KR100308180B1 - 수중추진장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 고-추력, 내충격성의 수중 추진장치(1)는 물 입구(5)와 물 출구(7)를 갖는 보호판(3)과; 상기 보호판(3)내의 중심에 배치되는 축 조립체(9)와; 상기 보호판(3)내에 배치되는, 상기 축 조립체(9)를 장착하기 위한 복수개의 베인부재(11a)(11b)와; 상기 축 조립체(9)에 회전가능하게 장착되는 분리된 허브(15a)(15b)를 각기 포함하는 상류 및 하류 프로펠러(13a)(13b)와; 상기 상류 및 하류 프로펠러(13a)(13b)를 개별적으로 회전시키기 위한 것으로서, 상기 프로펠러(13a)(13b)중 하나의 외주둘레에 장착되는 회전자(23a)(23b)와, 상기 회전자(23a)(23b)의 둘레에서 상기 보호판(3)에 장착되는 고정자(25a)(25b)를 각기 구비하는 제1 및 제2 전기모터(24a)(24b)와; 상기 축 조립체(9)내에서 상기 상류 및 하류 프로펠러(13a)(13b)의 허브(15a)(15b)의 내측에 배치되는 스러스트 베어링(38)을 각기 구비하고, 상기 스르스트 베어링(38)은 양자가 다 상기 축 조립체(9)의 양쪽단부에 위치되는 제1 및 제2베어링 조립체(17a)(17b)를 포함한다. 상기 상류와 하류 프로펠러의 피치는 상이하므로, 서로 역회전될 때 토오크가 없는 추력을 발생시킬 수 있다. 바람직한 작동 방식에 있어서, 상기 프로펠러들은 상류 프로펠러가 하류 프로펠러를 여압할 수 있도록 상이한 속도로 회전한다.

Description

수중 추진장치

제1도는 본 발명의 이중 프로펠러 추진장치의 사시도.

제2도는 제1도에 도시된 추진장치의 Ⅱ-Ⅱ 선 단면도.

제3도 및 제4도는 각각 제1도에 도시된 추진장치의 정면도 및 배면도.

제5(a)도는 제1도에 도시된 추진장치의 분해 단면도로서, 상기 추진장치의 축과 프로펠러의 허브 사이에 배치되는 베어링 조립체의 각종 부품을 나타내는 도면.

제5(b)도는 제2도에 원(5B)으로 표시된 부분의 확대도로서, 회전자 입구 링과 고정자 입구 링의 치형 표면으로 인해 고정자와 회전자 사이에 뒤틀린 경로가 형성됨으로써, 외부의 입자가 이 공간으로 유입되는 것을 방지하는 방법을 나타내는 도면.

제6도는 제1도에 도시된 추진장치의 Ⅵ-Ⅵ 선 단면도.

제7도는 제6도에 원(7)으로 표시된 부분의 확대도로서, 고정자 및 회전자의 양자의 구조를 상세히 나타내는 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 추진장치 3 : 보호판

9 : 축 조립체 13a,13b : 제1 및 제2 프로펠러

15a,15b : 프로펠러 허브 17a,17b : 제1 및 제2 베어링 조립체

23a,23b : 회전자 24a,24b : 제1 및 제2 전기 모터

25a,25b : 고정자

본 발명은 수중 추진장치에 관한 것으로, 특히 선박용으로서 소음이 적고 내충격성이 강하며 유지보수가 쉬운 고 추력의 일체적 모터형 주 추진장치에 관한 것이다.

과거에 대형 수상선 및 잠수함을 가동시키기 위해 사용되어 온 주 추진 시스템은 일반적으로 화석 연료나 핵을 이용하는 원동기를 구비하고 있고, 이 원동기는 수밀용 시일을 개재하여 선체를 관통해 연장되어 있는 축상에 위치된 프로펠러에 동력을 공급하였다. 전형적으로 상기 원동기의 출력측과 상기 프로펠러에 연결되어 있는 축 사이에는 치차열이 제공된다.

불행하게도, 그러한 주 추진 시스템과 관련해서는 군시설로서의 유용성을 제한할 수 있을 만한 3가지 주요 단점이 있다 그 첫째로, 선체 밖의 물이 안으로 유입되는 것을 방지하는데 필요한 축 시일은 비교적 허약한 구조를 갖기 때문에, 전투시에 발생되기 쉬운 기계적 충격을 받을 때 손상될 확률이 매우 높다. 둘째로, 치차열을 이용하면 비교적 큰 소음이 발생되기 때문에 적국의 음파 탐지기에 그 선박이 발견되기가 쉽다. 셋째로, 원동기, 치차열 및 프로펠러의 축은 동력을 효율적으로 전달하기 위해서 선박의 후면에 서로 정렬관계로 배치되어야만 하므로, 그 선박의 설계자가 설계를 하는데 제한을 준다.

또한, 선박용의 전기 모터형 추진장치도 종래기술로 공지된 바 있다. 그러한 추진장치가 수상함에 이용될 수 있기도 하지만, 그것의 주 응용분야는 신뢰도, 제어, 저소음과 관련된 고추력 및 내충격성에 대한 필요성이 급증하고 있는 잠수함용 보조 구동장치이다. 종래기술에 있어서, 전형적으로 그러한 추진장치는 프로펠러에 연결되는 출력축을 갖는 “깡통식으로 밀폐된(canned)” 전기 모터를 포함하고 있다. 그러한 추진장치는 종래의 주 추진 시스템과 관련된 소음이 많은 치차열과, 손상되기 쉬운 시일을 유익하게 제거하였다. 또한 선박의 설계자에게 선박의 설계시에 있어서 약간의 융통성을 제공하였으므로, 그러한 추진장치가 반드시 선박의 후면에 위치되지 않아도 되며 선체를 따라 다수개의 위치 중 어느 한 곳에 배치될 수 있다. 불행하게도, 그렇게 전력을 공급 받는 추진장치도 다소의 결점을 갖고 있다. 예를 들어, “깡통식으로 밀폐된” 모터가 프로펠러에 의해 발생되는 수류의 바로 앞이나 바로 뒤에 배치되어야만 하기 때문에, 그 모터의 위치가 유체의 흐름을 방해하여, 이 추진장치에 의해 발생되는 유효 추력을 감소시킴과 아울러 바람직하지 못한 소음을 발생시킨다. 물론, 그 추력은 모터의 회전 속도가 증가함에 따라 증가될 수도 있다. 그러나 프로펠러를 둘러싸고 있는 물에서 캐비테이션이 발생하여 더욱 많은 소음이 발생될 수도 있다.

