해양선박 추진장치 및 해양선박추진장치의 운전방법{MARINE VESSEL PROPULSION ARRANGEMENT AND METHOD OF OPERATIONG A MARINE VESSEL PROPULSION ARRANGEMENT}
해양선박에 대한 추진시스템의 설계에 있어서 일반적인 목표는, 몇가지만 들면, 양호한 효율, 신뢰도, 내구성 및 양호한 저속조향 가능성등을 들 수 있다. 어떤 특징을 강조할 것인가에 대하여는, 적용분야에 따르게 된다. 예를 들어, 소위 로팩스(ROPAX: Roll On/Roll Off Passenger) 선박에 있어서는, 하나의 추진시스템을 제공할 필요가 있는데, 말하자면 25노트이상의 순항속도에서 효율적이어야 하고, 양호한 항구접안성을 가져야한다. 종래의 기계적인 구동축 추진방식 대신에 소위 포드(Pod)구동과 같은 애저머딩추진(Azimuthing Propulsion)구동방식을 사용하는 것이 제안되어 왔다. 이것은 EP 590867 호에 개시되어 있는데, 여기에서는 추진장치가 회동가능한 구동유니트로 구성되며, 그의 내부에는 선박의 추진모우터로서 기능하고 구동유니트의 끝단에서프로펠러에 접속되는 전기모우터가 있다. 포드구동은 방위각 제어가능성을 가지는 탄력적인 방식이라는 점에서 바람직하며, 또한 이것은 주엔진의 위치에 있어서 자유도를 제공한다. 그러나, 포드구동은 비용이 많이 들며 전력 트랜스미션은 상당한 전달손실을 일으키곤 한다. 기계적인 프로펠러구동은 비용이 낮으며, 간단하며 전달손실이 실질적으로 낮다고 하는 장점을 가진다. 그러나, 기계적인 프로펠러는 마찬가지로 단점도 있다. 추진효율이 원하는 바와 같이 양호하지도 않으며, 특히 제어가능한 피치프로펠러를 사용할 때, 저속조건하에서는 압력측 캐비테이션(cavitation: 추진기등의 뒤에 생기는 진공현상)에 대한 위험성도 있게 된다. 이는, 낮은 피치로 프로펠러를 구동할 때 일어나며, 높은 회전속도 조건에서는 프로펠러날개의 표면에서 국부압력의 저하가 있게 된다. 또한 조향성도 실질적으로 빈약하다. 일반적인 레벨에서의 포드구동과 기계적인 프로펠러구동의 조합이, 라이모 헤메레이넨에 의하여 "쾌속 로팩스선박의 유체역학(Hydrodynamics of fast ropax vessel)"이라고 하는 논문에서 제안되었다. 제안된 조합은 몇가지의 이점이 있는 것으로 생각되어 왔다. 그러나, 이 해법은, 특히 저속/조향운전에 있어서는 그다지 최적의 해법은 아닌 것으로 판명되었다. 비록 이러한 제안은 일반적으로는 바람직해보였으나, 아직까지 해결해야 할 실제적인 문제들이 있다.
본 발명은 청구항 1의 서문에 따른 해양선박 추진시스템에 관한 것이다. 본 발명은 또한 청구항 8의 서문에 따른 해양선박 추진시스템의 운전방법에 관한 것이기도 하다.
이하에서, 예시적인 방식으로 첨부된 도면을 참조하여 본원발명을 기술한다. - 도 1은 통상운전 상태에서의 본 발명에 따른 추진시스템의 한 실시예를 모식적으로 나타낸 도면, - 도 2는 저속/접안운전시에 있는 도 1에 따른 추진시스템을 나타낸다.
