KR100761107B1 - 고속 해양 선박, 특히 함선용 추진 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고속 해양 선박 특히 함선에 사용되는 추진 시스템에 관한 것으로, 상기 추진 시스템은 물을 위한 배출 노즐을 구비한 펌프 조립체에 의해 생성되는 하나 이상의 워터젯과 하나 이상의 프로펠러에 의해 생성되는 프로펠러젯에 의해 구동되는 추진 시스템을 포함한다. 워터젯은 상기 펌프 조립체의 하류로 안내되는 가스, 특히 전력 생성 장치 및 발생기를 포함하는 하나 이상의 구동 장치의 배출가스를 따라 운반한다. 상기 워터젯은 예를 들어 발생기 조립체에 의해 구동 동력이 생성되고, 예를 들어, 전기 모터에 의해 구동되는 펌프에 의해 하나 이상의 워터젯 드라이브 안에서 생성된다.

Description

고속 해양 선박, 특히 함선용 추진 시스템{PROPULSION SYSTEM FOR A FAST SEAGOING SHIP, ESPECIALLY A NAVAL SHIP}

본 발명은 고속 해양 선박용 추진 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배출 노즐(oulet nozzle)을 구비한 펌프 조립체 안에서 생성되는 하나 이상의 워터젯(water jet)과 바람직하게는 하나 이상의 프로펠러에 의해 생성되는 프로펠러젯(propeller jet)에 의해 구동되는 추진 시스템을 구비한 함선에 대한 것이다.

본 발명의 목적은 고속 해양 선박, 가능하게는 승객 운송 선박 또는 로팍스 페리(RoPax ferry) 및 특별하게는 함선용 추진 시스템을 특정하는 것으로, 이는 지금까지 공지된 시스템과는 달리 배출 항적을 방지할 수 있고 예를 들어 적외선 센서 및 시각 센서와 같은 공지된 센서를 사용하여 선박의 위치를 찾는 것을 심각하게 방해하거나 방지할 수 있다.

워터젯 및 프로펠러에 의해서 구동되는 추진 시스템을 갖춘 고속 해양 함선에 대한 제안들은 예를 들어, 2001년 9월에 발간된 해양포럼 잡지(magazine Marineforum) 제76호의 8페이지에 군터 구세크에 의해 쓰여진 "Kommt die Fregatte der Zukunft aus Deutschland?"(미래의 프리깃함은 독일에서 나올것인가?)라는 기사에 공지되어 있다.

그러나 예를 들어, 또한 인터넷- 롤스 로이스 컴퍼니로부터 제공된 정보 -에 공지된 지금까지의 계획들은, 특히, 워터젯에 의해서 구동되고, 저-발산 또는 발산이 없는 고속 해양 선박이 어떻게 형성되어야 하는지에 대하여 나타내고 있지 않다. 특히 그러한 선박의 바닥의 유동 가이드는 기존의 제안들에는 나타나 있지 않다.

상기 언급된 목적은 워터젯이 펌프 조립체의 하류로 안내된 가스, 특히 동력 생성 장치 및 제너레이터를 포함하는 하나 이상의 구동 장치의 배출가스를 운반함으로써 달성된다. 워터젯은 예를 들어, 전기 모터에 의해서 구동되거나 또는 디젤 엔진 또는 가스 터빈에 의해 직접 구동되는 펌프에 의해 하나 이상의 워터젯 드라이브 안에서 생성되고, 그 동력은 예를 들어 제너레이터 조립체에 의해 생성된다.

