선박용 횡동요 저감장치{Apparatus for Reducing Rolling Motion for Ships}

본 발명은 선박의 선측 탱크 내의 선박 평형수(Ballast water)의 흐름을 제어하여 선체의 롤 모션(횡동요)을 저감하는 장치에 관한 것으로 특히, 두 선측 탱크를 연결하는 유관에 발생하는 유량을 이용하여 전기 에너지를 생성하고, 선체는 이러한 댐핑(Damping) 효과에 의해 롤 모션을 저감할 수 있는 댐핑 효과를 이용한 횡동요 저감 장치에 관한 것이다.

해상에서의 선박은 파도에 의해서 필연적으로 횡동요를 일으키게 된다. 이러한 횡동요는 승객이나 승무원에게 불쾌감과 피로 누적의 부담을 주게 됨은 물론 적재된 화물의 전복 등 위험상황을 초래한다.

특히, 기상상태의 악화에 의한 파도의 요동이 커지면 이에 대응하는 횡동요에 의해 선박의 전복이나 정박된 선박들 간의 충돌에 의한 선체의 파손 등, 해상 사고가 발생하게 된다.

따라서, 각종 선박에서는 해당 선박의 특성에 따른 다양한 방식의 횡동요 저감 장치가 설치되는데, 대표적인 횡동요 저감장치로서는 배의 횡동요(Rolling)를 줄이기 위해 선저만곡부(Bilge) 외판에 직각에 가깝도록 선수미 방향으로 길게 붙 이는 부착물로서, 작은 지느러미 모양으로 대략 배길이의 1/3 정도 길이로 붙이는빌즈킬(Bilge Keel)을 비롯하여 핀의 각도를 조정하여 선체의 횡동요 운동에 대한 반대 힘을 발생시키는 핀안정기(Fin Stabilizer)와 선체의 내부에 U 형 수조를 형성하여 횡동요를 억제하는 ART(Anti-Rolling Tank) 등을 들 수 있다.

그런데, 이러한 빌즈킬이나 핀 안정기 및 ART 장치들은 해당선박의 설계 단계에서부터 고려되어 선박을 건조 완료할 때까지 그 정밀성을 유지하면서 선체에 일체로 설치되기 때문에, 그 제작 및 설치가 매우 까다롭고, 설치 후에도 유지보수 및 관리가 어려우며, 과도한 동력을 사용해야 하는 문제점이 있었다.

또한 그 구조적인 특성상 설치비용이 고가로 형성되어 선박 제작비용의 부담이 가중되는 문제점이 있었다. 특히, ART의 경우에는 선체의 공간을 불필요하게 많이 차지하면서 그 설치 및 유지 관리의 어려움이 크며, 제작비 또한 상당히 고가라는 단점이 있다.

또한 이러한 종래의 횡동요 저감장치들은 그 구조 및 규격이 설계단계에서부터 해당선박의 규모에 한정되기 때문에 설계변경에 따른 선박의 규모가 가변되면, 이에 대응할 수 없다는 취약점이 있었다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 배경하에서 안출된 것으로서, 본 발명의 기술에서는 선박의 선박 평형수 이동에 의한 Free surface motion 효과로 롤(Roll) 주기를 감소시키고, 평형수가 이동 시에 이의 흐름을 저해하는 발전 장치를 설치하여 궁극적으로는 선체의 롤링 운동 에너지 일부를 전기 에너지로 변환함으로써 롤 운동을 감쇄시키는 역할을 하여 횡동요를 저감하는 횡동요 저감장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 유량의 흐름을 제어하고, 유량의 흐름을 전기 에너지로 변환하는 역할을 하며, 양방향 회전이 가능한 프로펠러 또는 터빈 장치,

상기 프로펠러 또는 터빈 장치에 연결되어 발전하며, 제어 장치로부터 정보들 받아 프로펠러의 저항도를 제어하며, 상기 프로펠러와 마찬가지로 양방향 회전에 대해 발전이 가능한 발전 유닛;

