KR20200075824A - 선박용 하이브리드 전기기계식 추진 및 에너지 시스템 - Google Patents
선박용 하이브리드 전기기계식 추진 및 에너지 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
선박용 하이브리드 전기기계식 추진 및 전력 시스템은 제 1 샤프트(59)를 통해 제 1 프로펠러(61)를 구동시키도록 구성된 제 1 기계식 발전 장치(58, 60)를 포함한다. 제 2 샤프트(55)를 통해 제 2 프로펠러(57)를 구동시키도록 구성된 제 2 전기식 발전 장치(22, 24, 26)가 마련된다. 제 2 전기식 발전 장치는 고온 초전도체(HTS) 발전기(25, 27) 그리고 제 2 샤프트에 상호 연결된 HTS 모터(36)를 포함한다. 제 2 샤프트를 통해 제 2 프로펠러를 구동시키도록 HTS 모터에 동력을 공급하기 위하여 HTS 모터가 연결되는 제 1 전력망이 마련된다.
Description
본 출원은, 2017년 9월 7일자로 출원된, "증가된 회전 관성을 갖는 고온 초전도체 발전기(HIGH TEMPERATURE SUPERCONDUCTOR GENERATOR WITH INCREASED ROTATIONAL INERTIA))"를 명칭으로 하는 계류중인 미국 출원 연속물 제 15/697,549 호와 연관되어 있으며 이를 우선권 주장하는, 2017년 12월 11일자로 출원된, "선박용 하이브리드 전기기계식 추진 및 에너지 시스템(HYBRID ELECTRICAL AND MECHANICAL PROPULSION AND ENERGY SYSTEM FOR A SHIP)"을 명칭으로 하는 미국 출원 연속물 제 62/597,150 호를 우선권 주장하며, 이들 양 출원은 본원에 참조로써 인용되고 있다.
본 발명은 선박용 하이브리드 전기기계식 추진 및 에너지 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 프로펠러 샤프트 중 적어도 하나에 독점적으로 전력을 공급하기 위한 고온 초전도체(HTS) 모터 및 HTS 발전기 그리고 적어도 하나의 다른 프로펠러 샤프트에 독점적으로 전력을 공급하기 위한 기계적 구동부를 이용하는 하이브리드 전기기계식 추진 및 에너지 시스템에 관한 것이다.
전 세계 해운 업계와 해군의 관심사 중 하나는, 예를 들어, 연료 효율 개선, 전기 용량 증대 및 보다 정교한 선상 시스템을 제공하기 위한 고급 기술을 사용하여 선박을 개선하는 것이다. 추진 및 발전 시스템의 크기 및 중량을 감소시키게 되면 더 많은 양의 장비, 화물 및/또는 승무원의 수용이 가능할 뿐만 아니라 연비를 향상시킬 추가의 여지를 제공하게 된다. 해군 함선을 예로 들자면, 새로운 다양한 종류의 전기 무기, 고급 기술의 센서 및 통합 지원 시스템이 전 세계 해군의 흥미를 유발할 수도 있을 것이다. 이러한 시스템은, 특히 엄격한 전력 수요를 제시하는, 전자기 총 및 고출력 레이저 또는 마이크로파 지향 에너지 무기를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 이러한 무기는 매우 짧은 시간 주기 동안 많은 양의 전력을 필요로 한다.
전형적인 선박용 추진 및 에너지 발생 시스템은 기동성을 위해 메인 감속 기어를 통해 선박 프로펠러 샤프트를 구동시키기 위해 해상용 가스 터빈 및 디젤 엔진 기술을 사용하며, 원동기에 의해 발생되는 별도의 전용 전력은 선상 전기 시스템의 전원인 전력망에 전력을 공급하기 위해 전기 발전기를 구동하는 데 사용된다. 가스 터빈 기술에 의해 달성할 수 있는 크기 및 중량의 감소에는 물리적으로 한계가 있으며 상당한 발전을 기대하기는 힘들 것으로 보인다. 또한, 전력을 생산하는 데 사용되는 해상용 가스 터빈 및 디젤 엔진 발전기 기술은 전형적으로, 일정한 부하 인가 시에 효율적이며 안정적으로 작동하도록 설계되고 있다. 따라서, 이러한 기술로는, 선박에는 적합하지 않을 수도 있는 상당한 수준의 비용이 많이 드는 전기 시스템의 개선 없이, 전기 무기와 같은 고급 기술의 전기 시스템과 관련된 전술한 동적 부하를 지원하기가 불가능하다. 예를 들어, 종래의 가스 터빈 발전기 시스템에 의하면, 전기 무기에 전력을 공급하는 기본적인 에너지 저장 장치의 펄스 효과를 제거하기 위해 배터리 또는 플라이휠(fly wheel)과 같은 추가의 에너지 저장 시스템이 필요할 수도 있다.
기계식, 공압식 및 유압식과 같은 다른 수단을 대신하여, 추진력을 포함한 모든 전력 요건을 충족시키기 위해 전기 수단을 사용하는 것을 포함할 수도 있는 완전 전기식 선박(all-electric ship)의 개념이 탄력을 받고 있다. 통합 전력 시스템(Integrated Power System:IPS), 특히, 고온 초전도체 모터와 발전기를 사용하는 완전 전기식 선박은 크기와 중량의 감소를 초래할 것이며, 이에 따라, 더 많은 양의 장비와, 화물, 무기, 및/또는 승무원의 수용뿐만 아니라 효율과 연비 향상을 위한 추가의 여지와 함께 중량 용량을 제공할 것이다. 이러한 시스템은 공통의 전기 버스를 통해 전력을 원활하게 공유함으로써, 프로펠러에 전력을 공급하는 것에서부터 전투 시스템에 전력을 공급하며 조명 부하용 전원을 제공하는 것에 이르기까지 선박의 모든 전기 기능 수행을 위해 어디에서나 전력을 공유할 수 있도록 할 것으로 예상된다. 그러나, 현재 많은 선박 설계에 따르면, 필요한 추가 전력량을 지원하기에 유효한 충분한 공간 또는 중량 용량이 마련되고 있지 않으며, 있다 하더라도, 전력 시스템이 "공통의 전기 버스(common electric bus)" 아키텍처 설계의 작동 및 존속을 위한 전기 무기의 부산물인 극도의 펄스 전력 왜곡을 관리하고 타개하기에 충분할 정도로 개발되어 있지 않다. 따라서, 현재로서는 진정한 완전 전기식 해결 방안이 공간 및 중량 관련 제약이 많은 선박에 대한 실행 가능한 옵션이라 할 수 없다.
따라서, 엄격한 전력 수요를 갖는 새로운 다양한 종류의 무기, 고급 기술의 센서 및 통합 지원 시스템에 전력을 공급할 수 있는 비용 효율적인 선박용 추진 및 에너지 시스템이 필요하며, 또한 이러한 시스템에 대해서는 더 넓은 공간의 제공과 연비 개선을 위해 크기 및 중량을 감소시킬 필요가 있다.
일 양태에 있어서, 본 발명은 제 1 샤프트를 통해 제 1 프로펠러를 독점적으로 구동시키도록 구성된 제 1 기계식 발전 장치 그리고 제 2 샤프트를 통해 제 2 프로펠러를 독점적으로 구동시키도록 구성된 제 2 전기식 발전 장치를 포함하는 선박용 하이브리드 전기기계식 추진 및 전력 시스템을 특징으로 한다. 제 2 전기식 발전 장치는 제 2 샤프트에 상호 연결된 고온 초전도체(HTS) 모터를 포함한다. 제 2 샤프트를 통해 제 2 프로펠러를 구동시키도록 HTS 모터에 동력을 공급하기 위하여 HTS 모터가 연결되는 제 1 전력망이 마련된다.
본 발명의 다른 양태에 있어서, 아래의 특징 중 하나 이상이 포함될 수도 있다. 제 1 전력망에 상호 연결되어 제 1 전력망으로부터 전력을 공급받는 적어도 하나의 전기 무기 시스템이 포함될 수도 있다. 선박 서비스 전기 시스템에 전력을 공급하도록 구성된 제 2 전력망이 추가로 포함될 수도 있다. 제 2 전력망은 제 1 전력망에도 연결된 분리 스위치에 연결된다. 분리 스위치는 제 1 전력망과 제 2 전력망을 연결 및 분리하도록 구성된다. 제 2 전기식 발전 장치는 제 1 개폐 장치를 통해 제 1 전력망에 연결된 적어도 하나의 HTS 발전기를 포함할 수도 있다. 적어도 하나의 HTS 발전기는 고관성 HTS 발전기일 수도 있다. 제 1 기계식 발전 장치는 메인 감속 기어에 상호 연결된 적어도 하나의 가스 터빈 또는 디젤 엔진 원동기를 포함할 수도 있으며, 메인 감속 기어는 제 1 프로펠러를 구동시키도록 제 1 샤프트에 연결될 수도 있다. 제 2 전력망에 상호 연결된 적어도 하나의 선박 서비스 터보-발전기 또는 디젤 발전기가 추가로 포함될 수도 있다. 적어도 하나의 펄스 전력 부하를 제 1 전력망에 연결하는 제 2 개폐 장치가 추가로 포함될 수도 있다. 제 1 기계식 발전 장치는 선박의 제 1 기관실에 설치되도록 구성될 수도 있으며, 제 2 전기식 발전 장치는 선박 상의 제 2 기관실에 설치되도록 구성될 수도 있다. 제 2 발전 장치의 적어도 하나의 HTS 발전기가 선박의 제 2 기관실에 포함될 수도 있다. HTS 모터는 선박의 선체 내에서 적어도 하나의 HTS 발전기보다 낮게 제 2 기관실에 장착될 수도 있다. 제 2 기관실의 HTS 모터는 선박의 선체 내에서 제 1 기관실의 메인 감속 기어보다 낮게 장착될 수도 있다. 메인 감속 기어는 제 1 각도로 제 1 샤프트에 상호 연결될 수도 있으며, HTS 모터는 제 2 각도로 제 2 샤프트에 상호 연결될 수도 있으며, 제 1 각도가 제 2 각도보다 크다.
