KR101884534B1 - 쌍축선의 프로펠러 회전각 조절을 통한 선체 변동압력 저감 방법 - Google Patents

쌍축선의 프로펠러 회전각 조절을 통한 선체 변동압력 저감 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 쌍축선의 프로펠러 회전각 조절을 통한 선체 변동압력 저감 방법으로서, 최적 위상 계산기가 선박의 운항조건에 따른 최적 상대 회전각을 계산하고, 상기 계산된 최적 상대 회전각 정보를 제어기로 전달하는 S1 단계; 각 샤프트에 장착된 엔코더가 프로펠러의 회전수 및 회전각 정보를 수집하고, 상기 수집된 정보를 상기 제어기로 전달하는 S2 단계; 상기 제어기가 두 프로펠러의 상대 회전각을 계산하고, 상기 상대 회전각과 상기 최적 상대 회전각을 비교하여, 상기 상대 회전각을 상기 최적 상대 회전각에 일치시키기 위한 제어명령을 프로펠러 위상제어시스템으로 전달하는 S3 단계; 및 상기 프로펠러 위상제어시스템이 상기 제어기의 상기 제어명령에 따라 두 프로펠러의 상기 상대 회전각을 상기 최적 상대 회전각에 일치시키기 위한 제어를 수행하는 S4 단계;를 포함하는, 쌍축선의 프로펠러 회전각 조절을 통한 선체 변동압력 저감 방법을 제공한다.

Description

쌍축선의 프로펠러 회전각 조절을 통한 선체 변동압력 저감 방법{A hull pressure fluctuation reduction method for a ship with twin propellers using propeller rotation angle control}
본 발명은 쌍축선의 프로펠러 회전각 조절을 통한 선체 변동압력 저감 방법에 관한 것이다.
변동압력은 프로펠러가 회전하면서 발생하는 캐비테이션에 의해 선체 표면에 유기되는 압력변화를 말한다.
프로펠러의 날개에서 발생하는 캐비테이션은 불균일한 선체 후류의 영향으로 도 1과 같이 회전각도에 따라 발생량이 변하게 된다.
도 1은 프로펠러의 날개에서 발생하는 일반적인 캐비테이션 양상을 보여주는바, 도 1의 좌변은 선박의 뒤에서 바라본 프로펠러의 형상 및 기준 각도를 보여주며, 도 1의 우변은 프로펠러의 날개각도에 따른 캐비테이션 발생 패턴의 계산 예를 보여준다.
도 2는 도 1의 캐비테이션 발생에 따른 변동압력 시간이력 계산 예를 보여준다.
도 2의 결과는 프로펠러가 1회전 할 때의 결과이며 프로펠러의 날개 수에 해당하는 4회의 주기적인 압력변동을 확인할 수 있다.
이 때 변동압력 시간이력의 크기와 위상은 프로펠러와 선체 위치 간의 상대적인 거리에 따라 달라진다.
따라서 선체 여러 위치에서의 변동압력은 크기와 위상이 서로 상이하다.
변동압력은 선박진동 및 소음의 주된 원인으로, 변동압력이 크면 선박의 진동 및 소음이 그에 비례하여 크게 발생한다.
이는 쌍축 프로펠러로 구동되는 선박, 즉 쌍축선의 경우도 예외가 될 수 없다.
특히 쌍축선은 좌, 우 두 개의 프로펠러가 제각각 변동압력을 유발하므로 이들이 합쳐진 전체 변동압력이 통상의 선박보다 더 크고, 복잡하게 발생할 수 있다.
공개특허 제10-2016-0039048호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 쌍축선의 프로펠러의 상대 회전각을 조절함으로써 프로펠러 캐비테이션에 의해 선체 표면에 유기되는 변동압력을 저감할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 쌍축선의 두 프로펠러에서 유기된 변동압력 시간이력의 위상차를 조절함으로써 전체 변동압력을 저감하되, 상기 변동압력 시간이력의 위상차 조절은 두 프로펠러의 상대 회전각의 조절에 의해 달성됨을 특징으로 하는, 쌍축선의 프로펠러 회전각 조절을 통한 선체 변동압력 저감 방법을 제공한다.
