KR20240007654A - 해양 선박의 항력을 줄이기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
선박의 항력을 줄이기 위한 시스템이 제공되며, 시스템은: 선체의 적어도 일부와 물 사이에 기포 층을 전달하기 위해 선박의 선체 내에 구비되는 복수의 공기 배출구와; 상기 복수의 공기 배출구 중 하나 이상의 공기 배출구로 공기와 물을 공급하도록 구성된 적어도 하나의 벤츄리관과; 선박이 물을 통과하여 이동할 때 적어도 하나의 벤츄리관으로 해수를 공급하도록 구성된, 선박의 선수 영역에 위치한 적어도 하나의 해수 주입구와; 적어도 하나의 벤츄리관으로 해수를 공급하도록 구성된 적어도 하나의 해수 펌프와; 적어도 하나의 벤츄리관을 통해 흐르는 해수에 주변 공기가 혼입되도록 적어도 하나의 벤츄리관으로 주변 공기를 공급하도록 구성된 적어도 하나의 주변 공기 주입구와; 적어도 하나의 벤츄리관으로 압축 공기를 공급하도록 구성된 압축기와; 선체 내의 복수의 배출구를 통한 기포의 전달을 최적화하고 이에 따라 선박의 항력 감소를 최적화하기 위해 적어도 하나의 해수 펌프로부터 공급되는 해수의 유량을 조절하고 압축기로부터의 압축 공기의 공급을 조절하도록 구성된 제어기를 포함한다.
Description
본 발명은 공기 윤활에 의해 해양 선박의 항력을 줄이기 위한 시스템 및 방법에 관한 것으로, 특히 선박이 물을 통과하여 이동할 때 해양 선박의 선체 및 선체 아래에서 흐르는 물 사이에 공기 윤활층을 제공하여 항력(마찰)을 줄임으로써 물을 통과하는 선박을 구동하는 데 필요한 에너지를 줄이고, 결과적으로 연료 절약 및 경제적인 추진력을 얻을 수 있는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
국제 해운은 온실 가스 배출의 크고 증가하는 원천이다. 해상 운송은 연간 약 9억 4천만 톤의 이산화탄소(CO2)를 배출하며 전세계 온실 가스(global greenhouse gas, GHG) 배출량의 약 2.5%를 차지한다. 또한 이러한 배출량은 상선의 효율성을 개선하기 위해 긴급한 조치가 취해지지 않는 한 크게 증가할 것으로 예상된다. 2018년 1월 1일부터 유럽 경제 지역(European Economic Area, EEA) 내의 항구에서 화물이나 승객을 싣거나 내리는 총 톤수 5000톤 이상의 대형 선박은 관련 이산화탄소(CO2) 배출량 및 기타 관련 정보를 모니터링하고 보고해야 한다.
물은 점성이 있는 매질이며, 이로 인해 물을 통과하여 운항하는 선박의 선체는 전단 점성 항력(shear viscous drag force)을 경험한다. 이러한 항력은 선박의 선체가 물에서 더 빠르게 운항할수록 그 크기가 증가한다. 해양 선박의 선체 외부와 선박이 통과하는 수역 사이에 기포를 삽입함으로써 이러한 항력을 줄이는 것이 알려져 있다. 생성된 기포층과 물 사이의 저항은 선체와 물 사이의 직접적인 접촉에 비해 적으며, 선체에 작용하는 점성 항력을 크게 줄일 수 있다.
EP 2 817 208, EP 2 915 735, EP 2 925 736, EP 3 290 324 및 EP 3 290 325에 개시된 한 가지 공지된 시스템에서, 선박의 선체의 평평한 영역에 공기 공간이 구비되는데, 이 공간으로 공기가 공급되어 바닷물이 이 공간을 흐를 때 공기와 혼합된다. 이 공간 내의 공기는 일반적으로 압축기에 의해 공급된다. 이러한 공지된 시스템의 문제점은 수동 전단 효과(passive shearing effect)에 의존하고 따라서 물을 통과하여 이동하는 선박의 속도와 본질적으로 결합되고 이에 의해 제한된다는 것이다. 속도가 빠를수록 전단 효과가 커지고 공기 주입량도 커진다. 이로 인해 시스템은 최소 작동 속도가 약 9노트 정도 필요하고, 따라서 다양한 선박 유형에는 적합하지 않다. 또한, 전단 효과의 특성으로 인해 기포 특성을 제어하는 데 한계가 있다. 시스템은 또한 선박 선체의 측벽에서는 작동할 수 없다.
GB 2 505 281, KR20170031425, KR20180000968 및 KR20200055517에 개시된 것과 같은 다른 공지된 시스템은 선체와 물의 접촉면에 노즐을 포함하며, 이를 통해 압축 공기가 압력 하에 '주입'된다. 선박의 6-자유도(six degrees of freedom) 운동으로 인해 각각의 개별 노즐 위치에서 순간적인 정수압(hydrostatic pressure)은 지속적으로 변한다. 선박의 움직임(또는 보다 구체적으로 각각의 노즐의 순간적인 깊이)을 정확하게 예측하는 것은 불가능한 것으로 여겨지며, 따라서 정확한 정수압 일치를 통한 최적의 압축 공기 전달을 보장하기 어렵다. 결과적으로, 각각의 분사 노즐에서 공기의 과다한 압력 또는 부족한 압력의 전달이 모든 순간에 발생한다. 결과적으로, 압축 공기는 압력이 부족한 경우에는 공급이 충분하지 않거나, 압력이 과다한 경우에는 고압으로 배출된다. 이로 인해 윤활 효과 부족 또는 과도한 공기 주입으로 이어지고, 따라서 일부 일정하지 않은 비율의 전달된 미세 기포가 바닥 경계층(boundary layer)의 평탄한 내부로 혼입되지 않고 바다로 손실되는 경우가 발생한다.