“웨스팅하우스 일렉트릭 코포레이션”에서는 이러한 단점을 극복하기 위하여 일체적 모터를 갖는 추진장치를 개발하였으며, 그 모터는 미국 특허 제 4,831,297호에 개시되어 있다. 이 특수한 추진장치는 그 구조가 제트 엔진과 대체로 유사하며, 물 입구와 물 출구를 갖는 원통형 보호판과, 상기 보호판내에서 복수개의 지지베인이 동심형으로 장착되어 있는 축상에 회전가능하게 장착되는 허브를 갖는 프로펠러와, 상기 프로펠러를 구동시키기 위한 전기 모터를 포함하고 있다. 상기 전기 모터는 프로펠러 블레이드의 외주 둘레에 장착되는 환형 회전자와, 이 추진장치의 보호판내에 일체로 형성되는 고정자를 구비한다. 이 특수한 종래 기술의 추진장치의 개선된 설계는, 이 장치의 프로펠러가 유체 역학적 형상의 보호판을 통해 가동될 수 있도록 하는 수류가 크게 방해 받지 않고, 이 설계가 비교적 대경의 프로펠러에도 적합하므로, 이 추진장치에 의해 발생되는 소음이 감소됨과 아울러, 소정의 무게 및 크기에 대한 추진장치의 추력 출력도 상당히 증가된다. 이 장치의 조용함은 보호판의 소음차단 특성으로 인해 더욱 개선된다.

상술한 일체적 모터를 갖는 추진장치가 기술상에 있어서 상당한 진보가 이룩되긴 하였지만, 출원인은 어떤 응용분야를 충족시키기 위해서는 그것의 능력이 저하될 수도 있다는, 이 장치의 설계와 관련된 다수의 제한이 존재한다는 점을 인식하였다. 예를 들면, 이 특수한 종래기술의 추진장치와 관련된 이 장치의 무게당 추력 출력비는 매우 높지만, 이 추진장치에 의해 발생될 수 있는 추력의 절대량이 어떤 응용분야에서는 충분히 높지 않을 수도 있다. 물론, 종래기술의 추진장치는 더 많은 동력을 발생시키기 위하여 모든 치수를 더 크게 할 수도 있다. 그러나, 어떤 잠수함 및 군용 수상함 응용분야에 있어서는 추진장치의 폭에 대한 제한이 있으므로, 추력을 증가시켜야 하는 문제를 해결하기 위해서 장치의 크기를 전체적으로 증가시키지 못한다. 상기 추진장치의 폭이 증가되면, 이 추진장치 전체는 군용 잠수함 및 수상함이 전투중에 받을 수 있는 이물에서 고물까지의 충격파에 더욱 더 많은 영역이 노출된다. 그러한 종래기술의 추진장치와 관련된 또 다른 제한은 이 추진장치에 이용되는 스러스트 베어링(thrust bearings)의 구조에 의해 발생된다. 이 스러스트 베어링은 일상적인 방식으로 수리되어야 하므로, 이 베어링이 배열되어 있는 방식으로 인해 그것에의 접근이 어렵기 때문에, 베어링 조립체를 수리하거나 교체해야 할 때마다 추진장치를 선박에서 완전히 떼어내거나 또는 선박 자체를 드라이 도크에 넣어야 한다. 후자의 과정은 물론 상당한 노력과 비용이 든다. 상술한 바와 같이 떼어내거나 드라이 도크에 넣은 후에는, 그 베어링에 접근하기 위해서 추진장치중 많은 부분을 분해해야 한다.

따라서, 가장 최근의 종래기술의 추진장치와 관련된 모든 장점을 가짐과 아울러, 잠수함의 응용분야와 관련된 최대 폭의 제한을 넘지 않는 메카니즘으로 더 많은 량의 추력을 발생시킬 수 있는 수중 추진장치가 필요하다. 또한, 수선이나 유지 작업이 필요한 경우에 그 장치를 선박에서 떼어내거나 선박을 드라이 도크로 집어넣지도 않고 그 장치의 많은 부분을 분해하지도 않은 채 베어링 조립체에 쉽게 접근할 수 있다면 더욱 바람직할 것이다. 또한, 그러한 추진장치가 종래기술의 장치보다 더욱 내구성이 강하고 신뢰성이 있으며 충격에 대한 내성도 강하다면 이상적일 것이다.

요컨데, 본 발명은 종래기술과 관련된 상술한 단점이 제거되거나 또는 적어도 개선된, 이중 프로펠러를 갖는 수중 추진장치에 관한 것이다. 일반적으로, 이 추진장치는 물 입구 및 물 출구를 갖는 보호판과, 상기 보호판내의 중앙에 장착되는 축 조립체와, 상기 축 조립체에 회전 가능하게 장착되는 분리된 허브를 각기 갖는 제1 및 제2 프로펠러와, 상기 프로펠러를 개별적으로 회전시키기 위한 제1 및 제2 전기 모터와, 제1 및 제2 베어링 조립체를 포함한다. 상기 제2 프로펠러는 제1 프로펠러의 하류에 위치되며, 제1 및 제2 전기 모터의 각각은 상기 프로펠러 중 하나의 외주 둘레에 장착되는 회전자와, 상기 회전자 둘레로 상기 보호판에 장착되는 고정자를 갖는다. 상기 제1 및 제2 베어링 조립체의 각각은 상기 제1 및 제2 프로펠러의 허브와 상기 축 조립체의 사이에 배치되는 스러스트 베어링을 포함하며, 상기 제1 및 제2 베어링 조립체와 관련된 스러스트 베어링은 양자가 다 상기 축 조립체의 맞은편에 위치된다.