또한 본 발명은, 쌍축선의 프로펠러 회전각 조절을 통한 선체 변동압력 저감 방법으로서, 최적 위상 계산기가 선박의 운항조건에 따른 최적 상대 회전각을 계산하고, 상기 계산된 최적 상대 회전각 정보를 제어기로 전달하는 S1 단계; 각 샤프트에 장착된 엔코더가 프로펠러의 회전수 및 회전각 정보를 수집하고, 상기 수집된 정보를 상기 제어기로 전달하는 S2 단계; 상기 제어기가 두 프로펠러의 상대 회전각을 계산하고, 상기 상대 회전각과 상기 최적 상대 회전각을 비교하여, 상기 상대 회전각을 상기 최적 상대 회전각에 일치시키기 위한 제어명령을 프로펠러 위상제어시스템으로 전달하는 S3 단계; 및 상기 프로펠러 위상제어시스템이 상기 제어기의 상기 제어명령에 따라 두 프로펠러의 상기 상대 회전각을 상기 최적 상대 회전각에 일치시키기 위한 제어를 수행하는 S4 단계;를 포함하는, 쌍축선의 프로펠러 회전각 조절을 통한 선체 변동압력 저감 방법을 제공한다.
상기 S1 단계에서, 상기 최적 위상 계산기는 캐비테이션 유동해석 및 변동압력 해석을 통해 상기 최적 상대 회전각을 계산한다.
상기 S1 단계에서, 상기 최적 위상 계산기는 실시간으로 상기 최적 상대 회전각을 계산하거나, 예상되는 선박의 운항조건에 따라 미리 상기 최적 상대 회전각의 계산을 수행한 후 그 결과를 저장하고 상기 저장된 결과를 참고한다.
상기 S4 단계에서, 상기 프로펠러 위상제어시스템은 두 프로펠러 중 어느 한 프로펠러의 회전수를 점진적으로 증가 또는 저감시킴으로써 상기 상대 회전각이 상기 최적 상대 회전각에 일치하도록 만든다.
본 발명에 따르면, 쌍축선의 프로펠러 회전각 조절을 통해 프로펠러의 회전 상태를 최적 상태로 유지할 수 있으며, 이를 통해 선박의 운항조건에 따라 변동압력을 실시간으로, 효율적으로 저감할 수 있다.
도 1은 프로펠러의 날개에서 발생하는 일반적인 캐비테이션 양상을 보여준다.
도 2는 도 1의 캐비테이션 발생에 따른 변동압력 시간이력 계산 예를 보여준다.
도 3은 쌍축선의 뒤에서 바라본 프로펠러의 형상 및 기준 각도를 보여준다.
도 4는 도 3의 상대 회전각의 변화에 따른 변동압력의 크기 변화 계산 예를 보여준다.
도 5는 본 발명에 따른 쌍축선의 프로펠러 회전각 조절을 통한 선체 변동압력 저감 방법을 구현하기 위한 시스템 구성을 보여준다.
도 6은 본 발명에 따른 쌍축선의 프로펠러 회전각 조절을 통한 선체 변동압력 저감 방법의 단계별 구현 과정을 보여준다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 3은 쌍축선의 뒤에서 바라본 프로펠러의 형상 및 기준 각도를 보여준다.
쌍축선의 경우 좌, 우 두 개의 프로펠러의 날개 형상과 회전수는 동일하며 회전방향이 반대인 것이 일반적이다.
따라서 두 프로펠러의 캐비테이션 발생 패턴은 기본적으로 유사하다.
그러나 특정한 선체 위치에서 각 프로펠러에 의해 유기된 변동압력의 시간이력은 해당 프로펠러와 선체 위치 간의 상대적인 거리에 따라 크기와 위상이 다르게 된다.
이 경우 우연히 두 프로펠러에서 유기된 변동압력 시간이력의 위상이 일치하게 된다면 보강간섭에 의해 전체 변동압력은 최대가 될 것이며 반대로 위상이 반대가 된다면 상쇄간섭에 의해 전체 변동압력은 최소가 될 것이다.