본 발명의 목적은 이러한 종래기술에 있어서의 단점을 최소화한 해양선박 추진 시스템 및 해양선박 추진시스템의 운전방법을 제공함에 있다. 특히, 본 발명으목적은 해양선박 복합형 추진시스템 및 해양선박의 추진시스템의 운전방법을 제공함으로써, 전체적으로 양호한, 특히 저속/조향운전 효율성을 실현하고, 또한 추진진동 및 소음레벨을 감소하는 것이다. 본 발명의 목적은 청구항 1, 8 및 기타 청구항에 명확하게 개시된 바에 따라 이루어질 수 있다. 본 발명의 한 바람직한 실시예에 따르면, 그의 선미 부분에 추진력을 발생하는 엔진 시스템과 복수개의 추진수단을 포함하여 구성되며, 조향동작이 가능한 적어도 2개의 추진장치 및 제어가능한 피치프로펠러를 가지는 적어도 한 개의 축구동 프로펠러 구동장치의 조합을 포함하며, 실질적으로 페더링(feathering) 조건에 적응가능한 해양선박 추진시스템에 의하여 본 발명의 목적이 이루어진다. 본 발명의 하나의 바람직한 실시예에 따르면, 조향가능한 적어도 2개의 추진장치는 가변 또는 고정피치 프로펠러 시스템이 마련될 수 있는 애저머딩 추진장치이다. 애저머딩 추진장치는 바람직하게는 전기모우터에 의하여 추진력이 발생하며, 전력은 피스톤엔진 발전기셋트에 의하여 공급된다. 축구동 프로펠러 구동장치는 기어시스템 또는 그와 유사한 수단에 의하여 피스톤 엔진에 기계적으로 접속된다. 본 발명에 따른 추진시스템은 상이한 운전모드, 즉, 특히 통상/순항속도 운전모드 및 저속/접안 운전모드에 따라서 상이하게 구동되도록 장착된다. 통상/순항속도 운전모드에서는 적어도 2개의 애저머딩 추진장치 및 적어도 한 개의 축구동 프로펠러 구동장치가 선박을 움직이기 위한 추진력을 발생하도록 채택된다. 저속/접안 운전모드에서는 선박을 움직이기 위한 추진력을 발생하도록 적어도 2개의 애저머딩 추진장치만이 채택된다. 이러한 방식으로 접안동작이 보다 유리해진다. 선박의 조향은 조향동작이 가능한 적어도 2개의 추진장치, 즉 애저머딩 추진장치의 수단에 의해서 항상 이루어진다. 축구동 프로펠러 구동장치의 프로펠러 날개의 피치각(Pitch angle)은, 축구동 프로펠러 구동장치의 축의 법선(法線)에 관하여 ±80°내지 100°인 각에 있도록 조정된다. 이는, 실제적으로 프로펠러의 날개들이 선박의 세로방향 축에 실질적으로 평행해질 때까지 어느 한쪽 방향으로 회전한다는 것을 의미한다. 회전방향은 유속의 저항이 최소화되도록 날개의 형상에 따라 선택될 수 있다. 바람직하게는 엔진시스템은 기어 및 프로펠러 구동축을 엔진에 결합하고 해제위치로 이동가능한 커플링수단을 포함하여 구성된다. 이는 프로펠러가 페더링조건하에 있을 때 구동축으로의 동력의 전달을 사전에 정지하는 효과를 가진다. 프로펠러 구동장치에 커플링수단을 마련함으로써 동력전달이 해제되었을 때에도 엔진의 작동을 유지할 가능성이 있도록 한다. 그러나, 예를 들면 불필요한 배기가스의 배출을 감소하기 위하여 엔진을 정지하는 것이 유리하다. 선미에 조향동작이 가능한 적어도 2개의 추진장치 및 제어가능한 피치프로펠러를 가지는 적어도 한 개의 축구동 프로펠러 구동장치를 포함하여 구성되는 해양선박 추진시스템의 운전방법에 따르면, 통상/순항속도에서는 추진용 추력(推力)이 축구동 프로펠러 구동장치 및 조향동작이 가능한 추진장치에 의하여 제공된다. 