본 발명의 다른 양태에 있어서, 아래의 특징 중 하나 이상이 포함될 수도 있다. 선박용 추진 및 전력 시스템을 적어도 두 개의 작동 모드로 작동시키도록 구성된 제어부가 포함될 수도 있다. 제 1 모드에서, 제어부는 제 1 개폐 장치 및 제 2 개폐 장치 각각을 통해 적어도 하나의 HTS 발전기 및 적어도 하나의 펄스 전력 부하를 제 1 전력망에 연결하도록 구성될 수도 있으며, 제어부는 제 1 전력망을 제 2 전력망으로부터 격리하기 위해 분리 스위치를 개방하도록 구성될 수도 있어, 제 1 전력망이 제 2 샤프트를 통해 제 2 프로펠러를 구동시키기 위해 HTS모터에 전력을 공급할 수 있도록 하며 동시에 적어도 하나의 펄스 전력 부하에 전력을 공급할 수 있도록 한다. 제 1 모드에서, 제어부는 또한, 제 2 샤프트를 통해 제 2 프로펠러를 구동시키기 위해 제 1 기계식 발전 장치를 작동시키도록 구성될 수도 있다. 제 2 모드에서, 제어부는 제 1 개폐 장치 및 제 2 개폐 장치 각각을 통해 적어도 하나의 HTS 발전기를 제 1 전력망에 연결하며 적어도 하나의 펄스 전력 부하를 제 1 전력망으로부터 분리하도록 구성될 수도 있으며, 제어부는 제 1 전력망을 제 2 전력망에 연결하기 위해 분리 스위치를 폐쇄하도록 구성될 수도 있어, 제 1 전력망이 제 2 전력망에 전력을 공급할 수 있도록 하며 동시에 제 2 샤프트를 통해 제 2 프로펠러를 구동시키기 위해 HTS 모터에 전력을 공급할 수 있도록 한다. 제 2 모드에서, 제어부는 또한, 제 2 샤프트를 통해 제 2 프로펠러를 구동시키기 위해 제 1 기계식 발전 장치를 작동시키도록 구성될 수도 있다. 제 3 모드에서, 제어부는 제 1 개폐 장치 및 제 2 개폐 장치 각각을 통해 적어도 하나의 HTS 발전기 및 적어도 하나의 펄스 전력 부하를 제 1 전력망으로부터 분리하도록 구성될 수도 있으며, 제어부는 제 1 전력망을 제 2 전력망에 연결하기 위해 분리 스위치를 폐쇄하도록 구성될 수도 있어, 제 2 전력망이 제 1 전력망에 전력을 공급할 수 있도록 하며 동시에 제 2 샤프트를 통해 제 2 프로펠러를 구동시키기 위해 HTS 모터에 전력을 공급할 수 있도록 한다. 제 3 모드에서, 제어부는 또한, 제 1 기계식 발전 장치의 작동을 종료하며 제 2 샤프트를 통해 제 2 프로펠러가 페더링(feathering)하게 허용하도록 구성될 수도 있다.
다른 양태에 있어서, 본 발명은 종축선을 구비하며 제 1 회전 관성을 갖는 고온 초전도체(HTS) 회전 기계를 특징으로 한다. 회전 기계는 종축선을 중심으로 배치된 원통형 고정자 조립체 그리고 고정자 조립체의 내부에 배치되며 고정자 조립체의 내부에서 종축선을 중심으로 회전하도록 구성된 원통형 회전자 조립체를 포함한다. 회전자 조립체는 작동 시에 고정자 조립체와 연동하는 자속을 발생시키는 적어도 하나의 HTS 권선 조립체를 포함한다. 적어도 하나의 HTS 권선 조립체를 중심으로 배치된 원통형 전자기 차폐부가 마련되며, 원통형 전자기 차폐부는 제 2 회전 관성을 갖는다. 회전자 조립체의 적어도 하나의 초전도 권선 조립체를 냉각하기 위한 극저온 냉각 시스템이 마련된다. 제 2 회전 관성은 제 1 회전 관성의 적어도 팔십 퍼센트(80%)이다.
본 발명의 또 다른 양태에 있어서, 아래의 특징 중 하나 이상이 포함될 수도 있다. 적어도 하나의 HTS 권선은 N극 쌍(p개)을 포함할 수도 있다. 회전 기계는 종축선으로부터 적어도 하나의 HTS 권선까지의 반경(R1)을 가질 수도 있다. 원통형 전자기 차폐부는 두께(t)를 가질 수도 있으며, 두께(t)는 R1/p의 50%를 초과할 수도 있다. 원통형 전자기 차폐부는 금속을 포함할 수도 있다. 금속은 구리, 강, 납, 금, 텅스텐 그리고 폐우라늄 중 하나 이상을 포함할 수도 있다.
본 발명의 추가의 양태는 터빈 그리고 제 1 단부에서 터빈에 상호 연결된 샤프트를 구비한 터보-발전기를 특징으로 한다. 샤프트의 제 2 단부에 연결되며 종축선 및 제 1 회전 관성을 갖는 고온 초전도체(HTS) 회전 기계가 마련된다. HTS 회전 기계는 종축선을 중심으로 배치된 원통형 고정자 조립체를 포함한다. 고정자 조립체의 내부에 배치되며, 고정자 조립체의 내부에서 종축선을 중심으로 회전하도록 구성되는 원통형 회전자 조립체가 마련된다. 회전자 조립체는 작동 시에 고정자 조립체와 연동하는 자속을 발생시키는 적어도 하나의 HTS 권선 조립체를 포함한다. 적어도 하나의 HTS 권선 조립체를 중심으로 배치된 원통형 전자기 차폐부가 마련된다. 원통형 전자기 차폐부는 제 2 회전 관성을 갖는다. 회전자 조립체의 적어도 하나의 초전도 권선 조립체를 냉각하기 위한 극저온 냉각 시스템이 마련된다. 제 2 회전 관성은 제 1 회전 관성의 적어도 팔십 퍼센트(80%)이다.
적어도 하나의 HTS 권선은 N극 쌍(p개)을 포함할 수도 있다. 회전 기계는 종축선으로부터 적어도 하나의 HTS 권선까지의 반경(R1)을 가질 수도 있다. 원통형 전자기 차폐부는 두께(t)를 가질 수도 있으며, 두께는 R1/p의 50%를 초과할 수도 있다. 원통형 전자기 차폐부는 금속을 포함할 수도 있다. 금속은 구리, 강, 납, 금, 텅스텐 그리고 폐우라늄 중 하나 이상을 포함할 수도 있다.
본 발명의 추가의 양태에 있어서, 아래의 특징 중 하나 이상이 포함될 수도 있다.
본 개시의 실시예가 첨부 도면을 참조하여 단지 예시로서 설명된다.
도 1은 본 개시의 일 양태에 따른 전기 무기 시스템 및 하이브리드 전기기계식 추진 및 에너지 시스템을 구비한 선박의 사시도를 보여주며;
도 2는 도 1의 하이브리드 전기기계식 추진 및 에너지 시스템의 개략적인 선도를 보여주며;
도 3은 발전기 회전 속도 및 그에 따른 전력 출력에 대한 펄스 전력 부하의 영향을 도시하기 위한 시간 경과에 따른 터보-발전기 회전 속도의 플롯을 보여주며;
도 4는 크기 및 중량 감소에 최적화된 설계의 HTS 발전기의, 발전기의 길이를 따라 취한, 단면도를 보여주며;
도 5a는 전자기 차폐부 두께 및 전자기 간극을 포함하는 발전기의 치수를 도시하기 위해 발전기의 폭을 가로질러 취한 도 4의 유형의 HTS 발전기의 단면도를 보여주며;
도 5b는 전자기 차폐부 두께 및 전자기 간극을 포함하는 발전기의 치수를 도시하기 위해 발전기의 폭을 가로질러 취한 본 발명의 일 양태에 따른 증가된 회전 관성을 갖는 HTS 발전기의 단면도를 보여주며;
도 6a는 전기 구동부가 활성화된 활성 전기 무기 모드를 도시한 도 2의 하이브리드 전기기계식 추진 및 에너지 시스템의 개략적인 선도를 보여주며;
도 6b는 선박 서비스 전기 시스템 전력이 제공되며 전기 구동부가 활성화된 비활성 전기 무기 모드를 도시한 도 2의 하이브리드 전기기계식 추진 및 에너지 시스템의 개략적인 선도를 보여주며;
도 6c는 전기 구동부에 선박 시스템 전력이 공급되며 기계식 구동부가 활성화되어 있지 않은 절약 모드를 도시한 도 2의 하이브리드 전기기계식 추진 및 에너지 시스템의 개략적인 선도를 보여주며;
도 7은 본 개시에 따른 개조 이전의 기관실 1(ER1)을 도시한 선박의 전방 단부에서 본, 선 A-A를 따라 선박을 가로질러 취한 도 1의 선박의 단면도를 보여주며;
도 8은 본 개시에 따른 개조 이후의 기관실 1(ER1)을 도시한 선박의 전방 단부에서 본, 선 A-A를 따라 선박을 가로질러 취한 도 1의 선박의 단면도를 보여주며;
도 9는 본 개시에 따른 개조 이후의 기관실 1(ER1)을 도시한, 선 B-B를 따라 취한 도 1의 선박의 종단면도를 보여준다.
도 1은 본 개시의 일 양태에 따른 전기 무기 시스템 및 하이브리드 전기기계식 추진 및 에너지 시스템을 구비한 선박의 사시도를 보여주며;
도 2는 도 1의 하이브리드 전기기계식 추진 및 에너지 시스템의 개략적인 선도를 보여주며;
도 3은 발전기 회전 속도 및 그에 따른 전력 출력에 대한 펄스 전력 부하의 영향을 도시하기 위한 시간 경과에 따른 터보-발전기 회전 속도의 플롯을 보여주며;
도 4는 크기 및 중량 감소에 최적화된 설계의 HTS 발전기의, 발전기의 길이를 따라 취한, 단면도를 보여주며;
도 5a는 전자기 차폐부 두께 및 전자기 간극을 포함하는 발전기의 치수를 도시하기 위해 발전기의 폭을 가로질러 취한 도 4의 유형의 HTS 발전기의 단면도를 보여주며;
도 5b는 전자기 차폐부 두께 및 전자기 간극을 포함하는 발전기의 치수를 도시하기 위해 발전기의 폭을 가로질러 취한 본 발명의 일 양태에 따른 증가된 회전 관성을 갖는 HTS 발전기의 단면도를 보여주며;
도 6a는 전기 구동부가 활성화된 활성 전기 무기 모드를 도시한 도 2의 하이브리드 전기기계식 추진 및 에너지 시스템의 개략적인 선도를 보여주며;
도 6b는 선박 서비스 전기 시스템 전력이 제공되며 전기 구동부가 활성화된 비활성 전기 무기 모드를 도시한 도 2의 하이브리드 전기기계식 추진 및 에너지 시스템의 개략적인 선도를 보여주며;
도 6c는 전기 구동부에 선박 시스템 전력이 공급되며 기계식 구동부가 활성화되어 있지 않은 절약 모드를 도시한 도 2의 하이브리드 전기기계식 추진 및 에너지 시스템의 개략적인 선도를 보여주며;
도 7은 본 개시에 따른 개조 이전의 기관실 1(ER1)을 도시한 선박의 전방 단부에서 본, 선 A-A를 따라 선박을 가로질러 취한 도 1의 선박의 단면도를 보여주며;
도 8은 본 개시에 따른 개조 이후의 기관실 1(ER1)을 도시한 선박의 전방 단부에서 본, 선 A-A를 따라 선박을 가로질러 취한 도 1의 선박의 단면도를 보여주며;
도 9는 본 개시에 따른 개조 이후의 기관실 1(ER1)을 도시한, 선 B-B를 따라 취한 도 1의 선박의 종단면도를 보여준다.