본 발명의 제 1 양태에 따르면, 선박의 항력을 줄이기 위한 시스템이 제공되며, 시스템은: 선체의 적어도 일부와 물 사이에 기포 층을 전달하기 위해 선박의 선체의 일반적으로 물에 잠기는 영역에 구비되는 복수의 배출구와;
수렴 주입구 영역(converging inlet region), 분기 배출구 영역(diverging outlet region) 및 상기 수렴 주입구 영역과 분기 배출구 영역 사이에 스로트(throat)를 갖는 적어도 하나의 벤츄리관(venturi tube)으로서, 상기 스로트의 내부 또는 하류에 적어도 하나의 공기 주입구가 구비되고, 배출구 영역은 상기 복수의 공기 배출구 중 하나 이상의 배출구와 연통하는, 적어도 하나의 벤츄리관과;
선박이 물을 통과하여 이동할 때 적어도 하나의 벤츄리관의 주입구 영역으로 물을 공급하도록 구성된, 선박의 선수 영역에 위치한 적어도 하나의 물 주입구와;
적어도 하나의 벤츄리관의 주입구 영역으로 물을 공급하도록 구성된 적어도 하나의 물 펌프와;
적어도 하나의 벤츄리관의 상기 적어도 하나의 공기 주입구 중 하나 이상으로 주변 공기를 공급하도록 구성된 적어도 하나의 주변 공기 주입구 포트(ambient air inlet port)로서, 상기 주변 공기 주입구 포트로부터의 공기가 적어도 하나의 벤츄리관을 통해 흐르는 물에 혼입되어 상기 복수의 배출구 중 하나 이상의 배출구에 기포를 전달하는, 적어도 하나의 주변 공기 주입구와;
선체 내의 복수의 배출구를 통한 기포의 전달을 최적화하고 이에 따라 선박의 항력 감소를 최적화하기 위해 적어도 하나의 물 펌프로부터 적어도 하나의 벤츄리관으로 공급되는 물의 유량을 조절하도록 구성된 제어기를 포함한다.
시스템은 또한 적어도 하나의 벤츄리관의 상기 적어도 하나의 공기 주입구 중 적어도 하나 이상의 공기 주입구 또는 적어도 하나의 벤츄리관의 공기 주입구의 상류 또는 하류의 물의 흐름에 선택적으로 추가 공기를 공급할 수 있다.
상기 추가 공기의 적어도 일부는 공기 압축 기기(air compressing arrangement)에 의해 공급되는 압축 공기를 포함할 수 있으며, 상기 제어기는 선체 내의 복수의 배출구를 통한 기포의 전달을 최적화하기 위해 공기 압축 기기로부터 적어도 하나의 벤츄리관으로의 압축 공기의 공급을 조절하도록 구성된다. 공기 압축 기기는 가변 주파수 드라이브 스크류 압축기(variable frequency drive screw compressor)와 같은 적어도 하나의 공기 압축기를 포함할 수 있다.
상기 추가 공기의 적어도 일부는 적어도 하나의 벤츄리관의 공기 주입구의 상류 또는 하류의 상기 물의 흐름에 혼합되는 기포, 더욱 바람직하게는 나노 크기의 기포 형태일 수 있다.
일 실시형태에서, 시스템은 복수의 벤츄리관을 포함할 수 있으며, 각각의 벤츄리관은 상기 배출구 중 각각 하나 또는 각각의 그룹에 공급한다.
상기 적어도 하나의 물 펌프는 선박을 둘러싸는 물과 연통하는 물 주입구와 연통하는, 선체 내의 각각의 씨 체스트(sea chest)와 관련(associated)될 수 있다. 대안으로, 상기 적어도 하나의 물 펌프는 밸러스트 펌프(ballast pump), 냉각 펌프(cooling pump), 소방 펌프(fire pump) 또는 자키 펌프(jockey pump)와 같은 선박에 구비된 기존 펌프를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 주변 공기 주입구 포트는 바람직하게는 선박을 띄우는 물의 수위 위에 위치한다.