덕트의 형태를 가지며, 설치 공간과 선박의 크기, 복원성 등을 고려하여 크기를 정하는 유량 덕트 또는 도관; 및

주로 발라스트 수가 되며, 선체의 양측에 설치된 유량을 저장하는 탱크; 및

선폭이 최대에 이르는 중앙부에서 선체의 롤 운동에 의한 영향도가 가장 큰 선체 중앙부로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면 선체가 롤링 모션을 함에 따라 탱크 내의 평형수는 유관을 따라 이동하게 되는데, 이는 마치 자유 표면수 효과를 일으켜 선박의 롤 주기를 늘이게 된다. 동시에 유량이 흐르는 것을 발전 유닛을 통해 막음(damping)으로써 선체의 롤 주기와는 다른 주기로 유체가 이동을 함으로써 결국 선체 롤링을 저감하는 효과를 얻을 수 있다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예의 횡동요 저감장치에 대해 구체적으로 설명한다.

본 발명을 구체적으로 설명하기 전에 횡동요에 대해 이론적으로 설명한다.

즉, 선박의 복원 모멘트 = Displ × GZ

여기서 Displ : 선박의 변위, GZ : 선박의 복원 암(arm)

여기서 선박의 복원 암 GZ 는 근사적으로 GZ = GM _T × sin θ

θ : 선박의 횡경사각

GM : 선박의 무게중심으로부터 Metacentricheight(배의 중력 중심과 배의 경심(傾心) 사이의 거리)까지의 수직 거리

선체 내 유체의 자유 이동으로 인한 자유표면효과의 복원력 감소 효과는

상기 식을 종합해볼 때에 선박의 횡경사시 유체의 이동은 GG'값을 증가시키 고, 이는 곧 선박의 복원 암 감소를 가져오게 된다.(달리 말하면 GM값의 감소)

선박의 롤링 주기 T는

유체의 폭방향 자유이동은 복원력을 감소시키고, 횡동요 주기를 길게 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 횡동요 저감 장치의 사시도이다. 본 발명의 장치는 도면에 도시한 바와 같이, 발전 유닛(2)에 연결되어 유량의 흐름을 제어하고, 유량의 흐름을 전기 에너지로 변환하는 역할을 하며, 양방향 회전이 가능한 프로펠러 또는 터빈 장치(1), 상기 프로펠러 또는 터빈 장치(1)에 연결되어 발전하며, 도시하지 않은 제어 장치로부터 정보들 받아 프로펠러의 저항도(뻑뻑함)를 제어하며, 상기 프로펠러와 마찬가지로 양방향 회전에 대해 발전이 가능한 발전 유닛(2), 덕트의 형태를 가지며, 설치 공간과 선박의 크기, 복원성 등을 고려하여 크기를 정하는 유량 덕트 또는 도관(3), 주로 발라스트 수가 되며, 선체의 양측에 설치된 유량을 저장하는 탱크(4), 선폭이 최대에 이르는 중앙부에서 선체의 롤 운동에 의한 영향도가 가장 큰 선체 중앙부(5)로 구성된다.

도 1은 또한 탱크(4)를 잇는 유관인 파이프라인 모식도로서, 여러 개의 파이프 라인이나 직육면체 형태의 덕트 등 양 탱크 사이에 유량이 소통하게 하는 모든 방법이 가능하다.

고안된 장치의 탱크(4)의 양방향 유체는 얼마나 자유롭게 폭 방향으로 이동 가능한가에 따라 자유 표면 효과가 변한다. 이는 즉, 횡동요 주기의 조절을 가능하게 한다. 프로펠러(1) 또는 터빈은 유관(3)을 이동하는 유체의 흐름을 이용하여 발전을 하게 되는데, 이때 프로펠러의 저항도(damping)를 제어하는 것이 발전 유닛이다. 프로펠러 축에 연결된 기어를 변경시킴으로써 프로펠러의 회전을 고속 회전 또는 저속회전으로 변환시키는데, 이 회전력이 발전에 사용되므로 고속회전 변환시에는 프로펠러(1)가 더 큰 저항을 받게 된다.