본 개시 및 그 다양한 특징부와 유리한 세부 사항이 첨부 도면 및 아래의 설명에 상세히 설명되며 및/또는 예시된 비제한적인 실시예 및 예를 참조하여 보다 완전히 설명된다. 도면에 도시된 특징부가 반드시 실제 크기 비율로 도시되어야 하는 것은 아니며, 본 명세서에 명시적으로 언급되지 않더라도, 당업자가 인식할 수 있는 바와 같이, 일 실시예의 특징부가 다른 실시예에 채용될 수도 있음에 유의하여야 한다.
잘 알려진 구성 요소 및 처리 기술에 대한 설명은 본 개시의 실시예를 불필요하게 모호하게 만들지 않도록 생략될 수도 있다. 본 명세서에 사용된 예는 단지 본 개시가 실시될 수도 있는 방식의 이해를 용이하게 하며 또한 당업계의 숙련자가 본 개시의 실시예를 실시할 수 있도록 하기 위한 것이다. 따라서, 본 명세서의 예 및 실시예가 본 개시의 범위를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 또한, 여러 개의 도면 전체에 걸쳐 동일한 도면 부호는 유사한 부분을 나타낸다는 점에 유의한다.
도 1을 참조하면, 해군 함선, 예를 들어, 구축함과 같은 선박(10)이 도시되어 있다. 본 개시의 창의적인 양태가 특히 해군 함선에 적용 가능하긴 하지만, 본 발명이 해군 함선으로 한정되는 것은 아니며, 크루즈 선박과 같이, 중요한/엄격한 전력 요건을 가지며 크기 및 중량의 감소를 필요로 하는 다른 유형의 선박에 적용될 수 있다. 선박(10)은 완전 전기식의 제 1 구동부(12) 및 완전 기계식의 제 2 구동부(14)를 포함하며, 이들 구동부는 함께 하이브리드 전기기계식 추진 및 에너지 시스템의 일부를 형성한다. 이러한 예에서, 완전 전기식 구동부(12)는 우현 구동부이며 완전 기계식 구동부(14)는 좌현 구동부이지만, 완전 전기식 구동부가 선박(10)의 좌현에 마련되며 기계식 구동부가 선박(10)의 우현에 마련되는 방식으로 서로 뒤바뀔 수 있다. 또한, 본 발명이 두 개의 구동부를 갖는 선박으로 한정되는 것은 아니며, 적어도 하나의 기계식 구동부 및 적어도 하나의 전기식 구동부가 마련되는 한, 더 많은 개수의 구동부에 적용될 수 있다.
하나의 프로펠러 샤프트가 소형 전기 모터(연료 절감용)와 가스 터빈으로부터의 직접적인 기계 동력의 조합에 의해 구동되는 선박의 예에 유의하여야 한다. 이러한 구동부는 모두, 예를 들어, 3600 RPM으로 회전하는 25000 HP 가스 터빈 그리고 기타 다른 속도로 회전하는 2 MW 전기 모터를 수용할 수 있는 메인 감속 기어에 의해 달성된다. 이러한 구동부는 "하이브리드 전기 구동부(Hybrid Electric Drive)"라고도 불리운다. 본 명세서에 설명된 하이브리드 시스템의 고유한 일 특징은, 하나의 샤프트는 기계적인 방식에 의해서만 구동되며 다른 하나의 샤프트는 전기적인 방식에 의해서만 구동된다는 점이다.
본 개시에 따른 하이브리드 전기기계식 추진 및 에너지 시스템은 새로운 선박 설계에 따라 새롭게 구축된 선박에 설치될 수도 있으며, 또는 오래된/기존의 선박/설계를 개조한 선박에 설치될 수도 있다. 개조 선박은, 기계식 구동부가 완전 전기식 구동부로 대체된, 이미 구축되어 있는 유형의 선박일 수도 있으며, 또는 선박에 하이브리드 전기기계식 추진 및 에너지 시스템이 새로 구축될 기존 선박 설계의 개조 선박일 수도 있다. 본 명세서에 제공된 예에서 설명되고 있는 개조 설계/선박의 경우, 원래의 선박 구성의 좌현 구동부 및 우현 구동부가 모두 기계식 구동부이다. 따라서, 제 1 기계식 구동부는 완전 전기식 구동부(12)로 대체되며, 제 2 기계식 구동부(14)는 원래의 선박 설계를 유지한다. 또한, 선박(10) 상에 포함되는 소정의 전기 무기(16, 18)는, 예를 들어, 매우 짧은 시간 주기 동안 많은 양의 전력을 필요로 하는 전자기 총 및 고출력 레이저 또는 마이크로파 지향 에너지 무기일 수도 있다.
전술한 바와 같이, 기존의 해상용 가스 터빈 및 디젤 엔진 발전기 기술이 장착된 선박은 이러한 고급 기술의 전기 무기를 지원할 수 없을 것이다. 그 이유는, 해상용 가스 터빈 및 디젤 엔진 발전기는 원래 일정한 부하 인가 시에 효율적이며 안정적으로 작동하도록 설계되었기 때문이다. 완전 전기식 선박은 전기 무기 시스템을 지원할 것이긴 하지만, 선박의 선상 시스템이 필요로 하는 전력 품질 요건이 엄격하며(소위 유형 1 전력), 이러한 전력 품질 요건을 충족시키기 위해서는, 직렬 인덕턴스 또는 기타 다른 에너지 저장 수단과 같은, 아직 완전히 개발되지 않은 고가의 추가의 전력 품질 구성 요소가 필요하다. 이로 인해, 선박 내부에서 공간을 찾기 어렵게 만들며 불가능하게 만들 수도 있고 또한 비용도 많이 드는, 크기가 더 큰 시스템 구성 요소가 다수 필요하게 된다. 그러나, 도 2의 하이브리드 전기기계식 추진 및 에너지 시스템(20)은 고급 기술의 전기 무기 시스템 및 선박의 선상 시스템에 전력을 공급할 수 있을 뿐만 아니라, 알맞은 비용으로 선박 추진을 달성할 수 있으며, 원래의 구성과 비교하여, 크기, 중량 및 기술적 복잡성을 감소시킬 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 하이브리드 전기기계식 추진 및 에너지 시스템(20)은 두 개의 터보 발전기(22, 24)를 포함한다. 이러한 예에서, 각각의 터보-발전기는 60 Hz에서 4500 V AC(또는 6 kV와 같은 다른 적절한 전압 레벨)의 29 MW의 3상 전력을 출력할 수도 있다. 도시된 바와 같이, 터보-발전기(22)는 3상 개폐 장치(26)를 통해 제 1 전력망(21)에 연결되는 반면, 터보-발전기(24)는 3상 개폐 장치(28)를 통해 제 1 전력망(21)에 연결된다. 터보-발전기(22, 24)는, 예를 들어, 높은 rpm에서 회전할 수도 있으며 전기 발전기(25, 27)를 각각 구동시킬 수도 있는 29 MW 가스 터빈(또는 디젤 엔진) 원동기를 구비한다. 이러한 예에서, 전기 발전기(25, 27)는, 예를 들어, 각각 60 Hz에서 29 MW를 출력하는 2극 또는 4극의 3600 rpm HTS 발전기일 수도 있다. 그러나, 본 개시가 임의의 특정한 발전기 또는 가스-터빈 전력 레벨, 극의 개수, 또는 구성으로 한정되는 것은 아니며, 다양한 가스 터빈 시스템에 적용 가능하다.
터보-발전기 중 하나가 고장이 나는 경우, 그 각각의 개폐 장치가 다시, 전원으로서의 가동 터보-발전기에 의해 전력을 공급받을 수 있도록, 개폐 장치(26)와 개폐 장치(28)는 좌현/우현 케이블(30)에 의해 서로 연결된다. 개폐 장치(26, 28)로부터의 각각의 케이블(32, 34)은, 종래의 전기 모터 또는 HTS 모터일 수도 있는, 전기 추진 모터(36)에 전력을 공급한다. 이러한 예에서, 가변 속도 전기 모터(36)에 입력되는 전압의 레벨은 2700 V에서 9상 AC이며, 따라서, 개폐 장치(26, 28)로부터의 전력은 아래에 설명되는 바와 같은 적절한 모터 구동 시스템에 의해 변환되고 조절되어야 한다.
개폐 장치(26)로부터의 출력은 정류기(38)로 보내질 수도 있으며, 이후 DC는 인버터(40)에 의해 9상 AC로 변환될 수도 있다. 정류기(38) 및 인버터(40)는, 이들이 분리 캐비닛(cabinet)(42)에 의해 모터(36)에 연결되는 경우, 모터(36)의 입력 전류/회전 속도를 제어하기 위한 모터 구동부를 형성한다. 개폐 장치(28)로부터의 출력은 정류기(44)에 의해 DC로 변환될 수도 있으며, 이후 DC는 인버터(46)에 의해 9상 AC로 변환될 수도 있다. 정류기(44) 및 인버터(46)는, 이들이 분리 캐비닛(42)에 의해 모터(36)에 연결되는 경우, 모터(36)의 입력 전류/회전 속도를 제어하기 위한 모터 구동부를 형성한다. 모터 구동부 중 하나 또는 모두가 모터(36)를 구동시키기 위해 분리 캐비닛(42)을 통해 연결될 수도 있다. 따라서, 제 1 전력망(21)은 HTS 모터(36)에 전력을 제공하도록 구성된다.
