WO2018030722A1 - 프로펠러 피치각 제어장치 및 방법 - Google Patents

프로펠러 피치각 제어장치 및 방법 Download PDF

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WO2018030722A1
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propeller
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pitch angle
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angle
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PCT/KR2017/008470
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이원학
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월드콥터코리아 주식회사
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    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H3/00—Propeller-blade pitch changing
    • B63H3/008—Propeller-blade pitch changing characterised by self-adjusting pitch, e.g. by means of springs, centrifugal forces, hydrodynamic forces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B63H7/00—Propulsion directly actuated on air
    • B63H7/02—Propulsion directly actuated on air using propellers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C11/00—Propellers, e.g. of ducted type; Features common to propellers and rotors for rotorcraft
    • B64C11/30—Blade pitch-changing mechanisms

Definitions

  • This embodiment relates to an apparatus and method for controlling the pitch angle of a propeller in a ship generating thrust using an aircraft propeller.
  • Airboats that generate thrust using propellers, such as airboats, generate thrust with aircraft propellers on the hull rather than underwater screws used in conventional ships.
  • Airboats can also be operated in flat hulls and in very low water depths, as well as on wetlands, tidal flats, ice, snow, and even on land roads. Thus, airboats are specially used in Florida swamps in the United States, and in icy lakes and heavy snow areas in Russia.
  • Airboats were fired by removing underwater screw engines from existing small boats and using fixed-pitch propellers along with small airplane engines. Airboats use the thrust generated by airplane propellers to have a special amphibious function.
  • variable pitch propellers Although very few airboats use variable pitch propellers with engines made exclusively for variable pitch propellers, it is a constant speed variable pitch propeller to keep the engine speed constant (usually fixed at 75% of maximum speed). to be. That is, since the variable pitch propeller used in some airboats is to manually control the propeller pitch according to the rotational speed of the engine, there is a rather uncomfortable problem in the airboat.
  • the present embodiment is to provide an apparatus and method for controlling the pitch angle of the propeller to have a corresponding pitch angle by calculating the pitch angle to have the maximum efficiency despite the rotational speed of the propeller and the irregular speed change of the ship There is this.
  • the propeller pitch angle control device for controlling the pitch angle of the propeller by receiving a sensing value from the sensor in the vessel to operate the vessel at the optimum efficiency, the speed of rotation of the propeller from the sensor (RPM : A communication unit for receiving a value of Revolutions Per Minute and the speed value of the ship or a control signal for controlling the pitch angle of the propeller to the propeller and the rotation speed value of the propeller and the speed value of the ship Comprising a control angle for calculating the angle of attack, the pitch angle of the propeller to maintain a constant within the predetermined range provides a propeller pitch angle control device.
  • the propeller pitch angle control device for receiving a sensed value from the sensor in the ship to control the pitch angle of the propeller so that the vessel operates at the optimum efficiency
  • the angle of reception of the propeller is calculated based on a reception process of receiving a revolution speed per minute (RPM) value and a speed value of the ship, and a rotation speed value of the propeller and a speed value of the ship, and the angle of attack is a preset range.
  • RPM revolution speed per minute
  • It provides a propeller pitch angle control method characterized in that it comprises a control process for controlling the pitch angle of the propeller so as to remain constant in the propeller and transmitting a control signal for controlling the pitch angle of the propeller to the propeller.
  • the pitch angle of the propeller is controlled to have the maximum efficiency.
  • FIG. 1 is a view showing a ship equipped with a propeller pitch angle control apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a block diagram showing the configuration of a propeller pitch angle control apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • 3 is a diagram showing the relationship between the hull speed, the engine rotation speed and the angle of attack.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a method of controlling the propeller pitch angle by the propeller pitch angle control apparatus according to the exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a view showing a ship equipped with a propeller pitch angle control apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the ship 100 is a hull speed sensor 110, rotation speed sensor 120, speed control sensor 130, propeller pitch angle control device 140 ), An actuator 150 and a variable pitch propeller 160.
  • the hull speed sensor 110 detects the current speed of the hull.
  • the speed of a ship may change intentionally due to brakes or accelerator pedals, but may change due to changes in flow rate or direction of fluid.
  • Hull speed sensor 110 detects the speed of the hull changes due to the various factors described above.
  • the hull speed sensor 110 may indirectly detect a change in hull speed by measuring an entry speed of air entering the hull, and use a GPS or the like to change the current hull's coordinates and change time of the coordinates. By measuring the speed of the hull can be detected.
  • the hull speed sensor 110 transmits the detected hull speed value to the propeller pitch angle control device 140.
  • Rotational speed sensor 120 detects the rotational speed of the propeller mounted on the vessel (100).
  • the rotational speed sensor 120 detects the rotational speed of the propeller using a method of power generation, electronic, oscillation, photoelectric, hall effect, magnetoresistance, and the like.
  • the rotational speed sensor 120 transmits the detected rotational speed of the propeller to the propeller pitch angle control device 140.
  • Speed control sensor 130 detects the speed control value from the speed control means (not shown) of the vessel (100).
  • the speed control sensor 130 does not detect the current speed of the ship, which should also consider the influence of the external environment, like the hull speed sensor 110, but detects the speed control value of the speed control means intentionally controlled by the master. do.
  • the speed control means may be an accelerator to increase the speed of the ship or a brake to reduce the speed of the ship.
