는 모터를 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 모터는 추진축계의 회전에 의해 전기에너지를 생산하는 발전기 기능을 포함한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 모터는 엔진에서 동력 발생 시마다 추진축계에 인가되는 가속 및 감속 운동에너지에 대응하여 추진축을 역방향으로 회전시킨다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 추진축에 비틀림 진동을 측정할 수 있는 도구가 장착되고, 비틀림 진동을 측정할 수 있는 도구는 엔진에서 추진축계에 인가되는 비틀림 진동을 실시간을 검측하며, 비틀림 진동을 측정할 수 있는 도구에서 검측된 비틀림 진동에 대응하여 모터가 역회전한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 모터는 엔진에 대한 가속 및 감속 운동에너지의 시간별 데이터를 통해 역회전한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 선박 추진축계 비틀림 진동 감소방법은 서비스 그리드에서 전기에너지를 공급받는 단계와, 엔진에 의해 회전하는 추진축계의 회전방향에 대한 역방향으로 추진축계를 전기에너지를 통해 회전시키는 단계를 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 엔진에 의해 회전하는 추진축계의 비틀림 진동을 측정하는 단계를 더 포함하며, 비틀림 진동의 증가에 비례하여 추진축계를 역방향으로 회전시킨다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 엔진 작동에 따른 추진축계에 가해지는 비틀림 진동에 대한 데이터를 기반으로 비틀림 진동이 증가할 시에 비례하여 추진축계를 역방향으로 회전시킨다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 선박 추진축계 비틀림 진동 감소장치 및 감소방법은 메인 엔진의 작동에 따라 추진축계에 가해지는 비틀림 진동을 추진축계에 설치된 발전기(모터)를 이용하여 추진축계의 회전방향의 반대방향으로 회전시켜 비틀림 진동을 감소시킨다. 이와 같이 추진축계에 축적될 비틀림 진동을 감소시킴으로써, 추진축계 및 추진축계에 장착되는 부품들의 피로 파괴를 방지할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명에 따른 선박 추진축계 비틀림 진동 감소장치 및 감소방법은 추진축계에 설치된 발전기를 통해 추진축계의 비틀림 진동을 감소시킴에 따라 고가의 댐퍼를 설치하지 않고서도 비틀림 진동 감소의 목적을 구현할 수 있다.
도 1은 추진축계에 인가되는 비틀림 진동과 댐퍼의 종류에 따른 비틀림 진동의 감소 정도를 나타낸 그래프이다.
도 2a와 도 2b는 본 발명에 따른 선박 추진축계 비틀림 진동 감소장치를 나타낸 개념도이고,
도 3은 본 발명에 따른 선박 추진축계 비틀림 진동 감소장치의 작동에 따른 비틀림 진동 감소 정도를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 선박 추진축계 감소 정도와 댐퍼에 의한 비틀림 진동 감소 정도를 비교한 그래프이다.
아래에서는 본 발명에 따른 선박 추진축계 비틀림 진동 감소장치 및 감소방법의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
도면에서, 도 2a와 도 2b는 본 발명에 따른 선박 추진축계 비틀림 진동 감소장치를 나타낸 개념도이고, 도 3은 본 발명에 따른 선박 추진축계 비틀림 진동 감소장치의 작동에 따른 비틀림 진동 감소 정도를 나타낸 그래프이며, 도 4는 본 발명에 따른 선박 추진축계 비틀림 진동 감소 정도와 댐퍼에 의한 비틀림 진동 감소 정도를 비교한 그래프이다.
도 2a와 도 2b에 도시된 바와 같이, 선박 메인 엔진(110)에 동력 전달 축(120)이 연결되고, 동력 전달 축(120)의 단부에는 프로펠러(130)가 장착된다. 통상적으로 동력 전달 축(120)을 포함한 엔진(110)에서 프로펠러(130)까지를 추진축계(110 내지 130)라 한다.
그리고 엔진 구동부에서 프로펠러에 이르는 추진축계(110 내지 130)의 어느 곳에 발전기(140)가 장착된다. 여기에서 발전기(140)는 추진축계(110 내지 130)의 회전에 의해 전기에너지를 발생하여 서비스 그리드(service grid)(150)로 제공되며, 역으로 서비스 그리드(150)에서 공급되는 전기에너지에 의해 모터로 전환되어 추진축계(110 내지 130)를 회전시킨다.
본 발명에 따른 선박 추진축계 비틀림 진동 감소장치 및 감소방법은 메인 엔진(110)에 의해 추진축계(110 내지 130)에 인가되는 비틀림 진동을 실시간으로 측정하거나 측정된 데이터 또는 사전에 해석된 결과에 따라 비틀림 진동이 설정된 범위 내에 들도록 메인 엔진(110)에 의한 추진축계(110 내지 130)의 정방향 회전에 대한 역방향으로 발전기(모터)(140)를 구동시켜 비틀림 진동을 감소시키는 것을 특징으로 한다.