본 발명에 따른 해법은 물 속으로 배출가스가 직접 안내되도록 하는데, 이는 특히 바람직하다. 이에 따라 공지된 배출 항적이 발생하지 않고 따라서, 적외선 센서 또는 시각에 의해 위치가 식별되지 않는다. 바람직하게 이는 또한 전 부하 조건, 즉 최대 속도에서 작동하는 동안에도 적용된다. 배출 스택(exhaust stack)의 전형적인 소음이 또한 사라진다. 그 결과, 배출가스는 워터젯 추진 유닛을 구동하기 위한 디젤 유닛, 가스 터빈 유닛, 증기 터빈 또는 조립된 구동 유닛으로부터 발생할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 가스는 펌프를 갖춘 펌프 조립체로부터 워터젯 출구 지역의 저압 영역에서 워터젯으로 공급된다. 따라서, 유용하게도 배출가스를 배출하기 위해 사용되어야 하던 보조 동력이 필요없고, 관련된 조립체도 필요하지 않게 된다. 이는 가스 터빈 및 제너레이터를 포함하는 제너레이터 조립체에 있어서, 배압으로 인해 가스 터빈의 효율이 떨어지지 않기 때문에 특히 바람직하다. 따라서, 가스 터빈으로부터 나오는 배출가스가 대기 속으로 자유롭게 발산되는 때와 비교하면 저수준 효율보다 다소 높은 효율을 이룰 수 있다.

본 발명의 추가 실시예에서, 워터젯은 선박 바닥부에 대하여 하향 각도로 물속으로 발산한다. 그 결과 어떠한 동력 발생기 유닛, 예를 들어, 증기 터빈 유닛 또는 연료 전지 유닛의 디젤 리포머의 배출가스가 물 안으로 향할 수 있다. 이는 물속에서 운반되는 가스가 잘 분산되도록 하고, 또한 배의 바닥부와 워터젯 사이의 마찰이 거의 없도록 한다는 점에서 바람직하다.

본 발명의 개선점에서 가스 버블은 바람직하게는 워터젯에 의해서 형성되고 가스 버블은 대부분 선박의 바닥부 아래에서 분사된다. 이는 가스 버블이 선박의 고물 뒤로 안내되고, 이곳에서 상기 가스 버블은 소용돌이치는 외측 유동 안으로 용해되어, 그 결과 배출가스의 위치를 인식할 수 없게 된다는 것을 의미한다. 예를 들어, 메가요트의 후미 갑판 위의 승객은 배출가스를 인식할 수 없다.

또한, 가스 버블은 다소 선박의 측면에서 발생하도록 제공된다. 이는 또한 선박의 측면에서의 마찰을 바람직하게 감소시킬 수 있다.

추진 시스템의 실시예에는, 워터젯 추진 유닛에 추가하여, 유용하게는 2개의 프로펠러, 바람직하게는 전기 방향타 프로펠러들 추진 유닛이 제공되고, 워터젯과 가스 버블은 대체로 프로펠러들 사이의 중앙에서 선박의 바닥부 아래로 나오도록 제공된다. 따라서, 2개의 전체적으로 다른 추진 요소의 배열에도 불구하고, 후미에 배열된 추진 요소의 소자들에서 좋은 유동이 이루어진다. 그 결과, 프로펠러들, 가능하게는 전기 방향타 프로펠러들은, 가스 버블/물 혼합물 안에서 앞쪽으로 가도록 형성되는 것이 바람직하다. 이는 추진 시스템의 전체 효율성을 바람직한 수준으로 이끈다.

추진 시스템의 물/가스 혼합물은 바람직하게는 선박의 중앙 섹션에서 생성되고, 대체로 선박의 중앙 섹션으로부터 선박의 바닥부를 따라 후미로 나온다. 본 발명에 따라 가스 버블은 상대적으로 긴 거리를 지나 물과 바람직하게 혼합될 수 있다. 또한, 개별적인 추진 요소들은 공간적으로 서로 상대적으로 멀리 떨어져 있는 장점이 있다. 예를 들어 함선의 경우, 이로 인해서 공격시 추진 시스템의 안정성이 증가한다.