  • the speed control sensor 130 detects the speed control value of the speed control means by grasping the angle or the degree at which the speed control means, for example, the accelerator is pressed.
  • the speed control sensor 130 transmits the detected speed control value to the propeller pitch angle control device 140 as in the above-described sensors.
  • Propeller pitch angle control device 140 calculates whether the current vessel is operating at maximum efficiency using the values received from the above-described sensors 110, 120, 130, propeller to have a pitch angle having the maximum efficiency according to the result To control.
  • the pitch means the moving distance of the ship 100 when the propeller is rotated one time
  • the variable pitch means that the pitch is not fixed but is changed.
  • the propeller pitch angle control device 140 determines whether to automatically control the pitch angle according to whether the speed control value received from the speed control sensor 130 exceeds a preset reference value. When it is determined that the pitch angle is automatically controlled, the propeller pitch angle controller 140 uses the hull speed value received from the hull speed sensor 110 and the rotation speed sensor 120 and the rotation speed value of the propeller.
  • the propeller pitch angle controller 140 controls the pitch angle of the propeller so that the angle of attack is maintained within a preset range.
  • the pitch angle control process of the propeller pitch angle control device 140 will be described in detail with reference to FIGS. 2 to 4.
  • the actuator 150 receives a control signal for controlling the pitch angle from the propeller pitch angle controller 140 and adjusts the pitch angle of the variable pitch propeller 160 by adjusting the position of the actuator stroke according to the received control signal. .
  • variable pitch propeller 160 is mounted on the vessel 100 and is a propeller that varies the pitch according to the control of the propeller pitch angle controller 140. Variable pitch propeller 160 is mounted to the vessel 100 so that lift and thrust act in the same direction. The variable pitch propeller 160 is mounted on the ship 100 to provide thrust to the ship 100 and to change the rotational speed of the propeller along with the pitch by controlling the pitch angle according to the control of the propeller pitch angle controller 140. Let's do it.
  • the vessel 100 is illustrated as a movable body on which the variable pitch propeller 160 is mounted, but is not necessarily limited thereto. If the variable pitch propeller 160 is mounted so that lift and thrust act in the same direction, the vessel 100 may be replaced by any movable body besides the vessel 100. However, for convenience of explanation, hereinafter, the moving body will be described by specifying the ship.
  • Figure 2 is a block diagram showing the configuration of a propeller pitch angle control apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the propeller pitch angle control apparatus 140 includes a communication unit 210, a mode determination unit 220, and a control unit 230.
  • the communication unit 210 receives a sensing value from each sensor, and transmits a control signal for controlling the pitch angle of the propeller of the controller 230 to the actuator 150.
  • the communication unit 210 receives a current speed value of the hull from the hull speed sensor 110, a rotation speed value of the propeller from the rotation speed sensor 120, and a speed control value from the speed control sensor 130.
  • the communication unit 210 receives a control signal for controlling the pitch angle of the propeller from the control unit 230 and transmits it to the actuator 150.
  • the communication unit 210 may be connected to each sensor 110, 120, 130 and the actuator 150 by wire or wireless communication, and may transmit and receive each sensing value or signal.
  • the mode determination unit 220 determines a mode in which the ship 100 operates using the speed control value.
  • the mode is divided into automatic mode and manual mode.
  • the automatic mode is a mode in which the propeller pitch angle control device 140 calculates a reception angle by using sensing values received from the sensors, and controls the pitch angle of the propeller by itself so that the reception angle is maintained within a preset range.
  • Manual mode is a mode in which the propeller pitch angle control unit 140 does not control the pitch angle of the propeller separately. The reason why the propeller pitch angle control device 140 also includes the manual mode is as follows.
  • the propeller pitch angle control device 140 When the propeller pitch angle control device 140 operates in the automatic mode, when the captain intentionally tries to accelerate by using the speed control means (accelerator), there is a situation in which the speed of the ship is reduced to maintain the angle of attack within the preset range. May occur. As such, even when the captain intentionally controls the speed of the ship by using the speed control means, when the propeller pitch angle control device 140 operates in the automatic mode, a situation may occur in which the ship is controlled differently from the intention of the captain. have. To avoid this problem, the propeller pitch angle control device 140 has an automatic mode and a manual mode.
  • the mode determination unit 220 classifies the mode according to whether the speed control value exceeds a preset reference value.
  • the mode determination unit 220 determines to operate in the manual mode.
  • the mode determination unit 220 determines to operate in the automatic mode.
  • the control unit 230 calculates an angle of attack using the current speed value of the hull and the rotation speed value of the propeller.
  • the angle of attack does not simply mean the angle of the wing attached to the fuselage, but the relative angle of synthesis of the air as it travels and rises or falls.
  • the angle of attack is the angle of the wind (relative wind) that combines the speed of the propeller's forward and the propeller's rotation. This is illustrated in FIG. 3.
  • 3 is a diagram showing the relationship between the hull speed, the engine rotation speed and the angle of attack.
  • Relative wind refers to the reverse direction of the vector combining the speed of the hull and the speed of propeller rotation.
  • the angle of attack increases as the hull speed increases in proportion to the hull speed, and decreases as the rotation speed of the propeller increases in inverse proportion to the rotation speed of the propeller.
  • the control unit 230 calculates the angle of attack using the current speed value of the hull and the rotation speed value of the propeller.
  • the controller 230 controls the pitch angle of the propeller so that the angle of attack is kept constant within a preset range.