아래에서는 이와 같이 구성된 선박 추진축계 비틀림 진동 감소장치 및 감소방법에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
메인 엔진(110)과 프로펠러(130)를 연결하는 추진축계(110 내지 130)에는 추진축계(110 내지 130)의 회전 운동에너지를 전기에너지로 변환하거나 전기에너지를 추진축계(110 내지 130)의 회전 운동에너지로 변환하는 발전기(140) 즉 인덕션 모터(Induction Motor)가 장착되며, 발전기(140)는 컨버터(143)를 통해 전기에너지가 필요로 하는 선박 내부의 여러 공간으로 전기에너지를 공급한다.
한편, 선박 내부에는 보조 발전기가 장착된다. 메인 엔진(110)이 정지한 상태에서 전기에너지가 필요로 할 경우 또는 단독적인 공간에 전기에너지가 필요로 할 경우 보조 발전기를 작동시켜 전기에너지를 공급한다. 이런 보조 발전기에서 생성된 전기에너지는 경우에 따라 컨버터(143)를 통해 발전기(140)로 공급된다.
따라서 메인 엔진(110)의 출력 일부를 발전기(140)를 통해 전기에너지로 변환하여 선박 내부로 공급하는 PTO (Power Take Off) 모드 이외에도, 보조 발전기 혹은 에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS) 등으로부터 전력을 공급받아 발전기(140)를 가동시켜 선박의 추진에 기여하는 PTI (Power Take In) 및 PTH (Power Take Home) 모드 운전이 가능하다.
앞서 설명한 바와 같이 추진축계(110 내지 130)의 메인 엔진(110)에는 복수의 실린더가 형성되며, 각 실린더에 공급된 연료가 폭발함에 따른 피스톤의 직선 왕복운동이 크랭크축의 회전 운동으로 전환되며, 크랭크축과 연결된 추진축계가 크랭크축의 회전에 따라 회전하게 된다. 따라서 추진축계(110 내지 130)의 회전은 복수의 실린더 각각에서 발생하는 피스톤의 운동에너지인 토크가 조합되어 추진축계가 회전하게 됨에 따라 각 실린더에서 연료가 폭발하여 피스톤이 이동할 때마다 추진축계(110 내지 130)에 비틀림 진동이 발생되고 이러한 비틀림 진동은 추진축계(110 내지 130)에 축적되는 문제점이 있다.
본 발명에서는 추진축계(110 내지 130)이 메인 엔진(110)에 의해 회전할 때에 PTI(Power Take In) 모드의 운전을 통해 메인 엔진(110)에 의한 추진축계(110 내지 130)의 회전방향에 대한 반대방향으로 추진축계(110 내지 130)를 회전시킨다. 추진축계를 비틀림 진동의 역 위상이 되게 반대방향으로 회전시킴으로써, 메인 엔진(110)의 각 실린더 별로 발생하는 가속 및 감속 운동에너지를 감소시켜 비틀림 진동을 줄이게 된다.
이를 위해서는 추진축계(110 내지 130)에 비틀림 진동을 측정할 수 있는 도구를 장착하여 비틀림 진동이 추진축계에 발생할 때마다 발전기를 가동시켜 실시간으로 비틀림 진동을 감소시키거나 또는 메인 엔진(110)의 각 실린더 별로 발생하는 가속 및 감속 운동에너지의 시간별 데이터를 기반으로 비틀림 진동의 피크가 설정된 비틀림 진동범위를 초과할 시에 발전기를 가동시켜 비틀림 진동을 감소시킬 수 있다.
이와 같이 PTI(Power Take In) 모드의 운전을 통해 추진축계(110 내지 130)의 비틀림 진동 감소 원리를 도 3에 도시된 그래프를 통해 살펴보면, 그래프 상에서 일점쇄선은 메인 엔진(110)에 의해 추진축계(110 내지 130)이 회전할 때에 발생하는 진동의 진폭 및 위상을 나타낸 것이고, 점선은 PTI(Power Take In) 모드의 운전 시에 추진축계(110 내지 130)에서 발생하는 진동의 진폭과 위상을 나타낸 것이다. 일점쇄선이 나타내는 메인 엔진(110) 구동 시의 진폭과 위상은 PTI(Power Take In) 모드의 운전 시의 진폭과 위상이 상호 반대이다.
따라서 실선이 나타내고 있는 바와 같이 추진축계(110 내지 130)이 메인 엔진(110)에 의해 회전하는 중에 PTI(Power Take In) 모드의 운전이 이루어지면서 합성 진동은 메인 엔진(110)에 의해 회전하는 중의 엔진 진동보다 감소하게 된다.