제 1 전력망(21)은 또한, 에너지 저장 개폐 장치(48)를 통해, 적절한 에너지 저장 시스템(도시하지 않음)을 사용하여, 펄스 전력 부하(즉, 도시하지 않은 전기 무기)에 전력을 공급하도록 구성된다. 에너지 저장 개폐 장치(48)는 전력 케이블(47, 49)을 전원으로 하며, 이들 케이블의 타단이 각각 개폐 장치(26, 28)에 연결되어 있다. 또한, 개폐 장치(26)에 연결된 변압기(50)가 제 1 전력망(21)으로부터의 4500 V AC를 450 V AC로 변환할 수도 있으며, 더 낮은 전압의 전력을 제 2 전력망(53)에 전달하기 위해 이러한 변환 전력을 전력 변환기(52)를 통해 배전 개폐 장치(도시하지 않음)에 공급할 수도 있다(특정 상황 하에서). 제 2 전력망(53)에 대한 부하의 세부 사항이 도시되어 있지는 않지만, 당 업계의 숙련자라면, 다양한 선박의 선상 시스템을 포함하며 이중 일부는 깨끗한 유형 1 전력을 필요로 한다는 점을 이해할 것이다.
펄스 전력 부하는 에너지 저장 개폐 장치(48)를 통한 매우 높은 전력 소비(예를 들어, 10 MW 이상)가 발생하는 수 초(예를 들어, 5초)의 시간과, 이어지는 에너지 소비가 없는 일시 정지 시간(예를 들어, 1 초)으로 구성될 수도 있다. 시스템 설계는 이러한 사이클이 무한정 반복될 것이라는 가정을 전제 조건으로 한다. 전술한 바와 같이, 이러한 펄스 부하는 제 1 전력망(21)의 적절한 작동에 심각한 영향을 미칠 수 있다. 펄스 전력 부하는 터보-발전기(22, 24)의 회전 속도 저하를 야기할 수도 있으며, 그 결과, 터보-발전기로부터 출력되는 주파수, 전압 및 전력이 비례하여 저하된다. 도 3에는, (터보-발전기 중 하나만 가동한다는 가정 하에) 전형적인 HTS 발전기 설계에 따른 터보-발전기(22/24)에 대한 이러한 펄스 부하의 회전 속도에 미치는 영향이 다수의 펄스 주기에 걸쳐 도시되어 있다.
파형(80)으로 도시된 바와 같이, 터보-발전기 rpm은 18 MW의 초기 펄스 부하 에 의해 수 초에 걸쳐 3600에서 대략 1400으로 감소된다. 주기적인 18 MW의 펄스가 계속됨에 따라, 터보-발전기의 회전 속도가 시간 경과에 따라 다소 회복되긴 하지만, 여전히 실질적으로 초기 3600 rpm의 회전 속도 아래로 유지된다. 이 경우, 발전기의 추정 회전 관성은, 저비용의 29 MVA 터보-발전기에 대해 최적화된 HTS 발전기의 사용을 기반으로, 대략 790 kg·m2이다. 이러한 예에서, EM 차폐부가 대략 10 cm(4 in)의 두께를 갖는 강 및 구리로 형성될 수도 있다. EM 차폐부에 알루미늄을 사용할 수도 있는 중량 최적화 설계에서의 회전 관성이 비용 최적화 설계에서의 회전 관성보다 현저히 낮을 수도 있다. 이것은 펄스 부하의 부정적인 영향이 훨씬 더 커진다는 것을 의미한다.
터보-발전기의 관성이 상대적으로 낮음으로 인해, 펄스 부하 동안 터보-발전기에 부과되는 토크가 회전 속도 감소에 더 큰 영향을 미친다. 파형(80)의 예에서, 이것은 회전 속도가 거의 60% 강하하며 제 1 전력망(21)의 전압, 주파수 및 전력이 비례하여 강하하는 것으로 해석된다. 더욱이, 터보-발전기에 이러한 레벨의 부하가 주기적으로 인가되면, 터빈의 수명이 단축될 것이 확실하며, 심지어 엔진이 정지할 수도 있다.
본 발명의 일 양태에 따라 실현되었던 바와 같이, HTS 발전기의 회전 관성이 커질수록, 터보-발전기에 미치는 토크의 영향이 감소할 수도 있다. 따라서, 본 발명의 양태에 따른 하이브리드 전기기계식 추진 및 에너지 시스템은 전기 무기가 사용되는 경우 생성되는 동적 부하 하에서의 전기 성능을 향상시킨다. 파형(82)은 18 MW의 주기적인 펄스 부하가 터보-발전기의 회전 속도에 미치는 영향(대략 30%의 초기 강하)을 보여준다. 이 경우, 사용된 HTS 발전기의 회전 관성이 증가하여, 대략 1496 kg·m2의 전체 터보-발전기 회전 관성이 초래된다. EM 차폐부가 대략 18 cm(7 in)의 두께를 갖는 강으로 형성될 수도 있다. 파형(82)으로부터 분명해지는 바와 같이, 파형(80)과 비교하여, 터보-발전기의 회전 관성이 1496 kg·m2으로 증가하면, 터보-발전기의 회전 속도에 대한 초기 펄스 부하 및 이후의 주기적인 펄스 부하의 영향뿐만 아니라 제 1 전력망(21)의 전압, 주파수 및 전력에 대한 영향이 실질적으로 감소된다. EM 차폐부에 텅스텐 합금을 추가하게 되면, 회전 관성이 대략 1817 kg·m2으로 더욱 증가한다.
도 4를 참조하면, 최소 크기 및 중량에 최적화된 설계의 종래 기술의 HTS 발전기(100)가 도시되어 있다. 도 3의 파형(80)을 생성하는 회전 관성이 더 낮은 발전기에서와 마찬가지로, 이러한 예에서는, 터보-발전기의 전체 회전 관성도 대략 790 kg·m2가 되도록 회전 관성이 결정될 수도 있다. HTS 발전기(100)는 고정자 코일 조립체(1041-n)를 갖는 고정자 조립체(102)를 포함한다. 당 업계에 잘 알려진 바와 같이, 고정자 조립체(102) 내부에 포함된 고정자 코일 조립체(1041-n)의 특정 개수는 기계가 단상 기계인지 다상 기계인지와 같은 다양한 설계 기준에 따라 변경된다. 예를 들어, 60 Hz에서 4500 V AC의 전력을 출력하는 것으로 본 명세서에서 설명되고 있는 하나의 29 MVA, 3상 HTS 발전기의 경우, 고정자 조립체(102)는 일흔 두 개(72개)의 고정자 코일 조립체(1041-n)를 포함할 수도 있다.
회전자 조립체(106)가 고정자 조립체(102)의 내부에서 회전한다. 고정자 조립체(102)와 마찬가지로, 회전자 조립체(106)는 회전자 권선 조립체(1081-n)를 포함한다. 동일한 29 MVA, 3상 HTS 발전기에서, 회전자 조립체(106)는 (2극을 형성하는) 두 개의 회전자 권선 조립체를 포함할 수도 있으며, 이러한 회전자 권선 조립체는 높은 rpm 발전기 용례에 매우 적합함에 따라 안장 코일(saddle coil) 구성으로 형성될 수도 있다. 4극 구성과 같은 기타 다른 회전자 구성이 또한 사용될 수도 있다. 작동 동안 이러한 회전자 권선 조립체는 회전자 조립체(106)와 고정자 조립체(102)를 연동시키는 자속을 발생시킨다. 이러한 발전기가 2극 기계로 설계되어 있긴 하지만, 당 업계의 숙련자라면, 다양한 개수의 극(pole)을 갖는 기계가 사용될 수 있으며 특정 설계가 용례에 좌우됨을 이해할 것이다. 발전기(100)의 작동 동안, 고정자 코일 조립체(1041-n)에서 3상 전압(110)이 발생되며, 이러한 3상 전압은, 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같은 선박의 전력망으로 출력된다. 고정자 코일 조립체(1041-n)의 이러한 3상 전압은, 회전자가 터보-발전기 샤프트(112)에 의해 구동 시에 회전함에 따라, 회전자 조립체(106)와 고정자 조립체(102)를 연동시키는 회전자 코일 조립체(1081-n)에 의해 발생된 회전자 권선 자속에 의해 생성된다.
회전자 권선 조립체(1081-n)는 토크 튜브(114)로부터의 토크를 전달하는 제 1 플랜지(109)에 연결된 지지 구조물(107)의 외부 표면에 장착될 수도 있다. 회전자 권선 조립체(1081-n)가, 대안으로서, 지지 구조물(107)의 내부 표면에 장착될 수도 있음에 유의하여야 한다. 토크 튜브(114)는 터보-발전기 샤프트(112)에 연결된 제 2 플랜지(113)에 연결된다. 이들 플랜지(109, 113)가 토크 튜브(114)에 통합될 수도 있으며, 또는 별개의 조립체로 형성될 수도 있다. 물론, 저온 공간에서 샤프트(112)로부터 회전자 조립체로 토크를 전달하기 위해 기타 다른 토크 튜브 설계가 사용될 수도 있다.
초전도 회전 기계(100)의 작동 동안, 예를 들어, DC 전류 공급원(도시하지 않음)으로부터의 자계 에너지(116)가 슬립 링/회전 디스크 조립체(118)를 통해 회전자 권선 조립체(1081-n)에 인가될 수도 있다. 회전자 권선 조립체(1081-n)는 회전자 조립체(106)와 고정자 조립체(102)를 연동시키는 데 필요한 자기장(및 자속)을 발생시키기 위해 DC 전류를 필요로 한다. 고정자 코일 조립체(1041-n)는, 예를 들어, 비초전도 구리 코일 조립체로 형성되는 반면, 회전자 권선 조립체(1081-n)는 HTS 권선을 포함하는 초전도 조립체이다. HTS 전도체의 예에는 탈륨-바륨-칼슘-구리-산화물, 비스무트-스트론튬-칼슘-구리-산화물, 수은-바륨-칼슘-구리-산화물, 그리고 이트륨-바륨-구리-산화물이 포함된다.
이러한 초전도 전도체는 저온에서 작동하는 경우에만 초전도 특성을 달성하므로, HTS 발전기(100)는 냉각 시스템(120)을 포함한다. 냉각 시스템(120)은 전형적으로, 극저온 냉각기의 형태로 형성된다. 극저온 냉각기는 전도체가 초전도 특성을 나타낼 수 있도록 하기에 충분할 정도로 낮은 작동 온도로 회전자 권선 조립체(1081-n)의 작동 온도를 유지한다. 회전자 권선 조립체(1081-n)가 냉각 시스템(120)에 의해 차갑게 유지되어야 하기 때문에, 토크 튜브(114)는 고강도의 낮은 열 전도성을 갖춘 금속성 재료(예를 들어, Inconel™) 또는 복합재 재료(예를 들어, G-10 페놀 또는 직조 유리 에폭시)로 구성될 수도 있다.