  • the reason why the controller 230 keeps the angle of attack constant within a preset range is as follows.
  • the conventional aircraft is a long-distance aircraft, and does not repeat standing and standing with a car running in the city, but travels at a constant speed when it gets on a constant track. Therefore, the (variable pitch) propeller control device used in the conventional aircraft is a device for controlling the pitch angle of the propeller so as to have the maximum thrust by always maintaining the maximum N (speed of the propeller).
  • the ship 100 according to an embodiment of the present invention, unlike the conventional aircraft, it is difficult to keep the N constant because the change in speed is various.
  • the propeller pitch angle control apparatus 140 maintains G (propeller thrust factor) at a value having an optimum efficiency, so that the ship 100 operates at an optimum efficiency.
  • G propeller thrust factor
  • the propeller 160 is mounted on the ship so that thrust and lift force act in the same direction, the thrust factor of the propeller is controlled together under the control of the lift factor.
  • a method of controlling the lift coefficient so that the controller 230 has an optimum efficiency will be described with reference to FIG. 4.
  • the graph shown in FIG. 4 shows the relationship between angle of attack and lift coefficient and drag coefficient for a particular airfoil.
  • the x-axis shows the magnitude of the angle of attack
  • the y-axis shows the magnitude of the lift coefficient (410, C L ), the drag coefficient (420, C P ), or the lift ratio (ratio of lift and drag, 430, L / D).
  • the force acting on the ship the larger the lift, the better, and the smaller the drag, the better. In other words, when the least drag occurs and the most lift occurs, the vessel may have optimum efficiency.
  • the airfoil having the graphical characteristics shown in FIG. 4 has an optimum lift ratio when the angle of attack is about 2 degrees 440.
  • the control unit 230 controls the pitch angle of the propeller so as to remain constant within a range having a preset error, that is, a preset range, from the angle of attack having the best value. According to the graph characteristic shown in FIG. 4, the controller 230 controls the pitch angle of the propeller so that the angle of attack remains constant around 2 degrees.
  • the angle of attack will change.
  • the controller 230 controls the pitch angle of the propeller to return the increased angle of attack back to the preset range.
  • the controller 230 reduces the pitch angle of the propeller to increase the rotational speed of the propeller, thereby reducing the larger angle of attack and maintaining it within the preset range.
  • the angle of attack becomes smaller than the angle of attack with the optimum lift ratio. It may be out of the set range.
  • the controller 230 controls the pitch angle of the propeller to return the smaller angle of attack back to the preset range.
  • the controller 230 increases the pitch angle of the propeller to reduce the rotation speed of the propeller, thereby controlling the smaller angle of attack to be maintained within the preset range. In this way, the controller 230 adjusts the angle of attack by controlling the pitch angle of the propeller, thereby maintaining the angle of attack constant around the angle of reception (preset range) having the optimum lift ratio.
  • the controller 230 generates a control signal for controlling the pitch angle of the propeller and transmits the control signal to the communication unit 210.
  • the control unit 230 controls the communication unit 210 to transmit the control signal to the actuator 150.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a method of controlling the propeller pitch angle by the propeller pitch angle control apparatus according to the exemplary embodiment of the present invention. Since a detailed description thereof has been described with reference to FIGS. 2 to 4, a detailed description thereof will be omitted.
  • Propeller pitch angle control device 140 receives the speed control value of the speed control means from the sensor (S510).
  • Propeller pitch angle control device 140 determines whether the received speed control value exceeds a predetermined reference value (S520).
  • the propeller pitch angle controller 140 receives the rotation speed of the propeller and the speed value of the hull from the hull speed sensor 110 and the rotation speed sensor 120. (S530).
  • Propeller pitch angle control device 140 calculates the angle of attack using the received sensing value (S540).
  • Propeller pitch angle control device 140 controls the pitch angle of the propeller so that the angle of attack enters within a predetermined range (S550).
  • FIG. 5 each process is described as being sequentially executed, but this is merely illustrative of the technical idea of the exemplary embodiment of the present invention.
  • one of ordinary skill in the art to which an embodiment of the present invention belongs may execute the process described in FIG. 5 by changing the order described in FIG. 5 without departing from the essential characteristics of the embodiment of the present invention, or at least one of the processes. Since it will be applicable to various modifications and variations by executing in parallel, Figure 5 is not limited to the time series order.
  • the computer-readable recording medium includes all kinds of recording devices in which data that can be read by a computer system is stored. That is, the computer-readable recording medium may be a magnetic storage medium (for example, ROM, floppy disk, hard disk, etc.), an optical reading medium (for example, CD-ROM, DVD, etc.) and a carrier wave (for example, the Internet Storage medium).
  • the computer readable recording medium can also be distributed over network coupled computer systems so that the computer readable code is stored and executed in a distributed fashion.

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Abstract

프로펠러 피치각 제어장치 및 방법을 개시한다. 본 실시예의 일 측면에 의하면, 프로펠러의 회전수와 선박의 불규칙한 속도변화에도 불구하고, 최대효율을 갖도록 하는 피치각을 연산하여 해당 피치각을 갖도록 프로펠러의 피치각을 제어하는 장치 및 방법을 제공하는 데 일 목적이 있다.