독립적으로 구동되는 2개의 프로펠러를 설치하면, 보호판의 폭을 증가시키지않고도 그 장치에 의해 발생되는 추력이 상당히 증가될 뿐만 아니라 그것의 효율도 대폭 증가된다. 2개의 프로펠러 허브의 각각에 분리된 베어링 조립체를 설치하면 상기와 각기 관련되어 있는 베어링이 다른 것을 분해하지 않고도 분해되거나 독립적으로 수리될 수 있다. 상기 2개의 프로펠러의 기계적 독립성과, 그것들을 구동시키는데 필요한 2개의 모터의 전기적 독립성 때문에, 그것에 진실하고 풍족한 구동 능력을 제공할 수 있으므로 그 장치의 신뢰성이 증가된다.

2쌍의 베인 부재는 상기 보호판내에서 축 조립체를 지지하고, 베어링 조립체의 각각은 베어링 하우징을 구비한다. 상기 베어링 하우징은 축 조립체가 보호판 조립체내의 2점에서 확고하고 단단하게 장착될 수 있도록 축 조립체의 내측 단부에 부착되는 부재를 갖는다. 그러한 2점의 장착으로 인해서 추진장치의 내충격성이 대폭 향상된다.

추진장치에 의해 발생되는 소음을 추진장치의 작동 중 더욱 감소시키기 위해서는, 상기 축 조립체의 양단부에 위치되어 있는 베어링 조립체와 각기 관련된 베어링 하우징이 프로펠러에 대해 고정되도록 장착되는 것이 바람직하다. 상기 베어링 하우징의 각각은 그 내에 수용되어 있는 베어링 부재에 대한 상술한 편리한 접근을 제공하기 위하여 착탈식 커버를 더 구비한다. 마지막으로, 이 베어링 하우징의 각 윤곽은 보호판을 통해 압축된 수류에 의해 발생된 와류의 양을 최소화시키고, 이 장치에 의해 발생되는 소음도 한층 더 감소시킬 수 있는 것이다.

하류 프로펠러의 피치는 상류 프로펠러와 대향되게 배치되어, 필요한 추력을 발생시키기 위한 작동 중 프로펠러가 서로 역회전될 수 있게 하는 것이 바람직하다. 그러한 역회전으로 인해서는 추진장치가 선박에 가할 수 있는 모든 토오크를 거의 제거할 수 있다는 또다른 장점이 제공된다.

바람직한 작동 방법에 있어서는, 상류와 하류의 프로펠러가 상이한 속도로 회전하여 상류 프로펠러가 압축된 수류로 하류 프로펠러를 파급(過給)함으로써, 그 장치의 추력 발생 효율이 최대화 된다.

본 발명은 첨부도면과 관련된 이하의 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.

제1,2,3,4도를 참조하면, 여러 도면에 걸쳐서 동일한 부호는 동일한 부분을 나타내는 것으로서, 본 발명의 추진장치는 일반적으로 물 입구(5)와 물 출구(7)를 갖는 원통형 보호판(보호판 조립체)(3)을 포함한다. 상기 보호판의 내부는 대체로 세로 홈을 새긴 코트(Kort) 노즐과 유사한 형상을 갖는다. 중심에 놓인 관통공(10)을 갖는 축 조립체(고정 축 조립체)(9)상에는 상기 원통형 보호판(3)의 내부의 회전 축선을 따라서 2세트의,베인 부재(11a, 11b)가 장착되어 있다. 상기 베인 부재(11a, 11b)는 축 조립체(9)를 원통형 보호판(3)내에서 지지하는 역할을 수 행함과 아울러, 그들의 경사진 배향(제3도 및 제4도에 가장 잘 도시됨)으로 인해 제1 및 제2 프로펠러(13a, 13b)에 의해 발생된 추력을 증가시키는 기능도 수행한다. 상기 제1 및 제2 프로펠러(13a, 13b)는 도시된 바와 같이 원통형 보호판(3)의 내부에 서로 탠덤형(in-tandem)으로 배치된다. 각각의 제1 및 제2 프로펠러(13a, 13b)는 오프셋부(16)를 갖는 프로펠러 허브(15a, 15b)를 구비한다. 상기 프로펠러 허브는 제1 및 제2 베어링 조립체(17a, 17b)에 의해서 축 조립체(9)에 회전가능하게 장착된다. 각각의 제1 및 제2 프로펠러(13a, 13b)는 복수개의 이격진 블레이드(19)를 구비한다. 상기 블레이드(19)의 내측 단부는 각각의 프로펠러 허브(15a, 15b)의 둘레에 동일한 간격으로 장착된다. 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서는, 각각의 제1 및 제2 프로펠러(13a, 13b)의 블레이드(19)가 서로 대향되도록 배치되므로, 2개의 제1 및 제2 프로펠러(13a, 13b)가 역회전될 때 비교적 토크가 없는 추력이 발생될 수 있다. 각 제1 및 제2 프로펠러(13a, 13b)의 외측 단부는 원통형 보호판(3)내에서 일체로 형성되어 있는 제1 및 제2 전기 모터(제1 및 제2 교류 모터)(24a, 24b)의 회전자(23a, 23b)에 연결된다. 상기 제1 및 제2 전기 모터는 각기 별개로 작동하며, 고정자(25a, 25b)도 포함하고 있다.

상기 고정자는 원통형 보호판(3)내에 장착되며 회전자(23a, 23b)둘레에 그것과 밀접하게 배치된다. 어떤 도면에도 도시되지는 않았지만, 터미널 포스트 조립체가 각 제1 및 제2 전기 모터(24a, 24b)의 고정자(25a, 25b)를 분리된 전원에 접속시키기 위하여 추진장치(1)의 상부에 제공된다. 바람직한 실시예에 있어서, 상기 전원은 가변 주파수의 사이클로-컨버터이다.