바람직하게, 제어기는 물을 통과하여 이동하는 선박의 속도의 함수로서 적어도 하나의 물 펌프로부터 적어도 하나의 벤츄리관으로 공급되는 물의 유량을 조절하도록 프로그램된다. 제어기는 선박의 흘수(draught)의 함수로서 및/또는 적어도 하나의 물 펌프의 정수 배압(hydrostatic back pressure)의 함수로서 적어도 하나의 물 펌프로부터 적어도 하나의 벤츄리관으로 공급되는 물의 유량을 조절하도록 더 프로그램될 수 있다. 적어도 하나의 물 주입구로부터 적어도 하나의 벤츄리관으로 공급되는 물의 유량; 적어도 하나의 물 펌프로부터 적어도 하나의 벤츄리관으로 공급되는 물의 유량; 적어도 하나의 주변 공기 주입구 포트로부터 적어도 하나의 벤츄리관으로 공급되는 공기의 유량; 적어도 하나의 벤츄리관으로부터 선박의 선체 내의 복수의 배출구로 공급되는 공기와 물의 유량; 적어도 하나의 물 펌프의 정수 배압 중 하나 이상을 결정하기 위해 하나 이상의 센서가 구비되며, 상기 하나 이상의 센서는 제어기에 입력을 제공한다.
본 발명의 추가 양태에 따르면, 선박의 항력을 줄이는 방법이 제공되며, 방법은: 선박의 선체의 일반적으로 물에 잠기는 영역에 복수의 배출구를 제공하는 단계와;
수렴 주입구 영역, 분기 배출구 영역 및 상기 수렴 주입구 영역과 분기 배출구 영역 사이에 스로트를 갖는 적어도 하나의 벤츄리관을 제공하는 단계로서, 상기 스로트의 내부 또는 하류에 적어도 하나의 공기 주입구가 구비되고, 배출구 영역은 상기 복수의 배출구 중 하나 이상의 배출구와 연통하는, 적어도 하나의 벤츄리관을 제공하는 단계와;
선박이 물을 통과하여 이동할 때 선박의 선수 영역에 위치한 적어도 하나의 물 주입구로부터 적어도 하나의 벤츄리관의 주입구 영역으로 물을 공급하는 단계와;
적어도 하나의 물 펌프에 의해 상기 또는 각각의 적어도 하나의 벤츄리관의 주입구 영역으로 물을 펌핑하는 단계와;
이에 따라 적어도 하나의 벤츄리관을 통하는 물의 흐름은 적어도 하나의 벤츄리관의 상기 적어도 하나의 공기 주입구 중 적어도 하나 이상의 공기 주입구를 통해 적어도 하나의 주변 공기 주입구 포트로부터의 주변 공기를 혼입하고;
선체 내의 복수의 배출구를 통한 기포의 전달을 최적화하고 이에 따라 선박의 항력 감소를 최적화하기 위해 상기 적어도 하나의 물 펌프에 의해 적어도 하나의 벤츄리관으로 공급되는 물의 유량을 조절하는 단계를 포함한다.
방법은 적어도 하나의 벤츄리관의 상기 적어도 하나의 공기 주입구 중 하나 이상의 공기 주입구 또는 적어도 하나의 벤츄리관의 상류 또는 하류의 물의 흐름에 선택적으로 추가 공기를 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 추가 공기의 적어도 일부는 적어도 하나의 벤츄리관의 공기 주입구의 상류 또는 하류의 상기 물의 흐름에 혼합되는 기포, 더욱 바람직하게는 나노 크기의 기포 형태일 수 있다.
상기 추가 공기의 적어도 일부는 공기 압축 기기로부터의 압축 공기를 포함할 수 있으며, 상기 방법은 적어도 하나의 벤츄리관의 상기 적어도 하나의 공기 주입구 중 하나 이상으로 상기 압축 공기를 공급하는 단계 및 선체 내의 복수의 배출구를 통한 기포의 전달을 최적화하기 위해 공기 압축 기기로부터 적어도 하나의 벤츄리관으로의 압축 공기의 공급을 조절하는 단계를 포함한다.
적어도 하나의 물 펌프로부터 적어도 하나의 벤츄리관으로 공급되는 물의 유량은 바람직하게는 물을 통과하여 이동하는 선박의 속도의 함수로서 조절된다. 공기 압축 기기로부터 적어도 하나의 벤츄리관으로 공급되는 공기의 유량은 물을 통과하여 이동하는 선박의 속도의 함수로서 조절될 수 있다. 적어도 하나의 물 펌프로부터 적어도 하나의 벤츄리관으로 공급되는 물의 유량은 선박의 흘수 및/또는 적어도 하나의 물 펌프의 정수 배압의 함수로서 더 조절될 수 있다.
적어도 하나의 물 펌프로부터 적어도 하나의 벤츄리관으로 공급되는 물의 유량은, 적절한 센서로 측정되는, 적어도 하나의 물 주입구로부터 적어도 하나의 벤츄리관으로 공급되는 물의 유량; 적어도 하나의 물 펌프로부터 적어도 하나의 벤츄리관으로 공급되는 물의 유량; 적어도 하나의 주변 공기 주입구 포트로부터 적어도 하나의 벤츄리관으로 공급되는 공기의 유량; 적어도 하나의 벤츄리관으로부터 선박의 선체 내의 복수의 배출구로 공급되는 공기와 물의 유량; 적어도 하나의 물 펌프의 정수 배압 중 하나 이상의 함수로서 조절될 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따른 공기 윤활에 의해 해양 선박의 항력을 줄이기 위한 시스템이 이제 첨부 도면을 참조하여 단지 예로서 설명될 것이다, 도면에서:
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 공기 윤활에 의해 해양 선박의 항력을 줄이기 위한 시스템을 포함하는 선박의 개략적인 측면도이고;
도 2는 도 1의 시스템의 개략적인 평면도이고; 및
도 3은 도 1의 시스템의 벤츄리관의 상세도이다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 공기 윤활에 의해 해양 선박의 항력을 줄이기 위한 시스템을 포함하는 선박의 개략적인 측면도이고;
도 2는 도 1의 시스템의 개략적인 평면도이고; 및
도 3은 도 1의 시스템의 벤츄리관의 상세도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 공기 윤활에 의해 해양 선박(2)의 항력을 줄이기 위한 시스템은 선박의 물에 잠긴 선체의 적어도 일부의 경계층으로의 기포의 주입을 제어한다. 경계층에 기포를 주입하기 위해 복수의 배출구(4)가 선박의 선체 내에 구비되며, 기포는 선미를 향해 선체 후방으로 확산되어 선체의 물에 잠긴 표면의 대부분을 덮고, 이에 따라 선박의 선체에 작용하는 점성 항력을 크게 줄일 수 있다.