Description

프로펠러 피치각 제어장치 및 방법
본 실시예는 항공기 프로펠러를 이용하여 추력을 발생시키는 선박에 있어서, 프로펠러의 피치각을 제어하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
프로펠러를 이용하여 추력을 발생시키는 선박, 예를 들어, 에어보트는 일반적인 선박에서 사용하는 수중 스크루가 아닌 선체 위의 항공기 프로펠러로 추력을 발생시킨다. 또한, 에어보트는 선체가 편평하게 제작되어 수심이 매우 낮은 지역은 물론, 습지, 갯벌, 얼음, 눈 위, 심지어는 육상의 도로에서도 운영될 수 있다. 그리하여 에어보트는 미국의 플로리다 지역 늪지와 러시아의 결빙호수나 폭설지역에서 많이 애용되고 있는 특수선박이다.
이러한 에어보트는 기존의 소형 보트에 수중 스크루 엔진을 제거하고 소형 비행기 엔진과 함께 고정피치 프로펠러를 장착함으로 실화되었다. 에어보트는 비행기 프로펠러가 발생시키는 추력을 사용하여 수륙양용의 특별한 기능을 가지게 된 것이다.
그러나 보트 제작자들의 항공기 프로펠러의 효율성 이해와 기술적인 한계로 인해 여전히 비효율적으로 에어보트를 운영하는 문제점이 있다.
에어보트에 사용되는 소형항공기 프로펠러는 일정한 순항속도와 엔진의 일정한 정출력에 맞춰져 설계되어 있으므로 피치가 고정되어 있다. 이에 따라, 자동차의 시내 운전처럼 빈번한 속도와 출력변화를 갖는 에어보트는 비행기 고정피치 프로펠러를 사용하게 되면 효율적인 출력을 기대할 수 없다.
종래의 대부분의 에어보트는 고정피치 프로펠러를 사용하고 있는데, 에어보트에 고정피치 프로펠러가 사용되는 것은 자동차로 비유하자면 최고 속도까지 낼 수 있는 최고 높은 기어로 주행을 계속하는 것과 같이 출발 시점이나 저속 구간에서 매우 비효율적이다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 에어보트의 속도와 엔진의 회전수에 따라 시시각각 변화하는 프로펠러의 피치각 제어장치가 필요하다. 이것은 자동차의 경우 자동변속 기어장치에 해당한다.
극히 일부의 에어보트가 가변피치 프로펠러 전용으로 제작된 엔진을 장착하여 가변피치 프로펠러를 사용하지만, 그것은 정속 가변피치 프로펠러로써 엔진 회전수를 일정하게(통상 최대회전수의 75%로 고정됨) 유지하기 위함이다. 즉, 일부의 에어보트에서 사용되는 가변피치 프로펠러는 엔진의 회전속도에 맞춰 프로펠러 피치를 수동으로 조종하는 것이므로, 에어보트에서는 오히려 불편한 문제가 있다.
따라서 에어보트의 빈번한 속도 변화와 엔진 출력 변화에 자동적으로 프로펠러 피치각을 제어하는 장치의 필요성이 존재한다.
본 실시예는, 프로펠러의 회전수와 선박의 불규칙한 속도변화에도 불구하고, 최대효율을 갖도록 하는 피치각을 연산하여 해당 피치각을 갖도록 프로펠러의 피치각을 제어하는 장치 및 방법을 제공하는 데 일 목적이 있다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 선박이 최적의 효율로 동작하도록 상기 선박 내 센서로부터 센싱값을 수신하여 프로펠러의 피치각을 제어하는 프로펠러 피치각 제어장치에 있어서, 상기 센서로부터 프로펠러의 회전속도(RPM: Revolutions Per Minute) 값 및 상기 선박의 속도값을 수신하거나 상기 프로펠러로 상기 프로펠러의 피치각을 제어하는 제어신호를 전송하는 통신부 및 상기 프로펠러의 회전속도 값 및 상기 선박의 속도값을 이용하여 프로펠러의 받음각을 연산하고, 상기 받음각이 기 설정된 범위 내에서 일정하게 유지되도록 상기 프로펠러의 피치각을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로펠러 피치각 제어장치를 제공한다.
또한, 본 실시예의 다른 측면에 의하면, 프로펠러 피치각 제어장치가 선박이 최적의 효율로 동작하도록 상기 선박 내 센서로부터 센싱값을 수신하여 프로펠러의 피치각을 제어하는 방법에 있어서, 상기 센서로부터 프로펠러의 회전속도(RPM: Revolutions Per Minute) 값 및 상기 선박의 속도값을 수신하는 수신과정과 상기 프로펠러의 회전속도 값 및 상기 선박의 속도값을 이용하여 프로펠러의 받음각을 연산하고, 상기 받음각이 기 설정된 범위 내에서 일정하게 유지되도록 상기 프로펠러의 피치각을 제어하는 제어과정 및 상기 프로펠러로 상기 프로펠러의 피치각을 제어하는 제어신호를 전송하는 전송과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 프로펠러 피치각 제어방법을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 프로펠러의 회전수와 선박의 불규칙한 속도변화에도 불구하고, 프로펠러의 피치각을 제어하여 최대효율을 갖도록 하는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 프로펠러 피치각 제어장치가 장착된 선박을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 프로펠러 피치각 제어장치의 구성을 도시한 구성도이다.
도 3은 선체 속도 및 엔진 회전속도와 받음각과의 관계를 도시한 도면이다.