회전자 조립체(106)는 고정자 조립체(102)에서 생성된 고조파로부터 비동기 자계를 차폐 또는 필터링하기 위해 고정자 조립체(102)와 회전자 조립체(106) 사이에 위치한 전자기 차폐부(122)를 포함한다. 회전자 조립체(106)가 전형적으로 원통형이므로, 전자기 차폐부(122)도 전형적으로 원통형이다. 이러한 비동기 자계로부터 회전자 조립체(106)의 회전자 권선 조립체(1081-n)를 차폐하는 것이 바람직하다. 따라서, 회전자 조립체(106)에 끼워진 전자기 차폐부(122)는 비동기 자계로부터 회전자 권선 조립체(1081-n)를 보호하며(또는 차폐하며), 비자성 재료(예를 들어, 구리, 알루미늄 등)로 구성된다. 전자기 차폐부(122)는 회전자 권선 조립체(1081-n)를 완전히 덮어 차폐하기에 충분한 길이를 갖추어야 한다. 지금까지 고려한 사례에서는 강으로 형성되며, AC 자계를 차폐하며 결함 부하를 견딜 수 있도록 선택된 두께를 갖는 얇은 구리 오버코트(overcoat)를 갖는 차폐부가 다루어지고 있다. 해결 방안 중 알루미늄이 가장 가볍긴 하지만, 중량보다 비용을 우선시하는 경우에는 강이 선택될 수 있다. 차폐부는 또한, 진공 방지 역할을 하며, 강으로 형성되는 경우 용접을 이용한 더 간단한 밀봉 능력을 갖춘 해결 방법을 제시한다.
전자기 차폐부(122)는 한 쌍의 단부 플레이트(130, 132)를 통해 샤프트(112)에 견고하게 연결될 수도 있다. 이러한 견고한 연결은 용접부 또는 기계식 체결구 시스템(예를 들어, 볼트, 리벳, 스플라인, 키홈 등)의 형태로 형성될 수 있다. 차폐를 위해, 전자기 차폐부(122)의 두께가, 이러한 예에서 60 Hz인, 3상 AC 전력(110)의 주파수에 대하여 반비례하도록 변경된다. 극의 개수가 적은 설계의 경우에는 차폐부의 두께가 결함 부하 동안의 과도기적인 힘을 견디도록 선택될 수도 있다. 전술한 주파수의 경우, 전형적으로, 강 및 구리로 형성되는 전자기 차폐부(122)의 두께는 10 cm(4 in) 이하이다. 발전기의 크기 및 중량을 감소시키기 위하여, 전술한 바와 같은 종래 기술의 시스템에서는, 전자기 차폐부(122)의 두께가, 발전기의 중량과 크기를 최소화하도록, 비동기 자계를 필터링하며 차폐부 상의 결함 부하를 지지하기에 충분한 두께였지만 더 이상은 두껍지 않은 지점까지 최소화되었다.
도 4의 발전기(100)에는 도시되어 있지 않지만, 내부 강자성 코어(예를 들어, 철제 코어)가 회전자의 투자도를 증가시키기 위해 사용될 수도 있으며, 따라서, 주어진 자기장을 발생시키는 데 필요한 HTS 재료의 양이 감소될 수도 있다. 또한, 이러한 내부 강자성 코어는 발전기의 회전 관성을 상당히 증가시킨다. 도 5a에는 도 4에 도시된 유형의 HTS 발전기와 유사한 HTS 발전기(200)의 개략적인 단면도가 도시되어 있다. 이러한 단면도는 전자기 차폐부 두께 및 전자기 간극을 포함하는 발전기의 치수를 도시하기 위해 발전기의 폭을 가로질러 취한 단면도이다. 이러한 예에서, 2극 발전기로서 도시된 HTS 발전기(200)는 내부 철제 코어(204)를 갖는 회전자 조립체(202)를 포함한다. 회전자 권선(206a, 206b)은 안장 코일 권선의 형태로 형성되며, 각각, 단부가 안장 코일을 형성하도록 서로 연결되어 있는 두 개의 원호 섹션을 갖는 것으로 도시되어 있다.
HTS 발전기(200)의 설계에 있어서, HTS 안장 코일(206a/b)의 끝단 속도(tip speed)의 한계치를 고려하여야 한다. HTS 코일에 대한 원심 부하 인가는 초전도체 재료의 변형을 초래한다. 이러한 변형률은 코일의 끝단 속도의 제곱에 비례한다. 경험과 분석에 따르면, 이러한 코일에 허용되는 끝단 속도의 한계치는 150 m/sec이다. 해군에서 사용되는 발전기는 정격 속도의 125%까지의 과속 테스트를 필요로 할 수도 있다. 설계 속도가 3600 rpm인 경우, 과속 테스트는 4500 rpm의 속도에서 수행되며, 도 5a에 R1으로 도시된, 발전기의 종축선으로부터 코일(206a/b)의 중간면까지의 0.32 m 이하의 반경을 갖는 자계 권선을 필요로 한다. 안장 코일의 외측은 코일 지지 실린더(207)에 의해 지지된다.
발전기(200)의 비회전 부분은 발전기 종축선으로부터 고정자(208)의 내부 반경까지 연장되는 반경(R2)에서 시작되며, 고정자(208)와 철제 이면부(210)로 구성된다. 코일 지지 실린더(207)의 외부에 EM 차폐부(212)가 마련되며, EM 차폐부가 회전자 조립체(202)의 최외측 회전 부재이다. 전술한 바와 같이, EM 차폐부는 HTS 코일의 AC 손실을 감소시키기 위해 회전에 대하여 비동기식인 전자기장으로부터 회전자 조립체(202)를 차폐한다. 안장 코일(206a/b)에 의해 생성된 전계 강도는 각각의 코일의 암페어-턴(ampere-turn)에 비례하지만, 안장 코일과 고정자 사이의 전자기("EM") 간극(R2-R1)에 반비례한다. 따라서, EM 간극을 증가시키면 암페어-턴이 증가하며, 이에 따라, 주어진 전자기장을 발생시키는 데 필요한 HTS 와이어의 양이 증가한다.
EM 간극(R2-R1)의 대부분은 EM 차폐부(212)로 구성되며, 중량 또는 비용의 최적화 설계에서, EM 차폐부는 차폐 기능을 수행할 수 있을 정도로만 두껍게 형성되며, 차폐부의 중량/질량은 차폐 능력을 갖춘 저밀도 재료를 선택함으로써 최소화된다. EM 차폐부(212)의 두께(t)는 일반적으로, R1/p의 40% 미만이며, 여기서 "p"는 설계 시의 극 쌍의 개수이다(2극 발전기의 경우 p=1). 이러한 설계의 경우, 두께(t)는 10 cm(4 in)일 수도 있으며, EM 차폐부에 사용되는 재료는 강과 같은 적당한 밀도의 재료일 수도 있다.
EM 차폐부(212)의 회전 관성을 결정하기 위해, 내부 반경(Ri) 및 외부 반경(Ro) 그리고 질량(M)이 다음과 같이 계산된다.
이 경우, 회전 관성은 대략 560 kg·m2이다. 터보-발전기의 나머지 시스템 구성 요소의 회전 관성에 대한 EM 차폐부의 회전 관성은 아래와 같다.
회전 관성 - 비용 최적화 설계
EM 차폐부 560 kg·m2
내부 철제 및 샤프트 143 kg·m2
자계 및 지지부 87 kg·m2
발전기 회전자 총합 790 kg·m2
터빈 96 kg·m2
총합 886 kg·m2
이러한 예의 경우, 발전기의 회전 관성 총합에 대한 EM 차폐부의 회전 관성은 대략 칠십 퍼센트(70%)이다. 전형적인 비용/중량 최적화 설계의 경우, EM 차폐부의 회전 관성은 일반적으로, 전체 HTS 발전기[본 명세서에서 "저관성(low inertia)" HTS 발전기로 지칭됨]의 회전 관성의 70% 이하이다.
회전 관성이 증가된 HTS 발전기가 HTS 발전기(200')로서 도 5b에 도시되어 있다. 모든 구성 요소는 본질적으로, 도 5a의 HTS 발전기(200)에서와 동일하지만, EM 차폐부(212')가 더 두껍게 구성됨으로써, 발전기의 회전 관성이 안장 코일(206a'/b')의 추가 암페어-턴을 희생하면서 증가될 수 있다. 다시 말해, EM 차폐부(212')의 두께 증가로 인해 HTS 발전기(200')의 EM 간극(R2'-R1')이 EM 간극(R2-R1)보다 크기 때문에, HTS 발전기(200)에서와 동일한 전자기장을 HTS 발전기(200')에 생성하기 위해서는 더 많은 양의 HTS 재료가 필요할 것이다.
증가된 회전 관성을 갖도록 설계된 HTS 발전기(200')의 경우, EM 차폐부(212')의 두께(t')가 R1/p의 50% 이상일 수도 있다. 이러한 설계의 경우, 두께(t')는 대략 18 cm(7 in)일 수도 있다. EM 차폐부의 두께를 증가시켜 회전 관성을 증가시키는 것 외에도, 더 높은 밀도의 재료가 사용될 수 있다. 이러한 재료의 예에는 구리(8.96 g/cm3), 강(7.84 g/cm3), 납(11.32 g/cm3), 금(19.282 g/cm3), 텅스텐(19.25 g/cm3) 그리고 폐우라늄(18.95 g/cm3)이 포함될 수도 있다. 이러한 재료 중 하나 이상이 EM 차폐부를 구성하도록 사용될 수도 있다.
EM 차폐부(212')의 적절한 두께 및 재료 조성을 선택함으로써, EM 차폐부의 회전 관성 증가량이 특정 터보 발전기의 원하는 작동 특성 및 예상 펄스 전력 부하 레벨 및 주파수를 획득하도록 맞춰질 수 있다.
EM 차폐부(212')의 회전 관성을 결정하기 위해, 내부 반경(Ri') 및 외부 반경(Ro') 그리고 질량(M')(예를 들어, 강 및 텅스텐 합금의 조합을 사용하는 경우)은 다음과 같이 계산된다.
이 경우, 회전 관성은 대략 1477 kg·m2이다. 터보 발전기의 나머지 시스템 구성 요소의 회전 관성에 대한 EM 차폐부의 회전 관성은 아래와 같다.
회전 관성 - 회전 관성 최적화 설계
EM 차폐부 1477 kg·m2
내부 철제 및 샤프트 151 kg·m2
자계 및 지지부 92 kg·m2
발전기 회전자 총합 1720 kg·m2
터빈 96 kg·m2
총합 1816 kg·m2
이러한 회전 관성 최적화 예의 경우, 발전기의 회전 관성 총합에 대한 EM 차폐부의 회전 관성은 대략 팔십오 퍼센트(85%)이다. 전형적인 회전 관성 최적화 설계의 경우, EM 차폐부의 회전 관성은 일반적으로, 전체 HTS 발전기[본 명세서에서 "고관성(high inertia)" HTS 발전기로 지칭됨]의 회전 관성의 80% 이상일 수도 있다.