이제 제2도 및 제5(a)도를 참조하면, 각각의 제1 및 제2 베어링 조립체(17a, 17b)는 베어링 하우징(30)을 포함한다. 상기 베어링 하우징은 후술되는 바와 같이 프로펠러 허브(15a, 15b)와 축 조립체(9)간의 마찰을 최소화시키기 위하여 스러스트 베어링과 레이디얼 베어링의 양자를 수납하고 있다. 각각의 베어링 하우징은 베어링 하우징(30)내에 수납되어 있는 베어링에 용이한 접근을 제공하기 위해 착탈식 커버(32)를 갖는다. 각 제1 및 제2 베어링 조립체(17a, 17b)의 착탈식 커버(32)는 복수개의 물 안내부(33)를 갖는다. 상기 물 안내부는 이하에 더욱 상세히 설명하는 바와 같이 그 주변의 물이 축 조립체(9)내에 수납되어 있는 관통공(10)을 통해 순환되어, 각각의 베어링 조립체와 관련된 베어링 표면을 냉각시키고 그 표면에 윤활 작용을 한다. 외측 물내에 동반되는 외부의 파편 입자가 축 조립체(9)의 관통공(10)내로 유입되는 것을 방지하기 위해서, 각각의 제1 및 제2 베어링 조립체(17a, 17b)의 베어링 하우징(30)에는 제2도에 도시된 위치에 여과 수단(해수 필터)(35)이 제공된다 제1 및 제2 베어링 조립체(17a, 17b)와 관련되어 있는 각 베어링 하우징(30)의 내향 부분은 베인 부재(11a, 11b)의 단부가 고착되는 베인 장착 부재(37)를 구이한다. 분리된 2세트의 베인 부재(11a, 11b)의 설비를 2개의 맞은편 제1 및 제2 베어링 조립체(17a, 17b)의 베어링 하우징(30)내에 있는 2개의 분리된 베인 장착 부재(37)의 설비와 조합함으로 인해서, 원통형 보호판(3)내에 배치된 축 조립체(9)에 대해 상당한 크기의 유익한 내충격성이 제공된다. 그렇게 내충격성이 증가되면 축 조립체(9)와 원통형 보호판(3)의 내부 사이에서 발생되는 충격으로 인한 오정렬이 방지된다. 오정렬을 방지하지 못한다면 추진장치(1)가 동작불능이 될 수도 있을 것이다.

이하에서는 각각의 제1 및 제2 베어링 조립체(17a, 17b)의 베어링 하우징 (30)내에 수납되어 있는 스러스트 베어링 및 레이디얼 베어링의 양자에 대한 특수 한 구조적 세부사항을 검토해 보고자 한다. 이들의 세부구조는 제1 및 제2 베어링 조립체(17a, 17b)의 양자에 대해 동일하기 때문에, 장황하지 않도록 제1베어링 조립체(17a)의 세부구조에 대해서만 기술하고자 한다. 상기 제1베어링 조립체(17a)내에 배치되는 주 스러스트 베어링(38)은 환형 지지 부재(39)를 감싸도록 위치된다. 상기 환형 지지 부재(39)는 볼트(40)에 의해서 측의 출구단에 단단히 부착된다. 상기 환형 지지 부재(39)는 그것의 내부에 물 입구용 니플(nipple)(41)을 갖는다. 상기 니플은 축 조립체(9)의 관통공(10) 내측에 수용되어 있다. 이 니플(41)로 인해 환형 지지 부재(39)와 축 조립체(9)간의 기계적 연결이 강화됨과 아울러, 그 주변의 물이 관통공(10)을 통해 순환될 수 있게 된다. 상기 환형 지지 부재(39)는 그것의 외측 가장자리의 둘레에 장착 플랜치(43)를 갖는다. 지지 링(45)은 상기 환형 지지 부재(39)의 내측 표면 안쪽에 제공되는 환형 리세스내에 장착된다. 이 지지 링(45)은 주 베어링 링(주 스러스트 베어링의 링)(47)을 지지한다. 상기 주 베어링 링(47)은 추진장치(1)의 작동 중 프로펠러 허브(15a)에 대해 계속 정지해 있다. 상기 프로펠러 허브(15a)의 오프셋부(16)의 말단에는 주 런너(runner)(49)가 연결되어 있다 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서는 주 베어링 링(47)내에 반경방향 홈이 제공되며, 상기 주 베어링 링(47)의 편평한 표면에 대해 소정 각도로 피봇되는 독립적인 베어링 패드(도시되지 않음)를 형성한다. 주 베어링 링(47)과 주 런너(49)의 베어링 표면 사이로 그 주변의 물이 순환될 때에는, 얇은 수막이 생성되어 주 베어링 링(47)과 주 런너(49) 사이를 윤활시킴과 아울러, 제1베어링 조립체(17a)의 이 특정 부분을 냉각시키기도 한다. 윤활작용을 하는 유수의 필요한 흐름을 제공하기 위하여, 상기 주 런러(49)는 복수개의 반경방향 물순환 수단(임펠러 보어)(51)을 갖는다. 상기 물 순환 수단(51)은 주 런너(49)가 프로펠러 허브(15a)를 따라 회전할 때 그 주 런너(49)가 임펠러로서 작용할 수 있도록 한다. 물 순환 수단(51)에 의해 발생되는 압력차가 제1베어링 조립체(17a)의 베어링 표면을 통해 그 주변의 물을 순환시키도록 작용하는 것에 관한 정확한 방식에 대해서는 후술될 것이다.

각각의 제1 및 제2 베어링 조립체(17a, 17b)는 보조 스러스트 베어링(52)도 포함하고 있다. 상기 보조 스러스트 베어링(52)의 런너(53)는 주 스러스트 베어링(38)의 주 런너(49)의 표면에 주 베어링 링(47)의 반대쪽으로 배치된다. 따라서, 주 런너(49)는 주 스러스트 베어링(38)과 보조 스러스트 베어링(52) 양자의 런너로서 작용한다. 보조 베어링 링(55)은 보조 스러스트 베어링(52)의 다른 반쪽을 형성한다. 상기 보조 베어링 링(55)은 지지 링(56)에 의해 지지되며, 이 지지 링(56)은 베어링 하우징(30)의 베인 장착 부재(37)에 부착된다. 보조 스러스트 베어링(52)은 제1전기 모터(24a)가 역회전할 때에나, 제1전기 모터(24a)가 오프되었지만 그 주변의 수류 때문에 제1프로펠러(13a)가 돌아갈 때에만 기능을 발휘한다.