또한, 물/가스 혼합물은 각 순간 자체가 회전하여 솟아오르는 가스 버블을 형성하는 다중 제트 헬리컬 유동(multijet hellical flow)으로 형성되는 것이 또한 바람직하다. 그 결과, 선박의 항적에서 가스의 분산이 특히 잘 이루어질 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서 물/가스 혼합물은 다중 제트 팬 유동(multijet fan flow)으로서 형성된다. 이와 같은 실시예에서는, 특히 선미 유동의 마찰이 적으며, 펌프 조립체가 선박의 바닥부로부터 짧은 거리만큼 돌출된다. 이러한 설계는 특히 스피드보트 또는 소해정과 같은 상대적으로 작은 유닛에 유용할 뿐 아니라 메가요트 등에도 유용하다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 워터젯 생성 유닛이 추진 시스템에 제공되고, 이는 특히 워터젯으로 가스, 특히 배출가스를 공급하기 위해 챔버, 바람직하게는 동축 배출 노즐 세그먼트(KADS; (獨) koaxian Abgasdusensegmentes; (英) coaxial exhaust nozzle segment)를 구비한다. 이때 가스는 챔버의 저압 영역으로 공급되는 것이 바람직하다. 그 결과, 가스, 특히 배출가스는 보조 조립체 없이 안내될 수 있다.

그 결과 펌프 조립체의 배출 노즐 및 그 하우징은 둥글지 않고 특히 타원형으로 형성되는 것이 특히 바람직하다. 이러한 방식으로, 바람직하게는 선박의 바닥부 아래에서 가스/물 혼합물의 특히 바람직한 제트 형상을 달성할 수 있다. 배출 노즐은 또한 평평한 직사각형 모양으로 형성될 수 있다. 선박의 바닥부 아래로 가스/물 혼합물을 분사하는 유용한 효과가 유지되며, 추가로 하우징이 선박의 바닥부 너머로 돌출하는 정도가 감소된다.

또한 배출 노즐은 동축 배출 노즐 세그먼트(KADS) 안의 워터젯을 위해, 제트의 단면을 조절하기 위한 요소, 즉 링 다이어프램(ring diaphragm) 또는 배플(baffle)을 구비하는 것이 바람직하다. 이러한 방식으로 선박의 속도 및 방향이 조정되고 제어될 수 있다.

워터젯 생성 유닛은 선박 안에서 병합 섹션(incorporated section) 내에 배열되는 것이 바람직하다. 이를 통해 워터젯 생성 유닛의 하우징에 기인한 저항이 단지 약간만 증가한 유동에 특히 바람직한 방식으로 선박의 바닥부가 형성된다.

본 발명은 하기에서 도면을 참고하여 더욱 상세하게 설명되고, 상기 도면으로부터 하위 청구항을 형성하는 본 발명의 본질적인 추가 내용들을 알 수 있다.

도면은 다음을 상세히 나타낸다:

도 1은 두 개의 워터젯 하우징 및 워터젯 곤도라 영역에서 바닥부 하위 부분 형상의 그리드 위상(grid topology)을 나타낸 도면이고;

도 2는 워터젯과 방향타 프로펠러들 사이의 유동 라인 패턴을 나타낸 도면이 며;

도 3은 방향타 프로펠러들의 프로펠러 평면에서의 반류 분포(wake field)를 나타낸 도면이며;

도 4는 워터젯의 4 단면 평면에서의 유동 벡터를 나타낸 도면이며; 그리고,

도 5는 동축 배출 노즐 세그먼트(KADS)에 추가된 배출가스를 구비한 워터젯의 외형선을 나타낸 도면이다.

도 1에서 워터젯의 하우징은 도면 번호 1 및 2로 도시되고, 선박의 하위 바닥부(4)의 병합 섹션(3)에 위치한다. 이 위치는 워터젯(1, 2)에서의 유입 유동과 배출 유동 조건이 좋은 위치로서, 상기 워터젯은 선박 바닥부의 상승된 영역에서 선박의 하위 바닥부(4)로부터 워터젯까지의 거리 면에서 바람직하게 제어된다.

도 2에서 참조 번호 5 및 6은 워터젯 하우징 쌍을 나타내고, 참조 번호 7 및 8은 전기 방향타 프로펠러의 하우징을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 유동 라인(9, 10)은 워터젯 하우징(5, 6)으로부터 나와 방향타 프로펠러(7, 8) 영역에서 억제되며, 이때 전기 방향타 프로펠러(7, 8)의 속도율(속도 및 토크)이 적절히 조절된다. 도 2는 컴퓨터 시뮬레이션이고; 실제로 유동 라인은 서로 다른 속도로 펼쳐진다. 그러나 워터젯의 주요 유동이 방향타 프로펠러(7, 8)의 내부 영역을 통과한다는 주요 원리는 유지된다.