본 발명은 공기 윤활의 목적으로 상기 복수의 배출구(4)를 통해 선박 경계층에 주입되는 기포의 크기와 공기의 양을 제어할 수 있는 시스템을 제공한다. 이는 벤츄리관(6)으로의 공기와 물 모두의 유량을 제어하면서, 물의 흐름에 공기를 혼입하기 위해 복수의 벤츄리관(6)을 사용하여 선박 내부의 배관 시스템 내의 물에 공기를 주입함으로써 달성된다. 이를 통해 기포가 경계층에 주입되는 것을 보다 효과적으로 제어할 수 있으며, 선박 주변의 흐름을 활용하여 필요한 전력을 줄일 수 있다. 정밀하게 제어된 공기/물 혼합물을 경계층에 주입함으로써, 난류 발생을 방지하고 선체의 하부(및 잠재적으로 측벽)에서의 기포 분산을 줄일 수 있다.
도면에 도시된 실시형태에서는 일련의 벤츄리관(6)(예를 들어 여섯 개)이 구비되는데, 각각은 선박(2)의 선체 내의 개별 배출구 또는 배출구 그룹(4)에 공급한다. 하나의 벤츄리관(6)이 사용될 수 있거나, 선박의 크기 및/또는 선박의 선체 내에 구비된 배출구(4)의 수에 맞는 임의의 수의 복수의 벤츄리관이 사용될 수 있다.
물은 선박의 선수에 배치된 수동 물 주입구(8)로부터 먼저 각각의 벤츄리관(6)으로 공급되고, 이에 따라 선박이 물을 통과하여 이동할 때 물이 물 주입구로 유입된다. 두 번째로, 물은 하나 이상의 물 펌프(10)를 통해 각각의 벤츄리관을 통해 선택적으로 펌핑되고, 이에 따라 각각의 벤츄리관(6)으로 유입되는 물의 유량은 상기 또는 각각의 물 펌프(10)의 작동을 제어함으로써 제어될 수 있다.
도면에 도시된 실시형태에서는 두 개의 물 펌프(10)가 구비되는데, 각각은 선박의 선체 외부로부터 물을 수용하기 위한 주입구와 함께 선박(2)의 선체 내에 위치한 각각의 씨 체스트(12)로부터 벤츄리관(6) 그룹으로 물을 공급한다. 또 다른 대안으로, 벤츄리관(6)으로 물을 공급하기 위해 기존의 밸러스트/냉각/소방/자키 펌프를 사용하는 것을 예상할 수 있으며, 이러한 펌프는 일반적으로 선박(2)의 기관실에 위치할 수 있다.
각각의 벤츄리관(6)을 통해 흐르는 물에 혼입된 공기는 대기와 연통하는 주변 공기 포트(16)(예를 들어, 선박의 외부 갑판에 위치함)로부터 각각의 벤츄리관(6)으로, 바람직하게는 각각의 벤츄리관의 스로트에 위치하는 개별 공기 주입구(14)로 공급된다.
추가 공기는 각각의 벤츄리관(6)으로 공급되거나 각각의 벤츄리관의 상류 또는 하류의 물의 흐름에 공급될 수도 있다.
일 실시형태에서, 상기 추가 공기의 적어도 일부는, 적절한 기포 발생기에 의해 생성되고 각각의 벤츄리관의 상기 주변 공기 주입구(14)의 상류 또는 하류의 물의 흐름에 도입되는 기포, 더욱 바람직하게는 나노 크기의 기포를 포함할 수 있다. 나노 크기의 기포는 시스템 내부 및 선박의 외부 선체의 젖은 표면 영역에서 물때(slime)의 성장을 줄일 수 있다.
일 실시형태에서, 상기 추가 공기의 적어도 일부는 압축기(18)와 같은 압축 공기 공급원으로부터의 압축 공기, 바람직하게는 각각의 벤츄리관(6) 내의 제2 세트의 공기 주입구(20)를 통해 나오는 압축 공기를 포함할 수 있다. 상기 제2 세트의 공기 주입구(20)는 압축 공기 공급원으로부터 각각의 벤츄리관(6)으로 공기를 공급하기 위해 각각의 벤츄리관(6)의 스로트(또는 스로트의 하류에 있는 벤츄리관의 분기 부분 또는 스로트의 상류 또는 하류의 임의의 다른 위치)에 위치한 환형 공기 분사 노즐을 포함할 수 있다.