제1프로펠러(13a)의 프로펠러 허브(15a)와 축 조립체(9)간의 반경방향 마찰을 감소시키기 위하여 한쌍의 레이디얼 베어링(레이디얼 슬리브 베어링)(57, 59)이 제2도 및 제5(a)도에 도시된 위치에 제공된다. 여러 도면에 특별히 도시되지는 않았지만, 일반적으로 이러한 레이디얼 베어링의 각각은 한쌍의 고무 베어링 슬리브를 더 포함하는 모넬(Monel)로 형성되는 것이 바람직한 관형 부싱(bushing)을 포함한다. 각각의 슬리브는 복수개의 나선 흠(도시되지 않음)을 포함할 수도 있다. 이 나선 흠은 레이디얼 베어링(57, 59)과 주 및 보조 스러스트 베어링(38, 52)의 양자를 통하여 항상 흐르는 그 주변의 물에 섞여 동반되는 외부의 물질을 내보내는 것을 돕는다.

제2도 및 제5(a)도를 다시 참조하여 제1 및 제2베어링 조립체(17a, 17b)의 양자에 포함되는 각종 베어링 표면을 통해 그 주위의 물이 흘러가는 방법을 설명해 보면, 상기 축 조립체는 그것의 중간부분에 한쌍의 대향하는 물 입구(63a, 63b)를 가지며 그 물 입구의 각각은 관통공(10)과 연통한다. 이러한 물 입구(63a, 63b)로 인하여, 제1 및 제2전기 모터(24a, 24b)가 제1 및 제2프로펠러(13a, 13b)의 블레이드(19)를 회전시킬 때 이 제1 및 제2프로펠러(13a, 13b)의 프로펠러 허브(15a, 15b) 사이의 공간으로 물이 유입될 수 있게 된다. 이 물은 이 공간을 통해 흐르다가 주 런너(49)내에 위치되어 있는 물 순환 수단(51)을 통과한다. 그런 다음, 그 물은 주 런너(49)와 주 베어링 링(47)의 베어링 표면 사이와, 주 런너(49)와 보조 베어링 링(55)의 베어링 표면 사이로 흐른다. 결국, 그 물은 제1및 제2프로펠러(13a, 13b)의 프로펠러 허브(15a, 15b)와 제1 및 제2베어링 조립체(17a, 17b)의 각 베어링 하우징(30)의 베인 장착 부재(37)의 가장자리 사이에 형성된 반경방향 출구(65)를 통해 밖으로 나간다.

상기 제1 및 제2베어링 조립체(17a, 17b)의 베어링 하우징(30) 내에 수용되어 있는 스러스트 베어링과 레이디얼 베어링이 각기 분리되어 있고 각 베어링 조립체의 분리된 착탈식 커버(32)를 통해 그것에 쉽게 접근할 수 있기 때문에, 부품을 수리 및 교체할 때 추진장치(1)내에 있는 모든 베어링을 분해하지 않아도 되고, 선박으로부터 추진장치(1) 전체를 떼어낼 필요도 없으며, 심지어는 선박을 드라이 도크로 넣는 것까지 안해도 된다. 이러한 장점은 제1 및 제2베어링 조립체(17a, 17b)내의 각종 부품이 설계가 얼마나 잘 되었든지간에 추진장치(1)의 수명 기간 중 수리 및 교체가 가장 많이 요망되는 것 중 하나이기 때문에 중요하다.

제6도 및 제7도에는 추진장치(1)의 제1 및 제2프로펠러(13a, 13b)에 동력을 공급하는데 이용되는 제1 및 제2전기 모터(24a, 24b)의 세부가 도시되어 있다. 초기에 지적한 바와 같이, 제1 및 제2전기 모터(24a, 24b)는 일반적으로 제1 및 제2프로펠러(13a, 13b)의 블레이드(19)의 주변을 둘러싸도록 장착되는 회전자(23a, 23b)로 구성되는 교류 모터로서, 상기 회전자 둘레에는 원통형 보호판(3)내에서 깡통식으로 밀봉되는 고정자(25a, 25b)가 밀접하게 배치된다. 상기 제1 및 제2전기 모터(24a, 24b)는 축 조립체(9)와 프로펠러 허브(15a, 15b)의 사이에 위치되는 무브러시 여자기(brushless exciter)(136)를 이용하는 동기식 모터나, 영구자석식 모터 중 어느 하나일 수도 있다. 동기식 모터는 잠수함 등과 같은 비교적 큰 선박을 가동시키는 데에 필요한 대량의 추력을 발생시켜야 하는 장치의 경우에 바람직할 것이다. 왜냐하면 그렇게 큰 크기의 추진장치에 필요한 큰 영구자석을 조립하기 어렵기 때문이다. 그러한 실시예에 있어서, 상기 무브러시 여자기(136)의 내측 환형부는 계속 고정되어 있지만, 외측 환형부는 제1 및 제2프로펠러(13a, 13b)의 프로펠러 허브(15a, 15b)를 따라 회전된다. 상기 무브러시 여자기(136)에 의해 발생되는 전류는 케이블(도시되지 않음)을 통해 회전자(23a, 23b)내의 전자석 코일(도시되지 않음)로 전도되지만, 교류는 고정자(25a, 25b)로 전도된다. 다음에, 상기 제1 및 제2전기 모터(24a, 24b)는 공지되어 있는 동기식 모터 방식으로 작동하는데, 그 경우 제1 및 제2프로펠러(13a, 13b)의 회전 속도는 고정자(25a, 25b)를 통해 전도되는 교류의 주파수에 의해 제어된다.