도 3은 전기 방향타 프로펠러들(12)의 프로펠러(11) 평면에서의 반류 분포를 도시한다. 폐쇄된 반류 분포(13)는 본질적으로 대부분의 가스 버블이 선박의 항적 안에서 배출되고, 거기에서 발생하는 소용돌이와 함께, 더이상 감지될 수 없는 크기가 된다.

도 4는 워터젯의 외측 유동이 어떻게 일어나는지를 보여준다. 도면 번호 14로 지시되는 도면에서 여전히 닫혀있으나, 거리가 증가함에 따라, 15, 17 및 16에 의해 보여지는 바와 같이 워터젯이 뻗어 나간다. 워터젯 하우징의 출구로부터 증가하는 거리는 X의 감소로서 도시된다. 상승하는 공기 버블의 영향으로 반류 분포의 명백한 왜곡을 야기한다.

도 5에서 참조 번호(22)는 펌프 샤프트(23)의 일단에 위치한 펌프를 도시한다. 이는 샤프트(24)를 통해 모터에 연결되고, 이는 전기모터 또는 디젤 모터 또는 가스 터빈일 수 있다. 모터는 도시되지 않는다. 샤프트(24)의 길이는 그 설계에 달려 있다. 가능하면 짧도록 하기 위해, 작은 치수를 갖는 모터가 유용하며, 가능하게는 고온 수퍼컨덕팅 코일을 구비한 전기 모터가 유용하다.

워터젯은 25로 나타나 있다. 이는 배출 파이프(20)에 의해 공급되는 배출가스를 그와 함께 운반하는 혼합 챔버로부터 배출된다. 혼합 챔버(21)는 동축 배출 노즐 세그먼트(KADS)로서 구성되는 것이 바람직하다. 이러한 동축 배출 노즐 세그먼트(KADS)는 바람직하게는 곤도라 하우징(27)의 후미에 형성되고, 여기에 펌프 조립체(26)이 위치한다. 내측 물 유동은 28로 표기된다.
[발명의 효과]
물 속으로 배출가스가 직접 안내되도록 하여, 공지된 배출 항적이 발생하지 않아서 적외선 센서 또는 시각에 의해 위치가 식별되지 않는다. 가스는 펌프를 갖춘 펌프 조립체로부터 워터젯 출구 지역의 저압 영역에서 워터젯으로 공급되어, 배출가스를 배출하기 위해 사용되어야 하던 보조 동력이 필요없고, 관련된 조립체도 필요하지 않게 되며, 배압으로 인해 가스 터빈의 효율이 떨어지지 않아서 높은 효율을 이룰 수 있다. 워터젯은 선박 바닥부에 대하여 하측으로 향하는 각도로 물속으로 발산하여 배의 바닥부와 워터젯 사이의 마찰이 거의 없도록 한다. 가스 버블은 바람직하게는 워터젯에 의해서 형성되고 가스 버블은 대부분 선박의 바닥부 아래에서 분사되어, 배출가스의 위치를 인식할 수 없게 된다. 또한, 가스 버블이 다소 선박의 측면에서 발생하여 선박의 측면에서의 마찰을 바람직하게 감소시킬 수 있다.
워터젯 추진 유닛에 추가하여, 유용하게는 두 개의 프로펠러 추진 유닛이 제공되고, 워터젯과 가스 버블은 대체로 프로펠러들 사이의 중앙에서 선박의 바닥부 아래로 나오도록 제공되어, 후미에 배열된 추진 요소의 소자들에서 좋은 유동이 이루어진다. 물/가스 혼합물은 다중 제트 팬 유동으로서 형성되어, 특히 스피드보트 또는 소해정과 같은 상대적으로 작은 유닛에 유용할 뿐 아니라 메가요트 등에도 유용하다. 워터젯 생성 유닛이 추진 시스템에 제공되고, 워터젯으로 가스, 를 공급하기 위해 바람직하게는 동축 배출 노즐 세그먼트(KADS)를 구비하고, 이때 가스는 챔버의 저압 영역으로 공급되어, 가스, 특히 배출가스는 보조 조립체 없이 안내될 수 있다. 또한 배출 노즐은 동축 배출 노즐 세그먼트(KADS) 안의 워터젯을 위해, 제트의 단면을 조절하기 위한 요소, 즉 링 다이어프램 또는 배플을 구비하여, 선박의 속도 및 방향이 조정되고 제어될 수 있다. 워터젯 생성 유닛은 선박 안에서 상측으로 병합된 영역 안에 배열되어, 저항이 약간만 증가하여 선박의 바닥부가 형성된다.