선박의 선체의 물에 잠긴 부분에 위치한 복수의 배출구(4)를 통해 선박(2)의 경계층으로 기포의 최적 크기 및 유량을 생성하기 위해 각각의 벤츄리관(6)으로의 물 공급 및 선택적으로 공기 공급을 제어하는 제어 시스템이 구비된다.
시스템의 능동적 및 수동적 요소의 결합 효과는 현재 동급 최고의 시스템과 비교하여 출력(기포)에 대한 정밀한 제어와 필요한 에너지의 감소를 가능하게 한다. 벤츄리관으로의 수동적 및 능동적 물 공급 및 선택적으로 공기/기포 공급 시스템은 선박(2)의 작동 조건, 특히 속도와 상관없이 선박(2)의 경계층으로의 기포 유량을 최적화할 수 있도록 한다.
분사 노즐을 통해 주요 작동 조건에 맞게 공기 전달(속도 및 압력)을 조절하기 위해 제어 시스템을 통해 수동적으로(벤츄리관 내에서 발생하는 압력 강하로 인해) 및 능동적으로(공기 압축기 및/또는 기포 발생기로부터 압축 공기의 공급을 통해) 상기 또는 각각의 벤츄리관에 공기가 주입될 수 있다.
(벤츄리관에서 발생하는 압력 강하로 인한) 수동적 기포 주입 크기는 각각의 벤츄리관(6)을 통과하는 유속에 의해 결정된다. 각각의 벤츄리관(6)을 통과하는 해수의 유량을 제어하기 위해 물 펌프(10)를 사용하여 이 유속을 능동적으로 제어함으로써 수동적 공기 주입 조건을 제어할 수 있다. 벤츄리관(6)을 통과하는 물 유량의 제어는 공기/물 혼합물을 정확한 속도로 경계층에 주입할 수 있도록 하고, 따라서 경계층 난류를 줄이고 기포 분산을 줄일 수 있다.
수동 물 주입구(8)는 선박 선수의 정체 지점 근처에 위치하는 것이 바람직하다. 선박이 물을 통과하여 이동할 때 물("시스템 물")이 이 주입구를 통해 유입된다.
최적의 성능을 제공하기 위해 필요한 경우, 상기 또는 각각의 해수 펌프(10)는 각각의 벤츄리관(6)으로 물을 추가적으로 공급하여 이덕터 효과(eductor effect)를 생성한다. 이덕터 효과는 시스템을 통한 물 흐름을 증가시키거나 유지하기 위한 흡입을 생성하고 벤츄리관(6)에 의해 생성된 마찰 손실과 배압을 극복한다. 상기 또는 각각의 물 펌프(10)에 의해 제공되는 추가 물은 수동 물 주입구에서 유입된 수동 물을 보충하고, 펌프 속도의 신중한 제어는 선체의 하부와 측벽에 있는 배출구(4)를 통해 선박을 빠져나가는 물과 공기의 정확한 속도와 양을 보장한다.
통합된 시스템 물(수동 주입구 + 능동 펌핑)은 각각의 벤츄리관(6)을 통과한다. 두 개의 물 흐름이 벤츄리관(6)의 상류에서 수렴되면, 물의 총 유량이 증가한다. 이러한 유량 증가로 인해 압력이 국부적으로 감소한다(베르누이의 법칙(Bernoulli’s Law)). 각각의 벤츄리관의 수렴 주입구 부분은 대기압 이하의 압력 강하를 유지하도록 설계(비율 조정)될 수 있으며, 이로 인해 순 흡입 효과가 발생한다. 주변 공기는 바람직하게는 수위 및/또는 갑판 높이에서 주변 공기 주입구 포트(16) 내로 흡입되고, 기포로서 각각의 벤츄리관(6)을 통해 흐르는 물에 혼입된다.
기포의 크기는 각각의 벤츄리관(6)을 통과하는 물의 유량에 의해 결정된다. 따라서, 각각의 벤츄리관 자체의 내부 형태, 특히 그 스로트 영역의 단면적은 생성된 기포의 특성에 대한 '대략적인' 제어 메커니즘을 제공한다. 기포 제어를 용이하게 하기 위해 조절 가능한 스로트 면적과 함께 다양한 크기의 벤츄리가 구비될 수 있을 것으로 예상된다.
내부에 복수의 공기 분사 노즐을 갖는 압축기로부터 공기를 공급하기 위해 선택적인 환형 공기 분사 노즐 조립체(20)가 구비될 수 있다. 공기 분사 노즐 조립체(20)의 공기 분사 노즐은 주변 공기 주입구(14)의 바로 하류의 각각의 벤츄리관의 스로트 부분 내에 위치할 수 있다. 압축기(18)는 특정 선박 작동 조건에 대해 최적의 공기 윤활을 보장하기 위해, 즉 순 에너지 사용량을 최소화하는 데 필요한 정확한 압력과 체적 유량으로 압축 공기를 생성하기 위해 사용될 수 있는 가변 주파수 드라이브(Variable Frequency Drive, VFD) 스크류 압축기를 포함할 수 있다.