조향용 추력은 조향동작이 가능한 추진장치에 의하여 제공되며, 축구동 프로펠러 구동장치의 추력은 주로 프로펠러 피치각도를 조정함으로써 조정된다. 또한 저속 및/또는 항구접안시에는 축구동 프로펠러 구동장치가 페더링으로 조정되고 프로펠러로의 동력의 전달이 중지된다. 이는 축구동 프로펠러의 피치각을 조정함으로써 달성된다. 엔진시스템으로부터 프로펠러 구동장치로의 동력의 전달이 정지되는 동안, 조향동작이 가능한 적어도 2개의 추진장치는 운용상태로 유지된다. 축구동 프로펠러 구동장치로의 동력의 전달은 엔진을 축구동 프로펠러 구동장치의 축으로부터 해제함으로써 중지되며, 또는 기어시스템이 없는 단일엔진의 경우에는, 프로펠러를 페더링으로 조정하기 전에 엔진을 정지시킴으로써 중지된다. 구동축 프로펠러 구동장치의 프로펠러 피치각은 바람직하게는 +80-100° 또는 -80-100°로 조정된다. 조향동작이 가능한 적어도 2개의 추진장치는 바람직하게는 전기모우터에 의하여 동력이 부여되며, 하나 또는 그 이상의 피스톤엔진 발전기셋트에 의하여 모우터로 동력이 부여된다. 저속 및/또는 항구 운전시에는 피스톤 엔진 발전기의 피스톤엔진은, 바람직하기로는 실질적으로 상기 추진장치의 동력소비와는 독립적으로, 아이들링 속도보다 높은 속도로, 실질적으로 최대유효속도로 운용된다. 이러한 방식으로 엔진은 동력의 요구 및 선박의 일반적인 속도와는 관계없이 최적의 환경에서 운용될 수 있다. 본 발명은 종래의 기술에 대하여 여러 가지 장점을 제공한다. 제일 먼저, 본 발명의 추진시스템은 종래의 디젤-전기 추진시스템에 비하여 낮은 투자비용을 요한다. 또한, 고속선박에 대한 탁월한 추진효율뿐 아니라 탁월한 항구접안특성을제공한다. 본 발명에서, 저속/접안운전시에 엔진은 최적의 조건으로 운전될 수 있으며, 축구동 프로펠러 구동장치의 캐비테이션의 위험이 없다. 또한 본 발명의 장점중의 하나는 시스템에 접속된 디젤발전기 셋트의 수가 부하요구에 따라서 가변적이라는 점, 즉 엔진들은 시동 및 정지가 될 수 있다는 점이다. 이러한 방식으로 엔진의 부하가 최적의 상태에 근접하게 유지될 수 있다.
도면에 있어서, 참조부호(1)는 선박의 선체를 나타내며 그의 선미쪽만을 나타내었다. 선박에는 다수개의 피스톤엔진 발전기 셋트(2.1) 및, 축구동 프로펠러 구동장치(3)에 기계적으로 접속된 다수개의 피스톤 엔진(2.2)을 가지는 엔진시스템(2)이 마련된다. 축구동 프로펠러 구동장치(3)는, 프로펠러 구동장치(3)의 구동축(5)에 엔진(2.2)을 접속하는 클러치(4)와 기어를 포함하여 구성된다. 구동축의 바깥끝단에는 그곳에 접속된 프로펠러(6)가 있다. 축구동 프로펠러 시스템 구동장치(3)는 제어가능한 피치프로펠러(6) 및 그 피치각 A을 조정하기 위한 장치(7)를 가지며, 도면에는 매우 모식적으로만 나타내었다. 피치각을 조정하기 위한 장치(7)는 공지의 유압 또는 기계적으로 작동되는 상업적으로 이용가능한 시스템일 수 있다. 그러나, 피치각 조정장치(7)는 프로펠러의 피치를 페더링조건에 대하여 조절가능하도록 하는 것이다. 실제적으로, 이는 프로펠러 날개를 회전하기 위한 기계부분이 날개를 통상의 피치조정보다 더 큰 각도로 회전도록 허용하는 것을 의미한다. 이는 도 2를 참조하여 보다 상세하게 후술한다. 피스톤엔진 발전기셋트(2.1)는 전력을 발전하여 네트웍(8)으로 공급하며, 전력은 그를 통하여 포드구동 유니트(9)와 같은 조향동작이 가능한 추진장치로 전달될 수 있다. 