도 4는 받음각과 양력 계수 및 항력 계수와의 관계를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 프로펠러 피치각 제어장치가 프로펠러 피치각을 제어하는 방법을 도시한 순서도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 '…부', '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 프로펠러 피치각 제어장치가 장착된 선박을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박(100)은 선체속도 감지센서(110), 회전속도 감지센서(120), 속도제어 감지센서(130), 프로펠러 피치각 제어장치(140), 액추에이터(150) 및 가변피치 프로펠러(160)를 포함한다.
선체속도 감지센서(110)는 선체의 현재 속도를 감지한다. 선박의 속도는 브레이크나 가속페달 등으로 인해 의도적으로 변화할 수 있지만, 유속이나 유체의 방향 변화로 인해 변화할 수 있다. 선체속도 감지센서(110)는 전술한 다양한 요인으로 인해 변화하는 선체의 속도를 감지한다. 예를 들어, 선체속도 감지센서(110)는 선체로 진입하는 공기의 진입속도를 측정함으로써 간접적으로 선체 속도의 변화를 감지할 수 있고, GPS 등을 이용하여 현재 선체의 좌표 변화와 좌표의 변화 시간을 측정함으로써 선체의 속도를 감지할 수 있다. 선체속도 감지센서(110)는 감지한 선체 속도값을 프로펠러 피치각 제어장치(140)로 전달한다.
회전속도 감지센서(120)는 선박(100)에 장착된 프로펠러의 회전속도를 검출한다. 회전속도 감지센서(120)는 발전식, 전자식, 발진식, 광전식, 홀효과식, 자기저항식 등의 방식을 이용하여 프로펠러의 회전속도를 검출한다. 회전속도 감지센서(120)는 검출한 프로펠러의 회전속도를 프로펠러 피치각 제어장치(140)로 전달한다.
속도제어 감지센서(130)는 선박(100)의 속도 제어수단(미도시)으로부터 속도 제어값을 감지한다. 속도제어 감지센서(130)는 선체속도 감지센서(110)처럼 외부 환경의 영향도 함께 고려해야 하는 선박의 현재속도를 감지하는 것이 아니라, 선장에 의해 의도적으로 제어되는 속도 제어수단의 속도 제어값을 감지한다. 여기서, 속도 제어수단은 선박의 속도를 높이려는 엑셀레이터 또는 선박의 속도를 줄이려는 브레이크가 될 수 있다. 속도제어 감지센서(130)는 속도 제어수단, 예를 들어, 엑셀레이터가 눌려진 각도나 정도를 파악하여 속도 제어수단의 속도 제어값을 감지한다. 속도제어 감지센서(130)는 감지한 속도 제어값을 전술한 센서들과 마찬가지로 프로펠러 피치각 제어장치(140)로 전달한다.
프로펠러 피치각 제어장치(140)는 전술한 센서들(110, 120, 130)로부터 수신한 값을 이용하여 현재 선박이 최대효율로 동작하는지를 연산하여, 결과에 따라 최대효율을 갖는 피치각을 갖도록 프로펠러를 제어한다. 여기서, 피치란 프로펠러 1회전시 선박(100)의 이동거리를 의미하고, 가변피치란 피치가 고정되지 않고 변동되는 것을 의미한다. 프로펠러 피치각 제어장치(140)는 속도제어 감지센서(130)로부터 수신한 속도 제어값이 기 설정된 기준치를 초과하는지 여부에 따라 자동으로 피치각을 제어할지를 결정한다. 자동으로 피치각을 제어하는 것으로 결정한 경우, 프로펠러 피치각 제어장치(140)는 선체속도 감지센서(110)와 회전속도 감지센서(120)로부터 수신한 선체 속도값과 프로펠러의 회전속도 값을 이용하여 받음각을 연산한다. 연산한 받음각이 기 설정된 범위 내의 값이 아닌 경우, 프로펠러 피치각 제어장치(140)는 받음각이 기 설정된 범위 내에서 유지되도록 프로펠러의 피치각을 제어한다. 프로펠러 피치각 제어장치(140)의 피치각 제어과정은 도 2 내지 4를 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
액추에이터(150)는 프로펠러 피치각 제어장치(140)로부터 피치각을 제어하는 제어신호를 수신하여, 수신된 제어 신호에 따라 액추에이터 스트로크의 위치를 조절함으로써 가변피치 프로펠러(160)의 피치각을 조절한다.
가변피치 프로펠러(160)는 선박(100)에 장착되며, 프로펠러 피치각 제어장치(140)의 제어에 따라 피치를 가변하는 프로펠러이다. 가변피치 프로펠러(160)는 양력과 추력이 동일한 방향으로 작용하도록 선박(100)에 장착된다. 가변피치 프로펠러(160)는 선박(100)에 장착되어 선박(100)으로 추력을 제공하며, 프로펠러 피치각 제어장치(140)의 제어에 따라 피치각을 제어함으로써 피치와 함께 프로펠러의 회전속도를 변화시킨다.
도 1에서는 가변피치 프로펠러(160)가 장착된 이동체로 선박(100)이 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정하는 것은 아니다. 가변피치 프로펠러(160)가 양력과 추력이 동일한 방향으로 작용하도록 장착되는 경우라면, 선박(100)은 선박(100)외에도 어떠한 이동체로 대체될 수 있다. 다만, 설명의 편의상 이하에서는 이동체를 선박으로 특정하여 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 프로펠러 피치각 제어장치의 구성을 도시한 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 프로펠러 피치각 제어장치(140)는 통신부(210), 모드 판단부(220), 제어부(230)를 포함한다.