회전자(23a, 23b)용으로 필요한 영구자석이 제조상의 어려움을 갖지 않아도되는 소규모의 추진장치의 경우에는 2가지 이유 때문에 영구자석식 교류 모터가 바람직하다. 첫째로, 영구 자석식 모터는 동기식 모터보다 효율이 약 10% 정도 양호하다. 둘째로, 이렇게 높은 효율은 회전자(23a, 23b)의 외주와 고정자(25a, 25b)의 내주 사이의 다소 큰 간극 때문에 실현될 수 있다. 동작 가능한 웬만한 크기의 추진장치(1)에 있어서는, 이 대형 간극이 0.25인치 이하의 표준간극과 달리 0.50인 치(또는 1.31㎝)만큼 넓을 수도 있다. 대형 간극을 이용하면(소형 간극을 이용할 때보다) 회전자(23a, 23b)와 고정자(25a, 25b) 사이에 얇은 해수막이 존재하기 때문에 발생되는 이들 두 성분들 사이의 항력 손실이 감소되고, 추진장치(1)의 이 특수위치에서 발생되는 소음량도 감소된다는 잇점이 있다. 또다른 잇점으로서는, (고정자 권선에서 발생되는 자기장의 바람직하지 않은 비대칭에 의해 생성되는) 소량의 조파전류(harmonic currents)가 발생된다는 것과, 그 결과 회전자(23a, 23b)상에서 그러한 전류의 상호 작용에 의해서 생성되는 보다 낮은 진동(보다 높은 진동과 반대 개념임)이 발생된다는 것이 있다. 또한, 회전자(23a, 23b)가 각각의 고정자(25a, 25b) 내에서 회전할 때, 회전자의 중심을 벗어난 “흔들림(wobble)”에 의해 발생되는 진동도 감소된다. 마지막으로, 제1 및 제2전기 모터(24a, 24b)에 영구 자석을 이용함으로써 제공되는 이 대형 간극을 이용하면, 고정자(25a, 25b)내에서의 회전자(23a, 23b)의 회전이 이 간극내에 외부 물질이 도입됨으로써 방해되거나 중단되는 현상이 보다 적게 발생될 것이며, 또한 외부 충격에 대한 추진장치(1) 전체의 내성이 보다 커질 것이다. 그러면 회전자(23a, 23b)가 충격을 받아 고정자(25a, 25b)에 대해 그 중심에서 벗어나게 하는 충격으로 인한 손상에 대한 내성이 보다 강화될 것이다. 이들 모두는, 특히 잠수항의 응용분야에서 중요한 잇점이다.

제7도에 가장 잘 도시되어 있는 바와 같이, 각 제1 및 제2전기 모터(24a, 24b)의 고정자(25a, 25b)는 복수개의 균일하게 이격된 고정자 코어 권선(70)을 구비한다. 이들 고정자 코어 권선(70)의 각각은 결국 리드선(도시되지 않음)에 접속되며, 이 리드선은 결국 터미널 포스트 조립체(도시되지 않음)에 접속된다. 더욱이, 각각의 고정자 코어 권선(70)은 많은 적층형 자성체로 이루어진 강(steel) 제 링으로부터 형성된 고정자 코어(72)(제6도 또는 제7도에는 도시되지 않고 제2도 및 제5(a)도에 도시됨)내에 존재하는 반경방향 슬롯내에 수용된다. 상기 링은 고정자 코어 권선(70)에 의해 생성된 자기장을 전도시키나, 바람직하지 않은 맴돌이 전류는 전도시키지 않는다. 복수개의 조립 바아(building bar)(74)는 상기 고정자 코어(72)의 측면을 따라 용접되어, 고정자 코어(72)를 강화시킨다. 고정자(25a, 25b)의 모든 요소는 외측벽(80)파 내측벽(78)으로부터 형성된 수밀용 고정자 하우징(76)의 내측에 수용된다.

각 제1 및 제2전기 모터(24a, 24b)의 회전자(23a, 23b)는 탄소강으로부터 형성된 자석 하우징 링(87)의 내측에 장착되는 복수개의 사다리꼴 자석(85)으로부 터 형성된다. 각각의 자석(85)은 NbBFe 합금으로부터 형성하는 것이 바람직한 데, 왜냐하면 그것의 자계 용량과 이 물질의 B-H 특성 곡선이 탁월하기 때문이다. 각각의 자석(85)은 지르코늄 구리의 회전자 쐐기(88)에 의해서 자석 하우징 링(87)내에 유지된다. 상기 회전자 쐐기(88)는 볼트(89)에 의해서 자석 하우징 링(87)에 고착되어 있다. 바람직한 실시예에 있어서는 약 20개의 그러한 사다리꼴 형상의 자석(85)이 회전자(23)내에 배치된다. 고형 구리 봉으로 형성된 4개의 댐퍼 바아(90)는 각 자석(85)의 상단에 제공된다. 이 댐퍼 바아(90)는 각 자석(85)의 상단에 고착된 폴 캡 부재(pole cap member)(93)내에 존재하는 리세스내에 배치된다. 상기 댐퍼 바아(90) 및 회전자 쐐기(88)의 설치 목적은, 고정자 코어 권선(70)에 의해 바람직하지 못한 자계의 비대칭이 발생된 결과 생기는 회전자(23a, 23b)의 상측 표면으로 조파적으로 유도되는 전류로부터 자석(85)을 보호하는 것이다. 특히, 그러한 조파 전류는 고 도전성 댐퍼 바아(90)와 회전자 쐐기(88)내에 집중될 것이며, 그곳에서 그것들이 소모될 것이다. 상기 댐퍼 바아(90)와 회전자 채기(88)가 회전자 내에 존재하지 않는다면, 그러한 조파유도 전류가 자석(85)의 몸체를 직접 관통하게 될 것이므로, 결국, 그것의 자성이 부분적으로 없어질 것이다. 더욱이, 댐퍼 바아(90)와 회전자 쐐기(88)의 조합체는 다람쥐 통의 구조를 형성하므로, 회전자(23a, 23b)의 작동 개시가 촉진된다.