포드구동 유니트(9)는 도면에서 화살표로 묘사한 바와 같이 그의 축주위로 회동가능하다. 이러한 특징은, 포드유니트(9)가 조향장치로서 작동하고 축구동 프로펠러구동장치(3)는 어떠한 조타시스템도 가지지 않도록 본 발명에서 이용될 수 있다. 축구동 프로펠러 구동장치(3)는 선체의 중심선상에 위치한다. 축구동 프로펠러 구동장치가 복수개 있는 경우에는 이들을 선체(1)의 중심선에 대하여 대칭으로 위치시키는 것이 바람직하다. 도면에는 조향작용이 가능한 2개의 추진장치, 즉 포드구동장치(9)들은 축구동 프로펠러 구동장치(3)의 양측에 위치하고 축구동 프로펠러 구동장치(3)의 프로펠러(6)와 실질적으로 동일한 길이방향의 위치에 있게 된다. 통상의 순항속도 조건에 있어서는, 축구동 프로펠러 구동장치(3) 및 포드구동장치(9)들은 선박을 움직이기 위한 추진력을 발생하는데 사용된다. 포드구동장치(9)들은 가변속도 프로펠러 시스템이 마련되어 있으며, 포드구동장치(9)의 추진력은 이들의 프로펠러의 회전속도를 제어함으로서 조정된다. 추진력은, 제어가능한 피치프로펠러가 마련된 경우에는, 프로펠러의 피치각을 제어함으로써도 제어될 수 있다. 축구동 프로펠러 구동장치(3)의 추진력은 주로 프로펠러 피치각을 조정함으로써 조정된다. 자연히, 엔진속도를 조정함으로써 회전속도를 조정하는 것이 가능하다. 더 양호한 조작성이 필요로 하고 속도가 저속인 경우의 운전중에 있어서는, 포드구동장치(9)만이 추진에 사용된다. 이러한 운전모드에 있어서는, 유속저항이 실질적으로 감소되도록 구동축 프로펠러 구동장치의 피치각이 조정된다. 이 상황을 도 2에 나타내었다. 이러한 방식으로 전체적인 효율이 증가될 수 있다. 바람직하게는, 축구동 프로펠러 구동장치(3)의 피치각 (A)은 프로펠러가 페더링되도록 조정될 수 있다. 페더링 또는 페더링 조건이라 함은, 날개의 선두 가장자리 및 뒤쪽 가장자리사이의 직선인 현(弦)들이 물의 유선(流線) 또는 선박의 세로방향 축선과 대략 평행이 되도록 날개의 각도 (A)가 위치되는 것을 의미한다. 날개의 각도(A)라 함은 구동축의 법선과, 날개의 선두 가장자리 및 뒤쪽 가장자리를 연결하는 직선의 평균방향 사이의 각도를 의미한다. 저속/접안 운전으로 전환할 때에는, 먼저 축구동 프로펠러 구동장치(3)에 대한 동력의 공급이 정지되는데, 이는 클러치(4)를 해제위치로 이동함으로써 달성된다. 동력전달을 정지시킨 후, 구동장치(3)의 프로펠러는 페더링 조건으로 조정된다. 이러한 방식으로 저속/접안운전용 추진시스템에 대한 유용한 특성을 얻는 것이 가능하다. 포드구동장치(9)들은 피스톤엔진 발전기셋트(2.1)의 피스톤엔진들이 아이들링 속도보다 큰 속도, 상기 추진장치(9)의 동력소비와는 실질적으로 독립적으로 최고유효 일정속도에서 운용되도록 유지된다. 이는, 전체 동력의 발생량이 포드구동장치(9)의 실제의 요구양보다 크게 될 수 있음을 의미한다. 또한 엔진시스템(2.2)을 차단하는 것이 유리하다. 본 발명에 따르면, 이러한 운전모드에서 엔진시스템(2)이 가장 유리한 방식으로 운용되어 배기가스가 적고 선체구조에 진동이 적게 된다.
본 발명은 예시된 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구의 범위내에서 다수개의 변형이 가능하다. |