통신부(210)는 각 센서로부터 센싱값을 수신하며, 제어부(230)의 프로펠러의 피치각을 제어하는 제어신호를 액추에이터(150)로 전송한다. 통신부(210)는 선체속도 감지센서(110)로부터 선체의 현재 속도값을, 회전속도 감지센서(120)로부터 프로펠러의 회전속도값을, 속도제어 감지센서(130)로부터 속도 제어값을 수신한다. 또한, 통신부(210)는 제어부(230)로부터 프로펠러의 피치각을 제어하는 제어신호를 수신하여 이를 액추에이터(150)로 전송한다. 통신부(210)는 각 센서(110, 120, 130) 및 액추에이터(150)와 유선 또는 무선통신을 이용하여 연결되어, 각 센싱값 또는 신호를 송수신할 수 있다.
모드 판단부(220)는 속도 제어값을 이용하여 선박(100)이 동작할 모드를 판단한다. 모드는 자동모드와 수동모드로 구분된다. 자동모드는 센서들로부터 수신한 센싱값을 이용하여 프로펠러 피치각 제어장치(140)가 스스로 받음각을 연산하여, 받음각이 기 설정된 범위 내에서 유지되도록 스스로 프로펠러의 피치각을 제어하는 모드이다. 수동모드는 프로펠러 피치각 제어장치(140)가 별도로 프로펠러의 피치각에 대해 제어를 하지 않는 모드이다. 프로펠러 피치각 제어장치(140)가 수동모드도 구비하고 있는 이유는 다음과 같다. 프로펠러 피치각 제어장치(140)가 자동모드로 동작하는 경우, 선장이 의도적으로 속도 제어수단(엑셀레이터)을 이용하여 가속을 하려 할 때, 받음각을 기 설정된 범위 내로 유지하고자 선박의 속도를 줄이는 상황이 발생할 수 있다. 이처럼, 선장이 의도적으로 속도 제어수단을 이용하여 선박의 속도를 제어하는 상황에서도 프로펠러 피치각 제어장치(140)가 자동모드로 동작하게 되면, 선장의 의도와는 다르게 선박이 제어되는 상황이 발생할 수 있다. 이러한 문제를 방지하고자, 프로펠러 피치각 제어장치(140)는 자동모드와 수동모드를 구비한다. 모드 판단부(220)는 속도 제어값이 기 설정된 기준치를 초과하는지 여부에 따라 모드를 구분한다. 속도 제어값이 기 설정된 기준치를 초과하는 경우는 선장의 의도적으로 엑셀레이터를 이용하여 가속을 하려는 상황이거나, 브레이크를 이용하여 감속을 하려는 상황이다. 이와 같은 경우라면, 전술한 바와 같이 선박(100)이 수동모드로 동작하는 것이 효율적이다. 따라서 속도 제어값이 기 설정된 기준치를 초과하는 경우, 모드 판단부(220)는 수동모드로 동작하도록 판단한다. 반면, 속도 제어값이 기 설정된 기준치를 초과하지 않는 경우라면, 선장이 의도적으로 선박(100)을 제어하려는 상황이 아니다. 따라서 속도 제어값이 기 설정된 기준치를 초과하지 않는 경우, 모드 판단부(220)는 자동모드로 동작하도록 판단한다.
모드 판단부(220)가 자동모드로 동작하도록 판단한 경우, 제어부(230)는 선체의 현재 속도값 및 프로펠러의 회전속도값을 이용하여 받음각(Angle of Attack)을 연산한다. 받음각은 단순히 동체에 붙어 있는 날개의 각도를 의미하는 것이 아니라 비행기 진행 속도와 상승, 또는 하강으로 생기는 상대적인 공기의 합성 각도를 의미한다. 프로펠러의 경우, 받음각은 비행기나 선박의 전진 속도와 프로펠러의 회전 속도가 합성된 바람(상대풍, Relative wind)의 각도를 의미한다. 이는 도 3에 도시되어 있다.
도 3은 선체 속도 및 엔진 회전속도와 받음각과의 관계를 도시한 도면이다.
상대풍은 선체의 속도와 프로펠러의 회전속도를 합성한 벡터의 역방향을 의미하며, 받음각은 상대풍과 프로펠러의 회전속도가 이루는 각도를 의미한다. 받음각은 선체속도에 비례하여 선체속도가 커질수록 커지며, 프로펠러의 회전속도에 반비례하여 프로펠러의 회전속도가 커질수록 작아진다. 이처럼, 제어부(230)는 선체의 현재 속도값 및 프로펠러의 회전속도값을 이용하여 받음각을 연산한다.
제어부(230)는 받음각이 기 설정된 범위 내에서 일정하게 유지되도록 프로펠러의 피치각을 제어한다. 제어부(230)가 받음각을 기 설정된 범위 내에서 일정하게 유지하는 이유는 다음과 같다.