이와 같은 원리로 프로펠러의 저항(damping)이 클 때에는 자유수 이동에 의한 GM저감 효과(이하 표면효과)가 적어지고, 저항이 작을 때에는 상대적으로 빠르고 자유롭게 이동 가능하므로 자유표면효과가 커질 것이다. 선박의 화물 적재 상태에 따라 지나치게 높은 복원력을 갖고 있으면 선박의 횡동요 주기도 짧아져 선원에게 승선시 불쾌감을 주고, 데크 상부에 있는 화물이 심한 가속력을 받아 떨어지기도 한다.

본 발명의 장치는 이러한 선박복원 특성을 발전장치의 제어 유닛을 이용하여 제어함으로써 자유표면 효과로 지나치게 짧은 횡동요 주기를 늘이고, 파도 에너지에서 기인하는 유체의 이동에서 전기에너지를 생산함으로써 선체의 횡동요 운동 자체를 저감하는 효과를 갖게 된다.

도 2는 본 발명의 개요를 나타내는 흐름도이다.

처음에 S10 단계에서 선박 LCS(Loading Computer System) 선박 초기 GM 및 화물 적재 상태 정보인 계측장비로부터의 정보를 입수한다. 이어서 S20 단계에서 선박의 GM을 계측한다. 선박의 GM이 임계적으로 낮은 경우 유관 밸브를 닫음으로 써(S30) GM 감소 효과가 없어진다(S40). 상기 단계 S20에서의 계측결과 GM이 높은 경우, 로우 댐핑(즉, 저속 기어)을 하고, 그러면 유관의 유량 이동이 증가(S60)하고, GM이 대량 감소하여(자유표면효과가 나타나고)(S70), 선박의 횡동요 주기가 증가하고(S80), 또한, 상기 단계 S20에서 GM이 낮은 경우, 하이 댐핑(즉, 고속 기어)을 하면(S90), GM이 소량 감소(S100)하게 되는데, 이러한 절차를 거쳐서 선박의 힐 앵글(Heel angle)을 계측하고, 횡동요 주기를 계측한다(S110). 그런데 상기 단계S50, S60, S70, S80, S90, 및 S100의 단계에서 발전 유닛을 통해 전기 에너지를 생산함으로써 선박의 롤링을 저감하여, 선박의 횡동요 운동이 감소하게 된다(S120). 상기 단계S110에서의 선박의 힐 앵글을 계측하고, 횡동요 주기를 계측하고 다시 단계S10으로 복귀하여 순환적인 동작을 지속한다.

도 3은 본 발명의 발전 유닛에 의해 회전 저항력이 발생되는 기어 구조를 도시한다.

발전 유닛 기어(10)가 큰 기어로 프로펠러 기어(30)에 물리면 로우 댐핑 모드로서 유량의 흐름에 의해 발생한 프로펠러 축(40)의 회전 운동이 무리없이 전달된다.

이와는 달리 발전 유닛(2; 도1)의 기어(10)가 작은 기어가 프로펠러 기어(30)에 물리면 하이 댐핑 모드로서 상대적으로 고속으로 발전기를 구동해야 하기 때문에 축(10')에 큰 힘이 걸리게 된다. 이렇게 발전 유닛(2)은 기본적으로 발전 유닛의 박스안에 설비된 기어축을 변경함으로써 유량에 대응하는 회전 저항력을 조절할 수 있다.