제5(a)도, 제5(b)도 및 제7도를 참조하면, 회전자(23a, 23b)가 고정자(25a, 25b)와 유사하게 수밀형 회전자 하우징(94) 내에 깡통식으로 밀봉되어 있다. 상기 회전자 하우징(94)은 내측벽(96), 외측벽(98), 전면벽(100) 및 후면벽(112)을 구비한다(제5(b)도에 도시됨). 특히 제5(b)도를 참조하면, 회전자 입구 링(114)은 회전자 하우징(94)의 후면벽(112)과 연결되고 치형의 후면벽(116)을 포함한다. 상기 치형의 후면벽(116)은 회전자 입구 링(114)과 반대쪽에 배치되는 고정자 입구링(120)의 치형의 전면벽(118)과 상보적인 형상을 갖는다. 상기 회전자 입구 링(114) 및 고정자 입구 링(120)의 후면벽(116)과 전면벽(118)의 상보적인 치형구조로 인해 그 주변의 해수에 대한 뒤틀린 통로가 형성되므로, 그 해수내에 동반된 외부 입자가 회전자(23a, 23b)의 외주와 고정자(25a, 25b)의 내주 사이의 간극으로 유입되는 것이 방지된다. 더욱이, 각 회전자(23a, 23b)의 외주에는 복수개의 나선 홈(121)이 형성되어, 회전자(23a, 23b)와 각각의 고정자(25a, 25b) 사이의 상기 간극으로부터 나온 외부 물질을 순환시켜서 내보낸다. 상기 나선 홈(121)에 의해 형성된 흐름 경로는 제2도의 상부에 흐름 화살표로 나타나 있다.

원통형 보호판(3)의 세부를 알아보기 위하여 제2도 및 제5(a)도를 다시 참조하면, 이 원통형 보호판(3)은 깔때기 형상의 유선부(입구 유선부)(124)를 구비한다. 이 유선부(124)는 장착 볼트(126)에 의해서 고정자 하우징(76)의 상류측에 고착된다. 베인 장착 링(128)은 도시된 바와 같은 장착 볼트에 의해서 고정자 하우징(76)의 상류측에 고착된다. 상기 원통형 보호판(3)의 후면에는 출구 노즐(130)이 제공된다. 이 출구 노즐(130)은 후면 베인 장착 링(132)에 연결되어 있다. 상기 후면 베인 장착 링(132)은 장착 볼트(134)에 의해서 하류의 제2전기 모터(24b)의 고정자 하우징(76)의 하류측에 고착된다. 상류 및 하류의 제1 및 제2베어링 조립체(17a, 17b)의 베어링 하우징(30)과 관련된 난류 방지 형상과 협력하여 출구 노즐(130)과 유선부(124)에 의해 형성된 세로 흠이 새겨진 코트 노즐의 윤곽은 보호판 조립체의 내측에 회전가능하게 장착되어 있는 2개의 제1 및 제2프로펠러(13a, 13b)의 추력을 최대화시키는 역할을 한다.

추진장치(1)의 바람직한 작동 방식에 있어서는, 2개의 제1 및 제2전기 모터(24a, 24b)가 상이한 속도(균일한 속도와 대비됨)로 각각의 제1 및 제2 프로펠러(13a, 13b)를 회전시키는 역할을 수행하므로, 상류의 제1프로펠러(13a)가 고압의 수류를 발생시켜서 하류의 제2프로펠러(13b)를 과급(過給)한다. 더욱이, 2개의 제1 및 제2프로펠러(13a, 13b)의 피치는 각기 관련되어 있는 제1 및 제2전기 모터(24a, 24b)가 각 프로펠러를 상이한 방향으로 회전시킬 수 있도록 상이한 것이 바람직하다. 그렇게 역회전되면 추진장치(1)와 관련된 어떠한 토오크도 제거되거나 또는 적어도 최소화되므로 유익하다. 이 점은 토오크가 존재한다면, 특히 추진장치(1)가 선박을 저속으로 구동시키기 위하여 이용될 때 그 토오크가 추진장치(1)가 부착되어 있는 선박의 조타동작과 간섭될 수 있기 때문에 큰 장점이다.

Claims (15)