Figure PCTKR2017008470-appb-M000001
여기서, ρ는 공기 밀도를, G는 프로펠러 추력계수를, N은 프로펠러의 회전 수를, D는 프로펠러의 직경을 의미한다. 이때, 종래의 항공기는 장거리를 운항하는 항공기로서, 시내를 주행하는 자동차와 같이 가다 서다를 반복하는 것이 아니라, 일정한 궤도에 오르면 지속적인 속도로 주행한다. 따라서 종래의 항공기에 사용되던 (가변피치) 프로펠러 제어장치는 N(프로펠러의 회전수)을 항상 최대로 유지하여 추력을 최대로 갖도록 프로펠러의 피치각을 제어하는 장치이다. 반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박(100)은, 종래의 항공기와는 달리, 속도의 변화가 다양하여 N을 일정하게 유지하는 것은 무리가 따른다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 프로펠러 피치각 제어장치(140)는 G(프로펠러 추력계수)를 최적의 효율을 갖는 값으로 유지함으로써, 선박(100)이 최적의 효율로 운행하도록 한다. 도 1을 참조하여 전술한 바와 같이, 프로펠러(160)는 추력과 양력이 동일한 방향으로 작용하도록 선박에 장착되기 때문에, 프로펠러의 추력계수는 양력계수의 제어에 따라 함께 제어된다. 제어부(230)가 최적의 효율을 갖도록 양력 계수를 제어하는 방법은 도 4와 함께 설명하도록 한다.
도 4는 받음각과 양력 계수 및 항력 계수와의 관계를 도시한 그래프이다.
도 4에 도시된 그래프는 특정 에어포일에 대한 받음각과 양력 계수 및 항력 계수와의 관계를 도시한다. 그래프의 x축은 받음각의 크기를 나타내며, 그래프의 y축은 양력 계수(410, CL), 항력계수(420, CP) 또는 양항비(양력과 항력의 비, 430, L/D)의 크기를 나타낸다. 선박에 작용하는 힘으로서, 양력은 크면 클수록 좋고, 항력은 작으면 작을수록 좋다. 즉, 가장 작은 항력이 발생하며 가장 많은 양력이 발생할 때, 선박은 최적의 효율을 가질 수 있다. 그러나 도 4에 도시된 그래프에서 볼 수 있듯이, 양력이 커짐에 따라 항력도 커지며, 받음각이 특정 값 이상에서는 양력이 커지는 폭보다 항력이 커지는 폭이 증가함을 볼 수 있다. 따라서 양력을 무조건 키우는 것은 바람직하지 않으며, 양항비가 가장 좋은 때가 선박의 효율이 최대가 된다. 도 4에 도시된 그래프 특성을 갖는 에어포일은 받음각이 약 2도(440)일 때, 최적의 양항비를 갖는다. 제어부(230)는 양항비가 가장 좋은 값을 갖는 받음각으로부터 기 설정된 오차를 갖는 범위, 즉, 기 설정된 범위 내에서 일정하게 유지되도록 프로펠러의 피치각을 제어한다. 도 4에 도시된 그래프 특성에 따르면, 제어부(230)는 받음각이 2도 부근으로 일정하게 유지되도록 프로펠러의 피치각을 제어한다.
선체의 속도나 프로펠러의 회전속도가 변화하는 경우, 받음각은 바뀌게 된다. 선장에 의해 또는 선박이 운행하는 장소에서의 유속이 빨라짐에 따라 선체의 속도가 빨라진 경우나 선장에 의해 프로펠러의 회전속도가 감소한 경우, 받음각은 최적의 양항비를 갖는 받음각보다 커져 기 설정된 범위를 벗어날 수 있다. 받음각이 커져 기 설정된 범위를 벗어나는 경우, 제어부(230)는 커진 받음각을 기 설정된 범위 내로 다시 복귀시키기 위해 프로펠러의 피치각을 제어한다. 제어부(230)는 프로펠러의 피치각을 감소시켜 프로펠러의 회전속도를 증가시킴으로써, 커진 받음각을 다시 줄여 기 설정된 범위 내로 유지되도록 제어한다. 반대로, 선장에 의해 또는 선박이 운행하는 장소에서의 유속이 느려짐에 따라 선체의 속도가 느려진 경우나 선장에 의해 프로펠러의 회전속도가 증가된 경우, 받음각은 최적의 양항비를 갖는 받음각보다 작아지며 기 설정된 범위를 벗어날 수 있다. 받음각이 작아져 기 설정된 범위를 벗어나는 경우, 제어부(230)는 작아진 받음각을 기 설정된 범위 내로 다시 복귀시키기 위해 프로펠러의 피치각을 제어한다. 제어부(230)는 프로펠러의 피치각을 증가시켜 프로펠러의 회전속도를 감소시킴으로써, 작아진 받음각을 다시 키워 기 설정된 범위 내로 유지되도록 제어한다. 이처럼, 제어부(230)는 프로펠러의 피치각을 제어하여 받음각을 조정함으로써, 받음각을 최적의 양항비를 갖는 받음각 부근(기 설정된 범위)으로 일정하게 유지한다.
도 4를 참조하여 설명한 바와 같이, 제어부(230)는 프로펠러의 피치각을 제어하기 위한 제어신호를 생성하여 통신부(210)로 전달한다. 통신부(210)로 제어신호를 전달함으로써, 제어부(230)는 통신부(210)가 액추에이터(150)로 제어신호를 전달하도록 제어한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 프로펠러 피치각 제어장치가 프로펠러 피치각을 제어하는 방법을 도시한 순서도이다. 이에 대한 상세한 설명은 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명하였기 때문에, 자세한 설명은 생략한다.
프로펠러 피치각 제어장치(140)는 센서로부터 속도 제어수단의 속도 제어값을 수신한다(S510).
프로펠러 피치각 제어장치(140)는 수신한 속도 제어값이 기 설정된 기준치를 초과하는지 여부를 판단한다(S520).