이러한 설계의 두꺼운 EM 차폐부가 스테인레스강만을 사용하여 구성된 경우, 발전기 회전 관성은 여전히 비용 및 중량 최적화 설계의 회전 관성의 거의 190%인 1492 kg·m2일 것이다. 본 발명에 따른 설계의 HTS 발전기는 많은 중요한 장점을 갖는다. 즉, HTS 발전기의 축 방향 길이가 짧아지며, 고도의 펄스 용례에서 극의 미끄러짐을 방지하는 낮은 유도 저항을 나타내며, 회전 관성이 증가한다.
도 2를 다시 참조하여, 하이브리드 전기기계식 추진 및 에너지 시스템(20)의 나머지 구성이 설명된다. 전술한 특정 선박에는 두 개의 메인 기관실, ER1(54) 및 ER2(56)이 마련된다. ER1(54)에는 전술한 바와 같이 3상 개폐 장치(26)에 연결된 터보-발전기(22)와 3상 개폐 장치(28)에 연결된 터보-발전기(24)가 포함된다. 또한, 이 경우에 HTS 모터인 전기 추진 모터(36)가 또한 ER1(54)에 설치된다. HTS 모터(36)는 우현 샤프트(55)에 연결되어 우현 프로펠러(57)를 구동시킨다. 기관실 ER2(56)에는 각각 메인 감속 기어(62)에 연결된 구동 샤프트를 갖는 두 개의 가스 터빈 원동기 또는 엔진(58, 60)(예를 들어, LMR2500)이 포함된다. 우현 샤프트(59)와 메인 감속 기어(62)가 상호 연결되어 함께 우현 프로펠러(61)를 구동시킨다. 원래 설계에서는, 하이브리드 전기기계식 추진 및 에너지 시스템으로 선박을 개조하기 전에, ER1(54)에 두 개의 가스 터빈 원동기 또는 엔진(예를 들어, LMR2500)이 장착되었으며, 이들은 각각 샤프트(55)와 프로펠러(57)를 구동시키도록 메인 감속 기어에 연결된 구동 샤프트를 갖는다.
각각 대략 3.9 MW의 전력을 출력하는 두 개의 추가의 소형 터보-발전기(64, 66)(해군 함선에서는 선박 서비스 가스 터빈 발전기 또는 "SSGTG"라고 지칭됨)가 제 2 전력망(53)에 연결되며, ER2(56)와 발전기실(68)에 각각 포함된다. 정상 작동 조건 하에서, 이러한 터보-발전기는 선박의 선상 시스템용의 450 V 배전 전력망인 제 2 전력망(53)용의 메인 전력 공급원이다. 원래의 선박 설계에서는, 추가의 3.9 MW SSGTG(도시하지 않음)와 함께, ER1(54)에 통합된 두 개의 소형 터보-발전기(64, 66)가 제 2 전력망(53)에 충분한 전력 능력을 제공한다. 도 2에 도시된 개조된 설계에서는, 제 1 전력망(21)을 통해 터보-발전기(22/24)에 의해 제공되는 추가의 전력 능력으로 인해 제 3 터보-발전기가 필요하지 않다.
제 1 전력망(21)의 나머지 구성 요소[개폐 장치 유닛(24, 26), 좌현/우현 케이블(30) 및 에너지 저장 개폐 장치(48) 제외]는 AMR1(58)과 같은 제 1 보조 기계실에 포함된다. 물론, 본 발명의 일 양태에 따른 설계의 하이브리드 전기기계식 추진 및 에너지 시스템을 완성하기 위해서는 개조 구성에 이러한 구성 요소를 추가할 필요가 있다. 하이브리드 전기기계식 추진 및 에너지 시스템(20)의 구성 요소를 설치하는 데 제 2 보조 기계실 AMR2(70)은 필요하지 않다. 본 명세서에 설명된 하이브리드 전기기계식 추진 및 에너지 시스템의 구성 요소가 선박(10) 내부에 다양한 위치 및 배열로 설치될 수도 있으며 이러한 예에서 설명된 각종 실(room)과 위치에 설치될 필요는 없음에 유의하여야 한다.
본 명세서에 설명된 토폴로지(topology)는 레일 건(rail gun) 및 레이저와 같은 높은 펄스 부하 시스템을 통합하기 위해 필요한 전력의 계단식 변화율 증가를 제공하여, 순수한 IPS 시스템의 장점을 대부분 포함하지만, 오늘날 이용 가능한 기존의 위험성이 낮은 전기 제어 기술을 사용한다. 이러한 토폴로지와 설계에 의하면, 선박의 전체 길이를 증가시키지 않고 이러한 해결 방안이 오늘날 가능하도록 하기 위해 선박의 기존 장치에 미치는 영향이 최소화된다. 구체적으로, 본 명세서에 설명된 예에 의하면, 선박의 크기(길이)를 증가시키지 않고 가용 전력을 대략 12 MW(3*3.9 MW 터보-발전기)에서 총 60 MW를 넘는 값(2*29 MW HTS 발전기 및 2*3.9 MW 터보-발전기)까지 증가시킬 수 있다.
이러한 시스템 아키텍처는, 순수한 IPS 시스템과 유사하지만 펄스 부하가 발생되는 경우 공통 버스를 두 개의 독립적인 선박 버스로 분리하는 중요한 설계 특징에 의해 공통 버스를 통해 전력을 공유하는 데 따른 장점을 최대화하기 위하여, 선박 전기 부하 기능을 선택적으로 조합하거나 분리하도록 설계된다. 따라서, 해군 함선의 예에 의하면, 비전투용 함선의 스티밍(steaming) 동안에는 시스템이 선박의 추진 시스템과 모든 기타 선박 전기 부하(고 에너지 무기 제외)가 전력을 공유하는 단일 공통 버스로 구성되며, 이후 전투 작전 중에는 선박의 주요 전기 버스를 무기의 영향으로부터 보호하기 위하여 선박의 주요 전기 버스와 고 에너지 무기를 제공하는 버스 사이에서 회로 차단기가 개방된다. 공통 버스로부터 독립적인 원동기 및 부하를 제공하는 두 개의 아일랜드형 버스(islanded bus)로 전환될 수 있는 시스템 레벨 설계를 채용함으로써, 진정한 완전 전기식 선박의 장점(선박 전력 공유의 유연성, 존속성 및 이동성 연료 절감) 중 대부분이 달성되며, 선박은 고 에너지 무기를 작동시키며 동시에 추진 시스템에 전력을 공급하기 위해 가용 전력이 상당히 증가하는 장점을 갖는다.
전술한 특징 외에도, 선박의 연비가 크게 향상될 수 있다. 비전투 작동 중에 공통 버스를 사용하면, 전기 추진 모터가 SSGTG(전형적으로 비추진 선박 전기 부하에만 사용 가능)로부터 전력을 공급받을 수 있어, 상당히 경제적인 모드의 감소된 선박 속도(예를 들어, 1/2 수준의 속도)를 제공할 수 있다. 이에 의해, 연료 비용이 절감될 뿐만 아니라 선박의 범위와 가동률이 상당히 확장될 것이다.
전술한 바와 같이, 시스템은 무기 작동[즉, 제 1 전력망(21)과 제 2 전력망(53) 사이의 격리] 동안에는 분할 버스(split bus) 배열을 갖도록 설계되어, 단일 버스를 통한 선박 추진력과 함께 높은 전력 펄스 무기 및 센서 부하를 조합하면서 동시에 선박의 기타 작동 기능을 위해 깨끗한 전력 버스를 필요로 하는 선박의 전투 전력(즉, 유형 I 전력)을 격리한다. 이러한 시스템은 또한, 비전투 주기 동안에는 분할 버스를 단일 공유 버스(선박 추진력 및 선박 전력)로 조합하도록 설계된다. 이에 따라, 선박의 이동성과 경제성에 확장성과 유연성이 추가된다. 메인 가스 터빈이 모두 정지될 수 있으며, 선박은 우현 샤프트용 HTS 전기 추진 모터에 전력을 공급하기 위해 두 개의 선박 서비스 가스 터빈 발전기(SSGTG) 중 하나를 사용함으로써 높은 연료 절약 모드로 작동할 수 있다. 대안으로서, 선박의 두 개의 SSGTG가 정지될 수 있으며, 선박 시스템 전력망(53)과 메인 추진 모터(36)가 단일 터보-발전기(22, 24)에 의해 전력을 공급받을 수 있다. 선박 전력 유연성과 존속성을 향상시키는 SSGTG 및 터보-발전기의 다수의 기타 다른 조합이 존재한다.
도 2의 시스템 아키텍처의 토폴로지에 의해 가능한 전술한 작동 모드가 도 6a 내지 도 6c와 관련하여 더 상세히 설명된다. 도 2 및 도 6a 내지 도 6c에 도시된 바와 같이, 기계 제어 시스템(MCS)(72)과 같은 시스템 제어부가, 아래의 작동 모드에 설명된 바와 같이, ER1(54), ER2(56), AMR1(68) 및 EMRG(69)의 모든 발전, 추진 및 전기 구성 요소를 제어/작동시키도록 제공될 수도 있다. 제어부는 선박의 브리지(bridge)로부터 명령을 받아 이 명령을 추진 작동에서부터 레일 건으로의 전력 공급에 이르는 모든 부하 요구로 변환할 것이다.
제 1 작동 모드가 도 6a에 도시되어 있으며, 도 6a는 전기 구동부가 활성화된 활성 전기 무기 모드의, 도 2의 하이브리드 전기기계식 추진 및 에너지 시스템을 보여준다. 차단기(50)가 "개방(open)" 위치에 놓여, 제 1 전력망(21)이 제 2 전력망(53)으로부터 격리되며, 제 1 전력망(21)이 에너지 저장 개폐 장치(48)를 통해 적절한 에너지 저장 시스템(도시하지 않음)을 이용하여 펄스 전력 부하(즉, 도시하지 않은 전기 무기)에서 요구되는 모든 전력을 공급한다. 에너지 저장 개폐 장치(48)로의 전력 흐름이 화살표(250, 251)로 표시되어 있으며, 이러한 전력은 각각의 개폐 장치 유닛(26, 28)으로부터 공급된다. 제 1 전력망(21)은 또한, 화살표(252, 253)로 표시된 바와 같이, HTS 모터(36)를 구동하는 데 필요한 모든 전력을 제공하도록 구성되며, 이러한 전력도 각각의 개폐 장치 유닛(26, 28)으로부터 공급된다. 터보-발전기(22/24)에 의해 생성되는 전력 레벨에 의하면, 전력망(21)이 HTS 모터(36)에 충분한 전력을 전달할 수 있으므로, 기계식 구동부(이러한 제 1 모드에서 가동 상태)와 조합되는 경우, 전력망과 기계식 구동부가 함께, 펄스 전력 부하를 작동시킬 수 있음과 동시에, 선박(10)을 대략 그 최고 순항 속도로 추진하기에 충분한 전력으로 프로펠러(57, 61)를 구동시킨다[화살표(254, 255)로 각각 표시된 바와 같음].