이는 쌍축선의 경우 두 프로펠러에서 유기된 변동압력 시간이력의 위상차를 임의로 조절할 수 있다면 전체 변동압력을 저감할 수 있음을 뜻하는바, 본 발명은 이러한 기술적 원리를 적극 활용한 쌍축선의 변동압력 저감 방법을 제시하고자 한다.
본 발명의 경우, 변동압력 시간이력의 위상차 조절은 두 프로펠러의 상대 회전각(도 3의 Δθ)의 조절에 의해 달성될 수 있다.
여기서, 상대 회전각이라 함은 두 프로펠러 간의 회전각 차이를 의미한다.
도 4는 도 3의 상대 회전각의 변화에 따른 변동압력의 크기 변화 계산 예를 보여준다.
도 4에서 두 프로펠러의 상대 회전각이 40~50도 정도가 되면 상대 회전각이 0도인 경우에 비해 약 25%의 변동압력 저감 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
물론 도 4는 하나의 예에 해당하는 것으로, 쌍축선마다 변동압력이 최소가 되는 상대 회전각은 다를 수 있다.
본 발명에서는 변동압력이 최소가 되는 상대 회전각을 ‘최적 상대 회전각’이라 한다.
이하, 본 발명에 따라 쌍축선의 변동압력을 저감하는 과정에 대해 단계별로 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명에 따른 쌍축선의 프로펠러 회전각 조절을 통한 선체 변동압력 저감 방법을 구현하기 위한 시스템 구성을 보여주며, 도 6은 본 발명에 따른 쌍축선의 프로펠러 회전각 조절을 통한 선체 변동압력 저감 방법의 단계별 구현 과정을 보여준다. 여기서, '프로펠러 회전각 조절'이라 함은 보다 명확하게는 '두 프로펠러의 회전 시 위상각 차이를 조절하는 것'을 의미한다.
본 발명에 따른 시스템은 최적 위상 계산기(10), 제어기(20), 엔코더(31, 32) 및 프로펠러 위상제어시스템(40)을 포함하여 구성되며, 상기 엔코더(31, 32)는 각 샤프트(61, 62)에 장착된다.
S1 : 최적 상대 회전각 계산 단계
먼저, 최적 위상 계산기(10)가 선박의 운항조건에 따른 최적 상대 회전각을 계산한다.
이 경우, 최적 위상 계산기(10)는 캐비테이션 유동해석 및 변동압력 해석을 통해 최적 상대 회전각을 계산한다.
최적 위상 계산기(10)는 실시간으로 최적 상대 회전각을 계산할 수도 있지만, 예상되는 선박의 운항조건에 따라 미리 최적 상대 회전각의 계산을 수행한 후 그 결과를 저장하고 상기 저장된 결과를 필요시 참고할 수도 있다.
최적 위상 계산기(10)는 계산된 최적 상대 회전각 정보를 제어기(20)로 전달한다.
S2 : 프로펠러 정보 수집 단계
각 샤프트(61, 62)에 장착된 엔코더(31, 32)가 프로펠러(71, 72)의 회전수 및 회전각 정보를 수집한 후, 상기 수집된 정보를 제어기(20)로 전달한다.
S3 : 상대 회전각 계산 단계
제어기(20)가 두 프로펠러(71, 72)의 상대 회전각을 계산한다.
제어기(20)는 상대 회전각과 최적 상대 회전각을 비교하여, 상대 회전각과 최적 상대 회전각 간에 차이가 있는 경우라면 상대 회전각을 최적 상대 회전각에 일치시키기 위한 제어명령을 프로펠러 위상제어시스템(40)으로 전달한다.
물론 상대 회전각과 최적 상대 회전각 간에 차이가 없는 경우라면 제어기(20)는 상기와 같은 제어명령을 전달하지 않는다.
S4 : 프로펠러 위상제어 단계
프로펠러 위상제어시스템(40)은 제어기(20)의 상기 제어명령에 따라 두 프로펠러(71, 72)의 상대 회전각을 최적 상대 회전각에 일치시키기 위한 제어를 수행한다.