속도 제어값이 기 설정된 기준치를 초과하지 않는 경우, 프로펠러 피치각 제어장치(140)는 선체속도 감지센서(110) 및 회전수 감지센서(120)로부터 프로펠러의 회전속도 및 선체의 속도값을 수신한다(S530).
프로펠러 피치각 제어장치(140)는 수신한 센싱값을 이용하여 받음각을 연산한다(S540).
프로펠러 피치각 제어장치(140)는 받음각이 기 설정된 범위 내에 진입하도록 프로펠러의 피치각을 제어한다(S550).
도 5에서는 각 과정을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나, 이는 본 발명의 일 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것이다. 다시 말해, 본 발명의 일 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 일 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 도5에 기재된 순서를 변경하여 실행하거나 각 과정 중 하나 이상의 과정을 병렬적으로 실행하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이므로, 도 5는 시계열적인 순서로 한정되는 것은 아니다.
한편, 도 5에 도시된 과정들은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 즉, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등) 및 캐리어 웨이브(예를 들면, 인터넷을 통한 전송)와 같은 저장매체를 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
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Claims (15)

  1. 선박이 최적의 효율로 동작하도록 상기 선박 내 센서로부터 센싱값을 수신하여 프로펠러의 피치각을 제어하는 프로펠러 피치각 제어장치에 있어서,
    상기 센서로부터 프로펠러의 회전속도(RPM: Revolutions Per Minute) 값 및 상기 선박의 속도값을 수신하거나 상기 프로펠러로 상기 프로펠러의 피치각을 제어하는 제어신호를 전송하는 통신부; 및
    상기 프로펠러의 회전속도 값 및 상기 선박의 속도값을 이용하여 프로펠러의 받음각을 연산하고, 상기 받음각이 기 설정된 범위 내에서 일정하게 유지되도록 상기 프로펠러의 피치각을 제어하는 제어부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로펠러 피치각 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 프로펠러는,
    추력과 양력이 동일한 방향으로 작용하도록 상기 선박에 장착되는 것을 특징으로 하는 프로펠러 피치각 제어장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 프로펠러의 받음각은,
    상기 프로펠러의 회전속도 값 및 상기 선박의 속도값을 합성함으로써 연산되는 것을 특징으로 하는 프로펠러 피치각 제어장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 프로펠러의 받음각은,
    상기 프로펠러의 회전속도 값에 반비례하고, 상기 선박의 속도값에 비례하는 것을 특징으로 하는 프로펠러 피치각 제어장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기 설정된 범위는,
    상기 선박에 작용하는 양력과 항력의 비(양항비)가 최대가 되는 받음각으로부터 기 설정된 오차를 갖는 범위 내인 것을 특징으로 하는 프로펠러 피치각 제어장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 통신부는,
    상기 센서로부터 상기 센서가 상기 선박의 속도 제어수단으로부터 센싱한 속도 제어값을 추가로 수신하는 것을 특징으로 하는 프로펠러 피치각 제어장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 속도 제어값이 기 설정된 기준치를 초과하는지 여부에 따라 상기 선박의 동작 모드를 판단하는 모드 판단부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 프로펠러 피치각 제어장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 모드 판단부는,
    상기 속도 제어값이 기 설정된 기준치를 초과하는 경우 수동모드로, 상기 속도 제어값이 기 설정된 기준치를 초과하지 않는 경우 자동모드로 판단하는 것을 특징으로 하는 프로펠러 피치각 제어장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 모드 판단부가 상기 자동모드로 판단한 경우에만 상기 프로펠러의 피치각을 제어하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 프로펠러 피치각 제어장치.
  10. 프로펠러 피치각 제어장치가 선박이 최적의 효율로 동작하도록 상기 선박 내 센서로부터 센싱값을 수신하여 프로펠러의 피치각을 제어하는 방법에 있어서,
    상기 센서로부터 프로펠러의 회전속도(RPM: Revolutions Per Minute) 값 및 상기 선박의 속도값을 수신하는 수신과정;
    상기 프로펠러의 회전속도 값 및 상기 선박의 속도값을 이용하여 프로펠러의 받음각을 연산하고, 상기 받음각이 기 설정된 범위 내에서 일정하게 유지되도록 상기 프로펠러의 피치각을 제어하는 제어과정; 및
    상기 프로펠러로 상기 프로펠러의 피치각을 제어하는 제어신호를 전송하는 전송과정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 프로펠러 피치각 제어방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 프로펠러의 받음각은,
    상기 프로펠러의 회전속도 값 및 상기 선박의 속도값을 합성함으로써 연산되는 것을 특징으로 하는 프로펠러 피치각 제어방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 기 설정된 범위는,
    상기 선박에 작용하는 양력과 항력의 비(양항비)가 최대가 되는 받음각으로부터 기 설정된 오차를 갖는 범위 내인 것을 특징으로 하는 프로펠러 피치각 제어방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 수신과정은,
    상기 센서로부터 상기 센서가 상기 선박의 속도 제어수단으로부터 센싱한 속도 제어값을 추가로 수신하는 것을 특징으로 하는 프로펠러 피치각 제어방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 속도 제어값이 기 설정된 기준치를 초과하는지 여부를 판단하는 판단과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 프로펠러 피치각 제어방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제어과정은,
    상기 판단과정에서 상기 속도 제어값이 기 설정된 기준치를 초과하는 것으로 판단한 경우에만 상기 프로펠러의 피치각을 제어하는 것을 특징으로 하는 프로펠러 피치각 제어방법.
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