도 3과 관련하여 전술한 바와 같이, 펄스 전력 부하가 전력망(21)을 방해하긴 하지만, HTS 발전기(25, 27)는 펄스 전력 부하에 의해 야기되는 방해 작용을 제한하기 위해 고관성 HTS 발전기로 구성될 수도 있다. 또한, HTS 모터(36)가 정류기(38/44) 및 인버터(40/46)를 포함하는 모터 구동부에 의해 구동되기 때문에, 구동부는 HTS 모터(36)로 전달되기 이전에 전력을 충분히 조절하도록 구성될 수 있다. 펄스 전력 부하의 활성화 동안 제 1 전력망(21)에 가해지는 방해 작용의 수준이 너무 높아 제 2 전력망(53)(유형 1 전력을 필요로 함)에 전력을 공급할 수 없을 가능성이 높으므로, 차단기(50)는 제 1 전력망(21)을 제 2 전력망(53)으로부터 격리하도록 전술한 바와 같이 "개방" 위치에 놓인다. 이러한 제 1 모드에서, 제 2 전력망(53)은 터보-발전기(64, 66)에 의해 전력을 공급받는다.
제 2 작동 모드에서, 도 6b에 도시된 바와 같이, 하이브리드 전기기계식 추진 및 에너지 시스템은 전기 구동부가 활성화된 비활성 전기 무기 모드로 구성된다. 차단기(50)가 "폐쇄(closed)" 위치에 놓여, 제 1 전력망(21)이 제 2 전력망(53)에 연결되며, 화살표(260)로 표시된 바와 같이, 제 1 전력망(21)이 제 2 전력망(53)에 의해 요구되는 모든 전력을 공급한다. 이러한 모드에서는, 터보-발전기(64, 66)가 활성화되지 않을 수 있으며, 따라서 터보 발전기에 전력을 공급하기 위해 일반적으로 요구되는 연료가 절감될 수 있다. 대안으로서, 전력망(21)은 전력망(53)의 전력 수요에 따라 터보-발전기(64 및/또는 66)와 함께 작동하는 전력망(53)에 전력을 보충할 수 있다. 이러한 모드에서는, 개폐 장치가 개방 위치에 놓이며 펄스 부하가 활성화되어 있지 않으므로, 에너지 저장 개폐 장치(48)로 전력이 흐르지 않는다. 이러한 모드에서는, 제 1 모드에서와 같이, 제 1 전력망(21)이 HTS 모터(36)를 구동하는 데 필요한 모든 전력을 제공하도록 구성되며, 이러한 전력은, 화살표(252, 253)로 표시된 바와 같이, 각각의 개폐 장치 유닛(26, 28)으로부터 공급된다. 터보-발전기(22/24)에 의해 생성되는 전력 레벨에 의하면, 전력망(21)은 HTS 모터(36)에 충분한 전력을 전달할 수 있으므로, 기계적 구동부(이러한 제 2 모드에서 가동 상태임)와 조합되는 경우, 전력망과 기계적 구동부가 함께, 전력 수요에 따라 제 2 전력망(53)에 단독으로 전력을 공급하거나 전력을 추가할 수 있으면서 동시에, 선박(10)을 그 최고 순항 속도로 추진하기에 충분한 전력으로 프로펠러(57, 61)를 구동시킬 수 있다[각각 화살표(254, 255)로 표시된 바와 같음].
그리고, 제 3 작동 모드에서, 도 6c에 도시된 바와 같이, 도 2의 하이브리드 전기기계식 추진 및 에너지 시스템은 전기 구동부가 제 2 전력망(53)으로부터 선박 시스템 전력을 공급받으며 기계적 구동부가 활성화되어 있지 않은 절약 모드로 작동하도록 구성된다. 차단기(50)가 "폐쇄" 위치에 놓여, 제 1 전력망(21)이 제 2 전력망(53)에 연결된다. 그러나, 이러한 모드에서는, 화살표(260')로 표시된 바와 같이, 전력이 제 2 전력망(53)으로부터 제 1 전력망(21)으로 흐른다. 이러한 모드에서는, 터보-발전기(64, 66) 중 하나 또는 모두가 부하 요건 및 원하는 선박 속도에 따라 각각의 제 1 전력망(21) 및 제 2 전력망(53) 모두에 전력을 공급하도록 활성화된다. 터보 발전기(22, 24)는 활성화되지 않으며, 개폐 장치 유닛(26, 28)의 차단기는 개방된다. 화살표(260')로 표시된 바와 같은 제 2 전력망(53)으로부터의 전력이 화살표(252)로 표시된 바와 같이 개폐 장치(26)를 통해 정류기(38) 및 인버터(40)로 흘러 HTS 모터(36)에 전력을 공급한다. HTS 모터(36)는 화살표(254')로 표시된 바와 같이 프로펠러(57)를 구동시킨다. 이러한 모드에서는, 가스 터빈(58, 60)이 활성화되지 않으며 프로펠러(61)가 페더링할 수 있게 된다. 따라서, 선박(10)은 대략 1/2 속도로 선박을 추진하기 위해 감소된 동력 레벨에서만 작동하는 HTS 모터(36)에 의해 추진된다.
도 7은 선박의 전방 단부에서 본, 선 A-A를 따라 선박을 가로질러 취한 도 1의 선박(10)의 단면도로서, 본 개시에 따른 개조 이전의 기관실 1(ER1)을 보여준다. 따라서, ER2(56)의 도시된 메인 감속 기어(62)와 동일하게, 메인 감속 기어(62')가 ER1(54)에 도시되어 있다. 감속 기어의 크기로 인해 그리고 가스 터빈(58, 60)(도 2에 도시됨)에 상호 연결되어야 하기 때문에, 메인 감속 기어(62')는 ER1(54)에 선체(300)로부터 높이(H1)에 장착된다. 샤프트[즉, 샤프트(55)(도 2)]는 높이(H1)가 측정되는 지점인 지점(62")에서 메인 감속 기어(62')에 상호 연결된다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 기계적 구동부가 두 개의 터보-발전기(22, 24) 및 HTS 모터(36)로 대체되는 경우의 본 개시에 따른 개조 이후의 ER1(54)가 도시되어 있다. 터보-발전기(22, 24)는 기존의 유입 덕트와 배기 덕트의 연결 지점[터빈(22, 24) 상의 302a/302b, 304a/304b 및 306a/306b 그리고 선박 상의 308a/308b, 310a/310b 및 312a/312b]을 유지하도록 ER1(54)의 상부를 향해 상승될 수도 있다. HTS 모터(36)가 비교적 소형인 경우, HTS 모터가 터빈(22, 24)의 아래에, 샤프트[즉, 샤프트(55)(도 2)]가 HTS 모터(36)에 상호 연결되는 지점인 지점(36')으로 측정한 높이(H2)에 장착될 수 있다. 높이(H1, H2)들 사이의 높이차를 보여주기 위해, 이전 설치된 메인 감속 기어(62')의 연결 지점(62")이 해당 도면에 가상선으로 도시되어 있다. 도 9로부터 보다 쉽고 명확하게 알 수 있는 바와 같이, H1이 H2보다 높기 때문에, 메인 감속 기어(62)에 프로펠러(57)를 연결하는 샤프트(55)의 각도(θ')가 HTS 모터(36)에 프로펠러(57)를 연결하는 샤프트(55)의 각도(θ)보다 크다. 이러한 각도는 경사각으로 지칭되며, 이러한 각도가 감소하면(이러한 예에서는 대략 5°에서 2°까지 감소하면) 선박의 연비가 추가로 향상될 것이다.
요약하면, 본 개시에 따른 하이브리드 전기기계식 추진 및 에너지 시스템은 아래와 같은 특징을 갖는다.
● 선박의 최대 속도 추진을 위한 전력을 공급하며 동시에 무기 작동을 위한 16 MW의 전력을 제공하도록 사용될 수 있는, 기존의 선박 선체 상에 새롭게 설치된 58 MW의 전력 공급원을 제공하기 위해 ER#1 및 AMR#1의 용도에 맞는 개조.
● 선박 길이를 증가시키지 않고 선박에 설치되는 58 MW의 전력 공급원 추가.
● 무기 작동 동안 분할 버스 배열[단일 버스를 통해 선박 추진력과 함께 펄스 전력 무기 부하를 조합하지만 클린 전력 버스(clean power bus)를 필요로 하는 선박의 전투 전력을 격리]을 가지며 선박의 기타 작동 기능을 위해 클린 유형 1 전력을 격리하도록 하는 시스템 설계.
● 비전투 주기 동안 분할 버스를 단일 공유 버스(선박 추진력+선박 전력)에 조합하도록 하는 시스템 설계.
● 선박의 이동성과 경제성에 새로운 유연성 추가. 모든 메인 가스 터빈이 정지될 수 있으며, STBD HTS 전기 추진 모터에 전력을 공급하기 위해 선박의 두 개의 SSTGTG 유닛 중 하나를 사용하여 선박이 고도의 연료 절감 모드로 작동할 수 있음.
● 선박 전기 시스템에 유연성과 존속성 추가. 선박의 주요 전기 버스에 전력을 공급하기 위한 세 개의 3.9 MW SSGTG 대신에, 해당 버스에 전력을 공급할 수 있는 네 개의 별개의 전력 발생 공급원, 즉, 두 개의 3.9 MW SSGTG 및 두 개의 28.7 MW MTG제공.
본 개시가 예시적인 실시예들과 관련하여 설명되었지만, 당업계의 숙련자라면, 본 개시가 첨부된 청구 범위의 사상 및 범위 이내의 수정예로 실시될 수 있음을 인식할 것이다. 이들 예는 단지 예시적인 것이며, 본 개시의 모든 가능한 설계, 실시예, 응용 또는 수정을 포함하는 완전한 목록이어야 하는 것은 아니다.