공기 분사 노즐 조립체(20)의 분사 노즐의 형태와 설계는 각각의 벤츄리관(6)을 통과하는 물 흐름에 분사되는 기포를 정밀하게 제어(균질화)할 수 있도록 구성될 수 있다.
최적의 출력을 보장하고 에너지 사용량을 줄이기 위해 선박의 주요 작동 조건, 특히 선박의 속도를 기반으로 물리적 구성요소의 상호작용을 제어하는 센서 기반 자동 제어 시스템이 구비될 수 있다. 제어 시스템은 지속적인 최적화를 위해 기계 학습 기능으로 개발될 수 있다.
제어 시스템은 각각의 벤츄리관으로 유입되는 수동 주변 공기를 자동으로 설정하고, 선택적으로 압축기로부터의 추가 능동 공기로 수동 공기량을 보충할 뿐만 아니라, 벤츄리관에 의해 생성되는 공기와 물의 혼합물을 정밀하게 제어하기 위해 물 펌프의 작동을 제어함으로써 각각의 벤츄리관을 통과하는 물의 유량을 제어하도록 프로그램될 수 있다. 제어기는 선박 속도 센서, 주변 공기 주입구 포트(16)로부터의 공기 유량을 결정하는 공기 유량계, 주변 공기 압력, 공기 압력 및/또는 압축기(18)로부터의 유량을 결정하는 압력 센서, 및/또는 수동 물 주입구(8) 및 물 펌프(10)로부터의 물 흐름을 결정하는 물 유량계(및/또는 펌프 속도 센서), 및/또는 물 펌프(10)의 정수 배압을 결정하는 압력 센서와 같은 다양한 센서로부터 입력을 수신할 수 있다. 제어기는 또한 예를 들어 시스템이 선박에 의해 운반되는 부하를 보상할 수 있도록 선박의 흘수를 결정하기 위해 센서로부터 정보를 수신할 수 있다. 제어기는 선박의 광범위한 주요 작동 조건에 걸쳐 시스템의 최적 작동을 제공하기 위해 이러한 다양한 센서로부터 수신된 정보의 함수로서 각각의 벤츄리관으로 공급되는 물 및 바람직하게는 공기의 유량을 제어하고, 특히 선박의 속도의 함수로서 각각의 벤츄리관으로 공급되는 물 및 바람직하게는 공기의 유량을 제어하도록 프로그램될 수 있다.
i) 배출구(4)에서의 국부적인 물 흐름 속도 및 ii) 물 펌프(10)의 정수 배압에 따라, 물 펌프(10)는 배출구(4)의 압력을 극복하기 위해 더 노력할 수 있으며, 따라서 물 펌프(10)의 에너지 '수요'는 선박의 흘수에 따라 증가할 수 있다. 물을 통과하여 이동하는 선박의 속도는 바람직하게는 물 펌프(10)의 작동 속도에 대한 주된 결정 요인이다. 그러나 물 속의 선박의 흘수는 물 펌프(10)로부터 필요한 배출량을 조절하는 데 부수적인 영향을 미칠 수 있다. 펌프(10)는 배출구(4)에서의 더 많은/더 적은 압력을 극복하기 위해 더 높거나 더 낮은 유량/속도를 전달하도록 설계될 수 있다. 간단히 말하면, 펌프 속도, 질량 유량, 압력 및 주입 속도는 모두 본질적으로 관련되어 있다.
주입 지점의 난류를 방지하기 위해서는 주입 지점(선체의 배출구(4) 위치)에서의 경계층 내의 유속과 동일한 배출구 주입 속도를 설정하는 것이 바람직하다. 물 펌프(10)는 주입된 시스템 물과 배출구(4)를 통과하는 바닷물 사이의 상대적 유량 차이가 제로가 되도록 구성되고 제어된다. 주입 지점에서의 경계층 내의 유속 및 이에 따라 물 펌프(들)에 대한 수요에 영향을 미치는 요인은 다음과 같다:
1. 선박 전진 속도(물을 통과하여 이동하는 속도) - 이는 선박 브리지 판독(bridge reading)에서 얻을 수 있다.
2. 선체 내의 배출구(4)의 위치 - 이는 설계/설치 및 CFD 분석을 통해 알 수 있다.
3. 국지적 유속에도 영향을 미칠 수 있는 흘수 - 이는 음향측심기(echosounder) 및/또는 흘수계(draught gauge)로 얻을 수 있다.
4. 시스템/물 펌프의 배압을 증가시키는 내부 파이프라인의 오염 - 이는 압력계로 얻을 수 있다.
선체 내의 배출구(4)는 공기와 물의 혼합물을 선박의 하부와 측벽에 있는 유체역학적 경계층으로 전달한다. 배출구는 흐름의 난류를 최소화하고 경계층으로 안정적인 흐름을 제공하도록 구성될 수 있다.
선박의 선체 내의 배출구(4)에서 기포 형성을 용이하게 하기 위해 벤츄리관의 상류 또는 하류에서 물에 계면활성제를 첨가할 수 있다.