Claims (16)

1. 물을 위한 배출 노즐(outlet nozzle)을 구비한 펌프 조립체에서 생성되는 하나 이상의 워터젯(water jet)과 하나 이상의 프로펠러에 의해서 생성되는 프로펠러젯(propeller jet)에 의해 구동되는 고속 해양 선박용 추진 시스템에 있어서,

   상기 워터젯(25)이 상기 펌프 조립체(26)의 하류로 안내된 하나 이상의 구동 장치의 가스를 운반하고,

   상기 워터젯(25)이 펌프(22)에 의해 하나 이상의 워터젯 드라이브 안에서 생성되고,

   상기 가스는 상기 펌프(22)를 구비한 상기 펌프 조립체(26)로부터 워터젯 출구 지역 내의 저압 영역에서 상기 워터젯(25)에 공급되고,

   상기 워터젯(25)에 의해 가스 버블이 형성되고, 상기 가스 버블은 대부분은 상기 선박의 바닥부 아래를 향하고,

   상기 가스 버블의 일부는 상기 선박의 측면에서 발생하며,

   상기 추진 시스템의 물/가스 혼합물은 상기 선박의 중앙 섹션에서 생성되며, 그곳으로부터 상기 선박의 바닥부를 따라 후미를 향하여 유동하는,

   추진 시스템,
2. 제 1항에 있어서,

   상기 워터젯(25)은 노즐을 통해 상기 선박의 바닥부를 향하는 하향 각도로서 물을 발산하는 것을 특징으로 하는,

   추진 시스템.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   워터젯 구동 장치에 추가하여 2개의 프로펠러(7, 8)를 구비하며, 그리고 상기 워터젯의 유동 라인(9, 10) 및 상기 가스 버블은 상기 프로펠러 사이의 중앙에서 상기 선박의 바닥부 아래를 향하는 것을 특징으로 하는,

   추진 시스템.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 프로펠러(7, 8)는 가스 버블/물 혼합물에서 전방 구동을 향해 설정되는 것을 특징으로 하는,

   추진 시스템.
5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 물/가스 혼합물은 다중 제트 헬리컬 유동(multijet hellical flow)으로 형성되어, 각 순간에 그 자체가 회전하여 솟아오르는 가스 버블을 형성하는 것을 특징으로 하는,

   추진 시스템.
6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 물/가스 혼합물은 다중 제트 팬 유동(multijet fan flow)으로 형성되는 것을 특징으로 하는,

   추진 시스템.
7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 가스를 상기 워터젯(25)으로 공급하기 위한 챔버(21)를 구비하며, 상기 가스는 상기 챔버(21)의 저압 영역에서 공급되는 것을 특징으로 하는,

   추진 시스템.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 물을 위한 배출 노즐 및 그 하우징은 둥근 형태가 아니라 타원형으로 형성되는 것을 특징으로 하는,

   추진 시스템.
9. 제 7항에 있어서,

   상기 물을 위한 배출 노즐은 평평한 직사각형 형태인 것을 특징으로 하는,

   추진 시스템.
10. 제 7항에 있어서,

    상기 물을 위한 배출 노즐은 제트의 단면 및 방향을 바꾸기 위한 링 다이어프램(ring diaphragm)을 구비하는 것을 특징으로 하는,

    추진 시스템.
11. 제 7항에 있어서,

    상기 추진 시스템은 상기 선박의 하위 바닥부(4)에서 병합 섹션(incorporated section)(3)에 배열된 것을 특징으로 하는,

    추진 시스템.
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