도 4에 있어서, (a)의 그래프는 메인 엔진(110)을 통해 추진축계(110 내지 130) 을 회전시킬 때에 발생하는 엔진 속도(r/min)에 따른 비틀림 진동(Torsional Vibration Level)을 나타낸 것이고, (b)의 그래프는 추진축계(110 내지 130)에 댐퍼를 장착한 상태에서 엔진 속도(r/min)에 따른 비틀림 진동(Torsional Vibration Level)을 나타낸 것이며, (c)의 그래프는 PTI(Power Take In) 모드의 운전 시에 엔진 속도(r/min)에 따른 비틀림 진동(Torsional Vibration Level)을 나타낸 것이다.
도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 메인 엔진(110)에 의해 추진축계(110 내지 130)이 회전하면서 발생하는 비틀림 진동의 최대치는 메인 엔진(110)의 특정 구간에서 비틀림 진동의 설정범위를 초과하게 되는 것을 확인할 수 있으며, 도 4의 (b)에서와 같이 댐퍼를 장착한 경우와 도 4의 (c)에서와 같이 PTI(Power Take In) 모드의 운전 시에는 메인 엔진(110)의 특정 구간에서 발생하는 비틀림 진동의 최고치가 비틀림 진동의 설정범위 내에 포함되는 것을 확인할 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 PTI(Power Take In) 모드의 운전은 댐퍼를 장착하지 않고서도 댐퍼의 기능을 수행할 수 있다는 장점이 있다.
110 : 엔진
120 : 동력 전달 축
130 : 프로펠러
140 : 발전기
143 : 컨버터
150 : 서비스 그리드

Claims (8)

  1. 엔진과 프로펠러 사이에 설치되는 동력 전달 축과,
    엔진에서 프로펠러까지의 추진축계의 회전방향에 대한 역방향으로 서비스 그리드(service grid)에서 공급되는 전기에너지로 추진축계를 회전시키는 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박 추진축계 비틀림 진동 감소장치.
  2. 제1항에 있어서,
    모터는 추진축계의 회전에 의해 전기에너지를 생산하는 발전기 기능을 포함하는 것을 특징으로 하는 선박 추진축계 비틀림 진동 감소장치.
  3. 제1항에 있어서,
    모터는 엔진의 각 실린더 별로 연료의 연소에 따른 동력 발생 시마다 추진축계에 인가되는 가속 및 감속 운동에너지에 대응하여 추진축계를 역방향으로 회전시키는 것을 특징으로 하는 선박 추진축계 비틀림 진동 감소장치.
  4. 제3항에 있어서,
    추진축계에 비틀림 진동을 측정할 수 있는 도구가 장착되고, 비틀림 진동을 측정할 수 있는 도구는 엔진에서 추진축계에 인가되는 비틀림 진동을 실시간을 검측하며, 비틀림 진동을 측정할 수 있는 도구에서 검측된 비틀림 진동에 대응하여 모터가 역회전하는 것을 특징으로 하는 선박 추진축계 비틀림 진동 감소장치.
  5. 제3항에 있어서,
    모터는 엔진에 대한 가속 및 감속 운동에너지의 시간별 데이터를 통해 역회전하는 것을 특징으로 하는 선박 추진축계 비틀림 진동 감소장치.
  6. 서비스 그리드에서 전기에너지를 공급받는 단계와,
    엔진에 의해 회전하는 추진축계의 회전방향에 대한 역방향으로 추진축계를 전기에너지를 통해 회전시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박 추진축계 비틀림 진동 감소방법.
  7. 제6항에 있어서,
    엔진에 의해 회전하는 추진축계의 비틀림 진동을 측정하는 단계를 더 포함하며,
    비틀림 진동의 증가에 비례하여 추진축계를 역방향으로 회전시키는 것을 특징으로 하는 선박 추진축계 비틀림 진동 감소방법.
  8. 제6항에 있어서,
    엔진 작동에 따른 추진축계에 가해지는 비틀림 진동에 대한 데이터를 기반으로 비틀림 진동이 증가할 시에 비례하여 추진축계를 역방향으로 회전시키는 것을 특징으로 하는 선박 추진축계 비틀림 진동 감소방법.
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KR100588341B1 (ko) 2004-09-07 2006-06-14 (주)한국시엠알 선박엔진의 축 비틀림 진동 제어장치
KR20150012077A (ko) 2013-07-24 2015-02-03 현대중공업 주식회사 선박의 추진축 비틀림 감쇄장치
KR20210112211A (ko) 2020-03-04 2021-09-14 한국조선해양 주식회사 선박 추진 시스템

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