시스템은 선박의 하부와 측면에 지속적인 공기 윤활을 제공하여 수중 저항을 줄인다. 제어 시스템은 각각의 벤츄리관으로 공급되는 수동적 및 능동적 물과 공기 사이의 상호작용을 자동으로 최적화하도록 프로그램되어 선박의 총 에너지 사용량을 최소화하고 배출구로부터 공급되는 공기 물 혼합물의 '레시피'를 조절할 수 있다. 이를 통해 작동 조건/속도/선박 유형에 관계없이 시스템 출력의 3D 제어가 가능하다. 따라서 공기 출력/양은 선박 속도와 분리된다.
각각의 벤츄리관(6)을 통과하는 물의 유속을 제어함으로써, 주입 지점의 전단 응력을 제어할 수 있다. 이를 통해 생성된 기포의 크기를 안정적으로 제어할 수 있다. 간단히 말하면, 기포가 작을수록 해당 기포의 표면적 대 부피 비율이 커지고, 따라서 생성된 공기량 단위당 윤활성이 더 커진다. 이는 경쟁 시스템에 비해 시스템의 순 성능을 향상시킨다.
선박 내부의 물에 공기를 혼입함으로써, 선체 측면을 윤활하기 위해 하부뿐만 아니라 선체 측면의 배출구를 통해 기포를 전달하여 윤활에 사용할 수 있는 면적을 효과적으로 두 배로 늘릴 수 있다.
벤츄리관의 수동적 특성으로 인해, 수동 물 주입구와 주변 공기 주입구 포트에서 각각 수동적으로 공급되는 물과 공기만을 사용하여, 에너지 투입 없이 시스템에 의해 생성되는 기포의 적어도 일정 비율을 생성할 수 있고, 따라서 (예를 들어, 모든 공기가 압축기로부터 공급되는) 종래 기술의 완전 능동적 시스템에 비해 시스템의 순 성능을 증가시키고, 동시에 물 펌프 및 압축기로부터 각각 물 및 선택적으로 공기를 능동적으로 공급하면 종래 기술의 완전히 수동적인 시스템에 비해 시스템의 성능과 유연성을 크게 향상시킨다.
본 발명에 따른 시스템 및 방법은 상선, 페리, 레저 선박, 내륙 수로 선박 및 물을 통과하여 이동하도록 구성된 기타 선박과 같은 모든 수상 선박에 적용될 수 있다.
본 발명은 본원에 기술된 실시형태로 제한되지 않으며, 첨부된 청구항에 의해 정의된 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 수정되거나 변경될 수 있다.
Claims (15)
- 해양 선박(marine vessel)의 항력을 줄이기 위한 시스템으로서,
선체의 적어도 일부와 물 사이에 기포 층을 전달하기 위해 선박의 선체의 일반적으로 물에 잠기는 영역에 구비되는 복수의 배출구와;
수렴 주입구 영역, 분기 배출구 영역 및 상기 수렴 주입구 영역과 분기 배출구 영역 사이에 스로트(throat)를 갖는 적어도 하나의 벤츄리관(venturi tube)으로서, 상기 스로트의 내부 또는 하류에 적어도 하나의 공기 주입구가 제공되고, 배출구 영역은 상기 복수의 공기 배출구 중 하나 이상과 연통하는, 적어도 하나의 벤츄리관과;
선박이 물을 통과하여 이동할 때 적어도 하나의 벤츄리관의 주입구 영역으로 물을 공급하도록 조정된, 선박의 선수 영역(bow region)에 위치한 적어도 하나의 물 주입구와;
적어도 하나의 벤츄리관의 주입구 영역으로 물을 공급하도록 조정된 적어도 하나의 물 펌프와;
상기 적어도 하나의 주변 공기 주입구 포트로부터의 공기가 적어도 하나의 벤츄리관을 통과하는 물에 혼입되어 상기 복수의 배출구 중 하나 이상에 기포를 전달하기 위해 적어도 하나의 벤츄리관의 상기 적어도 하나의 공기 주입구 중 하나 이상으로 주변 공기를 공급하도록 조정된 적어도 하나의 주변 공기 주입구 포트와;
선체 내의 복수의 배출구를 통한 기포의 전달을 최적화하고 이에 따라 선박의 항력 감소를 최적화하기 위해 적어도 하나의 물 펌프로부터 적어도 하나의 벤츄리관으로 공급되는 물의 유량을 조절하도록 조정된 제어기를 포함하는, 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
압축 공기를 생성하도록 공기를 압축하고, 적어도 하나의 벤츄리관의 상기 적어도 하나의 공기 주입구 중 하나 이상으로 압축 공기를 선택적으로 공급하기 위한 공기 압축 기기(air compressing arrangement)를 더 포함하고; 상기 제어기는 선체 내의 복수의 배출구를 통한 기포의 전달을 최적화하기 위해 공기 압축 기기로부터 적어도 하나의 벤츄리관으로의 압축 공기의 공급을 조절하도록 조정되는, 시스템.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
복수의 상기 벤츄리관을 포함하고, 각각의 벤츄리관은 상기 배출구 중 각각의 하나 또는 각각의 그룹을 공급하는, 시스템.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 물 펌프는 선체의 외부로부터 물을 수용하는 주입구와 연통하는, 선체 내의 각각의 씨 체스트(sea chest)와 관련되는(associated), 시스템.