도 4는 도 3의 기어 구조를 보다 구체적으로 도시한 도면이다. 발전기 축(20)의 회전 속도를 조절하여 궁극적으로는 이에 연결된 터빈 장치 또는 프로펠러의 뻑뻑함을 조절하며, 발전 장치에 연결되어 회전 운동을 전기 에너지로 변환한다. 도면에서 20'는 터빈 장치 또는 프로펠러에 연결된 축으로서 유량의 이동을 회전 운동으로 변환시킨다.

도 5는 도 2의 발전 유닛을 보다 구체적으로 도시한 도면으로서, 발전 유닛(2)은 터빈 또는 프로펠러 등이 장착되어 유량이 지나갈 시에 이를 회전운동으로 바꾸고 다시 이를 전기 에너지로 바꿈으로써 선박의 횡동요를 저감한다. 6은 리버서블 펌프로서 선박의 평형 유지시에 사용한다. 7은 잠금 밸브로서 필요시 유량의 흐름을 제어한다. 3은 유관 즉, 파이프라인으로서 하나 또는 그 이상의 파이프 라인 또는 유량이 지날 수 있는 모든 형태의 통로가 가능하다.

도 5a는 롤링의 처음 발생시 본 발명의 장치의 상태를 도시한 도면이다. 롤링의 발생시 선박의 기울어짐에 따라 압력차가 발생하고 이것이 유관을 통해 유량의 흐름을 발생시키게 되며, 발전 유닛(2)을 작동시켜서 전기에너지를 발생시킨다. 기울어진 쪽의 유량은 적절한 양으로 흐르도록 제어되며, 발전유닛(2)의 댐핑 효과에 의해 천천히 증가한다.

도 5b는 선박의 횡방향 복원력에 따른 반대쪽의 롤링 시의 본 발명의 장치를 도시한 도면이다. 도시한 바와 같이 선박의 횡방향 복원력에 의해 반대쪽 롤링 운동이 시작된다. 이번에는 반대 방향으로의 유량이 발생하고, 이것 또한 전기 에너지를 발생시키는데 사용된다. 이 유량 불균형은 발전 유닛의 댐핑 효과에 의한 롤 주기와 시간차를 가지게 되는데 이것이 롤 모션을 저감하는 역할을 한다.

지금까지 설명한 본 발명에 의하면, 선체가 롤링 모션을 함에 따라 탱크 내의 평형수는 유관을 따라 이동하게 되는데, 이는 마치 자유 표면수 효과를 일으켜 선박의 롤 주기를 늘이게 된다. 동시에 유량이 흐르는 것을 발전 유닛을 통해 막음(damping)으로써 선체의 롤 주기와는 다른 주기로 유체가 이동을 함으로써 결국 선체 롤링을 저감하는 효과를 얻을 수 있다.

지금까지 본 발명을 일 실시예를 참조로 하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 이하의 부속 청구범위의 사상 및 영역을 일탈하지 않는 범위내에서 당업자에 의해 여러 가지로 수정 및 변형실시될 수 있으며, 이와 같은 수정 및 변경은 본 발명의 영역 내에 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 횡동요 저감 장치의 사시도이다.

도 2는 본 발명의 개요를 나타내는 흐름도이다.

도 3은 본 발명의 발전 유닛에 의해 회전 저항력이 발생되는 기어 구조를 도시한다.

도 4는 도 3의 기어 구조를 보다 구체적으로 도시한 도면이다.

도 5는 도 2의 발전 유닛을 보다 구체적으로 도시한 도면이다.

도 5a는 롤링의 처음 발생시 본 발명의 장치의 상태를 도시한 도면이다.

도 5b는 선박의 횡방향 복원력에 따른 반대쪽의 롤링 시의 본 발명의 장치를 도시한 도면이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1: 프로펠러 2: 발전 유닛

3: 유량 덕트 4: 탱크

5: 선체 중앙부 6: 리버서블 펌프

7: 잠금 밸브 10: 발전 유닛 기어

20: 발전기 축 30: 프로펠러 기어

40:프로펠러 축