이 경우, 상대 회전각을 최적 상대 회전각에 일치시키기 위한 제어는 다양한 방식으로 이루어질 수 있다.
예를 들면, 프로펠러 위상제어시스템(40)은 두 프로펠러(71, 72) 중 어느 한 프로펠러(71 또는 72)의 회전수를 점진적으로 증가 또는 저감시킴으로써 두 프로펠러(71, 72) 간의 회전각 차이, 즉 상대 회전각이 최적 상대 회전각에 일치하도록 만들 수 있다.
이 때 프로펠러 위상제어시스템(40)은 프로펠러(71, 72)의 회전수 정보를 제어기(20)로부터 전달 받으며, 프로펠러(71, 72)의 회전수를 조절하기 위하여 해당 프로펠러(71, 72)와 연결된 엔진시스템(50)을 제어한다.
상기 S2 내지 S4의 과정을 반복함으로써 프로펠러(71, 72)의 회전 상태를 최적 상태로 유지할 수 있으며, 이를 통해 쌍축선의 변동압력을 선박의 운항조건에 따라 실시간으로, 효율적으로 저감할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 최적 위상 계산기
20 : 제어기
31, 32 : 엔코더
40 : 프로펠러 위상제어시스템
50 : 엔진시스템
61, 62 : 샤프트
71, 72 : 프로펠러

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 쌍축선의 프로펠러 회전각 조절(두 프로펠러의 회전 시 위상각 차이를 조절하는 것)을 통한 선체 변동압력 저감 방법으로서,
    최적 위상 계산기(10)가 선박의 운항조건에 따른 최적 상대 회전각을 계산하고, 상기 계산된 최적 상대 회전각 정보를 제어기(20)로 전달하는 S1 단계;
    각 샤프트(61, 62)에 장착된 엔코더(31, 32)가 프로펠러(71, 72)의 회전수 및 회전각 정보를 수집하고, 상기 수집된 정보를 상기 제어기(20)로 전달하는 S2 단계;
    상기 제어기(20)가 두 프로펠러(71, 72)의 상대 회전각을 계산하고, 상기 상대 회전각과 상기 최적 상대 회전각을 비교하여, 상기 상대 회전각을 상기 최적 상대 회전각에 일치시키기 위한 제어명령을 프로펠러 위상제어시스템(40)으로 전달하는 S3 단계; 및
    상기 프로펠러 위상제어시스템(40)이 상기 제어기(20)의 상기 제어명령에 따라 두 프로펠러(71, 72)의 상기 상대 회전각을 상기 최적 상대 회전각에 일치시키기 위한 제어를 수행하는 S4 단계;
    를 포함하는, 쌍축선의 프로펠러 회전각 조절을 통한 선체 변동압력 저감 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 S1 단계에서, 상기 최적 위상 계산기(10)는 캐비테이션 유동해석 및 변동압력 해석을 통해 상기 최적 상대 회전각을 계산하는 것을 특징으로 하는, 쌍축선의 프로펠러 회전각 조절을 통한 선체 변동압력 저감 방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 S1 단계에서, 상기 최적 위상 계산기(10)는 실시간으로 상기 최적 상대 회전각을 계산하거나, 예상되는 선박의 운항조건에 따라 미리 상기 최적 상대 회전각의 계산을 수행한 후 그 결과를 저장하고 상기 저장된 결과를 참고하는 것을 특징으로 하는, 쌍축선의 프로펠러 회전각 조절을 통한 선체 변동압력 저감 방법.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 S4 단계에서, 상기 프로펠러 위상제어시스템(40)은 두 프로펠러(71, 72) 중 어느 한 프로펠러(71 또는 72)의 회전수를 점진적으로 증가 또는 저감시킴으로써 상기 상대 회전각이 상기 최적 상대 회전각에 일치하도록 만드는 것을 특징으로 하는, 쌍축선의 프로펠러 회전각 조절을 통한 선체 변동압력 저감 방법.
  6. 삭제
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