1. 수중 추진장치(a submersible propulsor unit)에 있어서, 물 입구(5)와 물 출구(7)를 갖는 원통형 보호판(3)과, 상기 원통형 보호판(3)의 회전 축선을 따라 상기 물 입구(5)와 물 출구(7)사이에 배치되는 축 조립체(9)와, 상기 원통형 보호판(3)내에 상기 축 조립체(9)를 장착하기 위한 복수개의 베인 부재(11a, 11b)와, 상기 축 조립체(9)에 회전가능하게 장착되는 분리된 프로펠러 허브(15a, 15b)를 각기 포함하는 제1 및 제2프로펠러(13a, 13b)로서, 상기 제2프로펠러(13b)는 제1프로펠러(13a)의 하류에 위치되는, 상기 제1 및 제2프로펠러(13a, 13b)와, 상기 제1 및 제2프로펠러(13a, 13b)를 개별적으로 회전시키기 위한 것으로, 상기 제1 및 제2프로펠러(13a, 13b)의 외주둘레에 장착되는 회전자(23a, 23b)와, 상기 회전자(23a, 23b)의 둘레에서 상기 원통형 보호판(3)에 장착되는 고정자(25a, 25b)를 각기 구비하는 제1 및 제2전기모터(24a, 24b)와, 상기 제1 및 제2프로펠러(13a, 13b)의 프로펠러 허브(15a, 15b)와 상기 축 조립체(9)의 사이에 배치되는 주 스러스트 베어링(38)을 각기 구비한 제1 및 제2베어링 조립체(17a, 17b)를 포함하고; 상기 제1 및 제2베어링 조립체(17a, 17b)와 관련된 상기 주 스러스트 베어링(38)은 양자가 다 상기 축 조립체(9)의 양쪽 단부에 위치되는 수중 추진장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 베인 부재(11a, 11b)는 내충격성을 증가시키기 위하여 상기 원통형 보호판(3)내에서 상기 축 조립체(9)의 상류단 및 하류단의 양자에 장착되는 수중 추진장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 베어링 하우징(30)의 각각의 적어도 일부가 상기 제1 및 제2베어링 조립체(17a, 17b)와 관련된 주 스러스트 베어링(38)에 개별적인 접근을 제공하기 위하여 착탈가능한 수중 추진장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 베어링 하우징(30)의 각각은 상기 수중 추진장치의 작동 중 소음을 최소화시키기 위하여 작동 중 제1 및 제2프로펠러(13a, 13b)에 대해 정지상태로 유지되는 수중 추진장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2베어링 조립체(17a, 17b)의 각각은 상기 조립체를 윤활 및 이를 냉각시키기 위하여 그 주변의 물을 그것의 베어링 표면 둘레로 순환시키기 위한 물 순환 수단(51)을 구비하는 수중 추진 장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 축 조립체(9)는 상기 베어링 표면 둘레로 그 주변의 물을 순환시키기 위하여, 그 주변의 물 흐름을 상기 물 순환 수단(51)으로 전송하기 위한 관통공(10)을 그 회전 축선을 따라 구비하고 있는 수중 추진장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 축 조립체(9)는 상기 그 주변에 물에 동반되는 입자가 상기 관통공(10)을 관통하는 것을 방지하기 위하여 상기 관통공(10)의 양 단부에 여과 수단(35)을 더 포함하는 수중 추진장치.
8. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2프로펠러(13a, 13b)가 서로 역회전될 때 토오크가 없는 추력이 발생될 수 있도록 상기 제1프로펠러(13a)의 피치가 상기 제2프로펠러(13b)의 피치의 반대쪽에 배치되는 수중 추진장치.
9. 제1항에 있어서, 상기 제1전기 모터(24a)와 상기 제1프로펠러(13a)의 조합체는 원통형 보호판(3)을 통한 압축된 수류를 발생시킴으로써, 상기 제2전기모터(24b)와 상기 제2프로펠러(13b)의 조합체를 과급(過給)하는 기능을 수행하는 수중 추진장치.
10. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2베어링 조립체(17a, 17b)의 각각은 상기 베어링 하우징(30)의 상기 착탈가능한 부분의 제거시 접근가능한 레이디얼 베어링(57, 59)을 더 포함하는 수중 추진장치.
11. 수중 추진장치에 있어서, 물 입구(5)와 물 출구(7)를 갖는 원통형 보호판(3)과, 상기 원통형 보호판(3)의 회전 축선을 따라 상기 물 입구(5)와 물 출구(7)사이에 배치되는 축 조립체와, 상기 원통형 보호판(3)내에 상기 축 조립체(9)를 장착하기 위한 복수개의 베인 부재(11a, 11b)와, 상기 축 조립체(9)에 회전가능하게 장착되는 분리된 프로펠러 허브(15a, 15b)를 각기 포함하는 제1 및 제2프로펠러(13a, 13b)로서, 상기 제2프로펠러(13b)는 상기 제1프로펠러(13a)의 하류에 위치되며, 상기 제1프로펠러(13a)는 상기 수중 추진장치의 작동 중 상기 제2프로펠러(13b)를 과급하도록 작동하는, 상기 제1 및 제2프로펠러(13a, 13b)와, 상기 제1 및 제2프로펠러(13a, 13b)를 개별적으로 회전시키기 위한 것으로서, 상기 제1 및 제2프로펠러(13a, 13b)의 외주둘레에 장착되는 회전자(23a, 23b)와, 상기 회전자(23a, 23b)의 둘레에서 상기 원통형 보호판(3)에 장착되는 고정자(25a, 25b)를 각기 구비하는 제1 및 제2전기 모터(24a, 24b)와, 상기 제1 및 제2프로펠러(13a, 13b)의 프로펠러 허브(15a, 15b)와, 상기 축 조립체(9)의 사이에 배치되는 주 스러스트 베어링(38)을 각기 구비한 제1 및 제2베어링 조립체 (17a, 17b)를 포함하고; 상기 제1 및 제2베어링 조합체(17a, 17b)와 관련된 상기 주 스러스트 베어링(38)은 양자가 다 상기 축 조립체(9)의 양쪽 단부에 위치되고, 상기 각 제1 및 제2베어링 조립체(17a, 17b)는 베어링 표면에 대한 윤활기능을 하고 이를 냉각시키기 위하여 그 표면 둘레로 그 주변의 물을 순환시키기 위한 물 순환 수단(51)을 더 포함하는 수중 추진장치.
12. 제11항에 있어서, 상기 제1 및 제2 베어링 조립체(17a, 17b)와 관련된 각각의 주 스러스트 베어링(38)의 각각은 상기 축 조립체(9)의 일 단부에 부착되는 베어링 하우징(30)을 구비하고, 상기 베인 부재(11a, 11b)는 상기 수중 추진 장치의 충격에 대한 내성을 증가시키기 위하여 상기 베어링 하우징(30)과 상기 원통형 보호판(3)의 양자 사이에 장착되는 수중 추진장치.
13. 제11항에 있어서, 상기 베어링 하우징(30)의 각각의 적어도 일부가 상기 제1 및 제2베어링 조립체(17a,17b)와 관련된 주 스러스트 베어링(38)에 개별적인 접근을 제공하기 위하여 착탈가능한 수중 추진장치.
14. 제11항에 있어서, 상기 축 조립체(9)는 상기 베어링 표면 둘레로 그 주변의 물을 순환시키기 위하여, 그 주변의 물 흐름을 상기 물 순환 수단(51)으로 전송하기 위한 관통공(10)을 그 회전 축선을 따라 구비하고 있는 수중 추진장치.
15. 제11항에 있어서, 상기 제1 및 제2 프로펠러(13a, 13b)가 서로 역회전될 때 토오크가 없는 추력이 발생될 수 있도록 상기 제1프로펠러(13a)의 피치가 상기 제2프로펠러(13b)의 피치의 반대쪽에 배치되는 수중 추진장치.