- 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 물 펌프는 밸러스트 펌프(ballast pump), 냉각 펌프(cooling pump), 소방 펌프(fire pump) 또는 자키 펌프(jockey pump)와 같은 선박에 제공된 기존 펌프를 포함하는, 시스템.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 주변 공기 주입구 포트는 수위 위에 및/또는 갑판 위에 위치하는, 시스템.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공기 압축 기기는 적어도 하나의 공기 압축기를 포함하는, 시스템.
- 제 7 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 공기 압축기는 가변 주파수 드라이브 스크류 압축기(variable frequency drive screw compressor)를 포함하는, 시스템.
- 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
제어기는 물을 통과하는 선박의 속도의 함수로서 적어도 하나의 물 펌프로부터 적어도 하나의 벤츄리관으로 공급되는 물의 유량을 조절하고 및/또는 공기 압축 기기로부터 적어도 하나의 벤츄리관으로의 압축 공기의 공급을 조절하도록 프로그램되는, 시스템.
- 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 하나의 물 주입구로부터 적어도 하나의 벤츄리관으로 공급되는 물의 유량; 적어도 하나의 물 펌프로부터 적어도 하나의 벤츄리관으로 공급되는 물의 유량 및/또는 펌프의 속도; 적어도 하나의 주변 공기 주입구 포트로부터 적어도 하나의 벤츄리관으로 공급되는 공기의 유량; 공기 압축 기기로부터 적어도 하나의 벤츄리관으로 공급되는 공기의 유량; 적어도 하나의 벤츄리관으로부터 선박의 선체 내의 복수의 배출구로 공급되는 공기와 물의 유량; 적어도 하나의 물 펌프의 정수 배압(hydrostatic back pressure) 중 하나 이상의 유량을 결정하기 위해 하나 이상의 센서가 제공되며, 상기 하나 이상의 센서는 제어기에 입력을 제공하는, 시스템.
- 해양 선박의 항력을 줄이는 방법으로서,
선박의 선체의 일반적으로 물에 잠기는 영역에 복수의 배출구를 제공하는 단계와;
수렴 주입구 영역, 분기 배출구 영역 및 상기 수렴 주입구 영역과 분기 배출구 영역 사이에 스로트를 갖는 적어도 하나의 벤츄리관을 제공하는 단계로서, 상기 스로트의 내부 또는 하류에 적어도 하나의 공기 주입구가 제공되고, 배출구 영역은 상기 복수의 배출구 중 하나 이상과 연통하는, 단계와;
선박이 물을 통과하여 이동할 때 선박의 선수 영역에 위치한 적어도 하나의 물 주입구로부터 적어도 하나의 벤츄리관의 주입구 영역으로 물을 공급하는 단계와;
적어도 하나의 물 펌프에 의해 상기 또는 각각의 적어도 하나의 벤츄리관의 주입구 영역으로 물을 펌핑하는 단계와;
이에 따라 적어도 하나의 벤츄리관을 통과하는 물의 흐름은 적어도 하나의 벤츄리관의 상기 적어도 하나의 공기 주입구 중 적어도 하나 이상을 통해 적어도 하나의 주변 공기 주입구 포트로부터의 주변 공기를 혼입하고;
선체 내의 복수의 배출구를 통한 기포의 전달을 최적화하고 이에 따라 선박의 항력 감소를 최적화하기 위해 상기 적어도 하나의 물 펌프에 의해 적어도 하나의 벤츄리관으로 공급되는 물의 유량을 조절하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제 11 항에 있어서,
선체 내의 복수의 배출구를 통한 기포의 전달을 최적화하기 위해 공기 압축 기기로부터 적어도 하나의 벤츄리관의 상기 적어도 하나의 공기 주입구 중 하나 이상으로 압축 공기를 선택적으로 공급하는 단계 및 공기 압축 기기로부터 적어도 하나의 벤츄리관으로의 압축 공기의 공급을 조절하는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
적어도 하나의 물 펌프로부터 적어도 하나의 벤츄리관으로 공급되는 물의 유량은 물을 통과하여 이동하는 선박의 속도의 함수로서 조절되는, 방법.
- 제 13 항에 있어서, 제 12 항에 종속할 때,
공기 압축 기기로부터 적어도 하나의 벤츄리관으로 공급되는 공기의 유량은 물을 통과하여 이동하는 선박의 속도의 함수로서 조절되는, 방법.
- 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
적어도 하나의 물 펌프로부터 적어도 하나의 벤츄리관으로 공급되는 물의 유량 및/또는 공기 압축 기기로부터 적어도 하나의 벤츄리관으로의 압축 공기의 공급은,
적어도 하나의 물 주입구로부터 적어도 하나의 벤츄리관으로 공급되는 물의 유량; 적어도 하나의 물 펌프로부터 적어도 하나의 벤츄리관으로 공급되는 물의 유량; 적어도 하나의 주변 공기 주입구 포트로부터 적어도 하나의 벤츄리관으로 공급되는 공기의 유량; 공기 압축 기기로부터 적어도 하나의 벤츄리관으로 공급되는 공기의 유량; 적어도 하나의 벤츄리관으로부터 선박의 선체 내의 복수의 배출구로 공급되는 공기와 물의 유량; 적어도 하나의 물 펌프의 정수 배압 중 하나 이상의 함수로서 조절되는, 방법.
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