Claims (32)
- 제 1 샤프트를 통해 제 1 프로펠러를 독점적으로 구동시키도록 구성된 제 1 기계식 발전 장치(power plant);
제 2 샤프트를 통해 제 2 프로펠러를 독점적으로 구동시키도록 구성된 제 2 전기식 발전 장치로서, 상기 제 2 샤프트에 상호 연결된 고온 초전도체(HTS) 모터를 포함하는 제 2 전기식 발전 장치;
상기 제 2 샤프트를 통해 상기 제 2 프로펠러를 구동시키도록 상기 HTS 모터에 동력을 공급하기 위하여 상기 HTS 모터가 연결되는 제 1 전력망
을 포함하는 선박용 하이브리드 전기기계식 추진 및 전력 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전력망에 상호 연결되어 제 1 전력망에 의해 전력을 공급받는 적어도 하나의 전기 무기 시스템
을 추가로 포함하는 선박용 하이브리드 전기기계식 추진 및 전력 시스템. - 제 2 항에 있어서,
선박 서비스 전기 시스템에 전력을 공급하도록 구성된 제 2 전력망
을 추가로 포함하며,
상기 제 2 전력망은 상기 제 1 전력망에도 연결된 분리 스위치(disconnect switch)에 연결되고,
상기 분리 스위치는 상기 제 1 전력망 및 상기 제 2 전력망을 연결 및 분리하도록 구성되는 것인, 선박용 하이브리드 전기기계식 추진 및 전력 시스템. - 제 3 항에 있어서,
상기 제 2 전기식 발전 장치는 제 1 개폐 장치를 통해 상기 제 1 전력망에 연결된 적어도 하나의 HTS 발전기를 포함하는 것인, 선박용 하이브리드 전기기계식 추진 및 전력 시스템. - 제 4 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 HTS 발전기는 고관성 HTS 발전기인 것인, 선박용 하이브리드 전기기계식 추진 및 전력 시스템. - 제 5 항에 있어서,
상기 제 1 기계식 발전 장치는 메인 감속 기어에 상호 연결된 적어도 하나의 가스 터빈 또는 디젤 엔진 원동기를 포함하며,
상기 메인 감속 기어는 상기 제 1 프로펠러를 구동시키도록 상기 제 1 샤프트에 연결되는 것인, 선박용 하이브리드 전기기계식 추진 및 전력 시스템. - 제 6 항에 있어서,
상기 제 2 전력망에 상호 연결된 적어도 하나의 선박 서비스 터보-발전기 또는 디젤 발전기
를 추가로 포함하는 선박용 하이브리드 전기기계식 추진 및 전력 시스템. - 제 7 항에 있어서,
적어도 하나의 펄스 전력 부하(pulsed power load)를 상기 제 1 전력망에 연결하는 제 2 개폐 장치
를 추가로 포함하는 선박용 하이브리드 전기기계식 추진 및 전력 시스템. - 제 8 항에 있어서,
상기 제 1 기계식 발전 장치는 선박의 제 1 기관실에 설치되도록 구성되며, 상기 제 2 전기식 발전 장치는 선박 상의 제 2 기관실에 설치되도록 구성되는 것인, 선박용 하이브리드 전기기계식 추진 및 전력 시스템. - 제 9 항에 있어서,
상기 제 2 발전 장치의 상기 적어도 하나의 HTS 발전기가 선박의 상기 제 2 기관실에 포함되는 것인, 선박용 하이브리드 전기기계식 추진 및 전력 시스템. - 제 10 항에 있어서,
상기 HTS 모터는 선박의 선체 내에서 상기 적어도 하나의 HTS 발전기보다 낮게 상기 제 2 기관실에 장착되는 것인, 선박용 하이브리드 전기기계식 추진 및 전력 시스템. - 제 11 항에 있어서,
상기 제 2 기관실의 상기 HTS 모터는 선박의 선체 내에서 상기 제 1 기관실의 상기 메인 감속 기어보다 낮게 장착되는 것인, 선박용 하이브리드 전기기계식 추진 및 전력 시스템. - 제 12 항에 있어서,
상기 메인 감속 기어는 제 1 각도로 상기 제 1 샤프트에 상호 연결되며, 상기 HTS 모터는 제 2 각도로 상기 제 2 샤프트에 상호 연결되고,
상기 제 1 각도는 상기 제 2 각도보다 큰 것인, 선박용 하이브리드 전기기계식 추진 및 전력 시스템. - 제 13 항에 있어서,
상기 선박용 하이브리드 전기기계 추진 및 전력 시스템을 적어도 두 개의 작동 모드로 작동시키도록 구성된 제어부
를 추가로 포함하는 선박용 하이브리드 전기기계식 추진 및 전력 시스템. - 제 14 항에 있어서,
제 1 모드에서, 상기 제어부는 상기 제 1 개폐 장치 및 상기 제 2 개폐 장치 각각을 통해 상기 적어도 하나의 HTS 발전기 및 상기 적어도 하나의 펄스 전력 부하를 상기 제 1 전력망에 연결하도록 구성되며,
상기 제어부는, 상기 제 1 전력망을 상기 제 2 전력망으로부터 격리하기 위해 상기 분리 스위치를 개방하도록 구성됨으로써, 상기 제 1 전력망이 상기 제 2 샤프트를 통해 상기 제 2 프로펠러를 구동시키도록 상기 HTS모터에 전력을 공급할 수 있도록 하며 동시에 상기 적어도 하나의 펄스 전력 부하에 전력을 공급할 수 있도록 하는 것인, 선박용 하이브리드 전기기계식 추진 및 전력 시스템. - 제 15 항에 있어서,
상기 제 1 모드에서, 상기 제어부는 또한, 상기 제 2 샤프트를 통해 상기 제 2 프로펠러를 구동시키기 위하여 상기 제 1 기계식 발전 장치를 작동시키도록 구성되는 것인, 선박용 하이브리드 전기기계식 추진 및 전력 시스템. - 제 14 항에 있어서,
제 2 모드에서, 상기 제어부는 상기 제 1 개폐 장치 및 상기 제 2 개폐 장치 각각을 통해 상기 적어도 하나의 HTS 발전기를 상기 제 1 전력망에 연결하도록 그리고 상기 적어도 하나의 펄스 전력 부하를 상기 제 1 전력망으로부터 분리하도록 구성되며,
상기 제어부는 상기 제 1 전력망을 상기 제 2 전력망에 연결하기 위해 상기 분리 스위치를 폐쇄하도록 구성됨으로써, 상기 제 1 전력망이 상기 제 2 전력망에 전력을 공급할 수 있도록 하며 동시에 상기 제 2 샤프트를 통해 상기 제 2 프로펠러를 구동시키기 위해 상기 HTS 모터에 전력을 공급할 수 있도록 하는 것인, 선박용 하이브리드 전기기계식 추진 및 전력 시스템. - 제 17 항에 있어서,
상기 제 2 모드에서, 상기 제어부는 또한, 상기 제 2 샤프트를 통해 상기 제 2 프로펠러를 구동시키기 위해 상기 제 1 기계식 발전 장치를 작동시키도록 구성되는 것인, 선박용 하이브리드 전기기계식 추진 및 전력 시스템. - 제 14 항에 있어서,
제 3 모드에서, 상기 제어부는 상기 제 1 개폐 장치 및 상기 제 2 개폐 장치 각각을 통해 상기 적어도 하나의 HTS 발전기 및 상기 적어도 하나의 펄스 전력 부하를 상기 제 1 전력망으로부터 분리하도록 구성되며,
상기 제어부는 상기 제 1 전력망을 상기 제 2 전력망에 연결하기 위해 상기 분리 스위치를 폐쇄하도록 구성됨으로써, 상기 제 2 전력망이 상기 제 1 전력망에 전력을 공급할 수 있도록 하며 동시에 상기 제 2 샤프트를 통해 상기 제 2 프로펠러를 구동시키도록 상기 HTS 모터에 전력을 공급할 수 있도록 하는 것인, 선박용 하이브리드 전기기계식 추진 및 전력 시스템. - 제 19 항에 있어서,
상기 제 3 모드에서, 상기 제어부는 또한, 상기 제 1 기계식 발전 장치의 작동을 종료시키도록 그리고 상기 제 2 샤프트를 통해 상기 제 2 프로펠러가 페더링(feathering)하게 허용하도록 구성되는 것인, 선박용 하이브리드 전기기계식 추진 및 전력 시스템. - 종축선을 구비하며 제 1 회전 관성을 갖는 고온 초전도체(HTS) 회전 기계로서,
상기 종축선을 중심으로 배치된 원통형 고정자 조립체,
상기 고정자 조립체의 내부에 배치되며 상기 고정자 조립체의 내부에서 상기 종축선을 중심으로 회전하도록 구성된 원통형 회전자 조립체로서, 작동 시에 상기 고정자 조립체와 연동하는 자속을 발생시키는 적어도 하나의 HTS 권선 조립체; 상기 적어도 하나의 HTS 권선 조립체를 중심으로 배치되고 제 2 회전 관성을 갖는 원통형 전자기 차폐부를 포함하는 원통형 회전자 조립체, 및
상기 회전자 조립체의 적어도 하나의 초전도 권선 조립체를 냉각하기 위한 극저온 냉각 시스템
을 포함하며,
상기 제 2 회전 관성은 상기 제 1 회전 관성의 적어도 팔십 퍼센트(80%)인 것인, 고온 초전도체(HTS) 회전 기계. - 제 21 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 HTS 권선은 N극 쌍(p개)을 포함하는 것인, 고온 초전도체(HTS) 회전 기계. - 제 22 항에 있어서,
상기 종축선으로부터 상기 적어도 하나의 HTS 권선까지의 반경(R1)을 갖는, 고온 초전도체(HTS) 회전 기계. - 제 23 항에 있어서,
상기 원통형 전자기 차폐부는 두께(t)를 가지며,
상기 두께(t)는 R1/p의 50%를 초과하는 것인, 고온 초전도체(HTS) 회전 기계. - 제 24 항에 있어서,
상기 원통형 전자기 차폐부는 금속을 포함하는 것인, 고온 초전도체(HTS) 회전 기계. - 제 25 항에 있어서,
상기 금속은 구리, 강, 납, 금, 텅스텐 그리고 폐우라늄 중 하나 이상을 포함할 수 있는 것인, 고온 초전도체(HTS) 회전 기계. - 터빈;
제 1 단부에서 상기 터빈에 상호 연결된 샤프트;
상기 샤프트의 제 2 단부에 연결되며, 종축선 및 제 1 회전 관성을 갖는 고온 초전도체(HTS) 회전 기계
를 포함하는 터보-발전기로서,
상기 HTS 회전 기계는,
상기 종축선을 중심으로 배치된 원통형 고정자 조립체,
상기 고정자 조립체의 내부에 배치되며, 상기 고정자 조립체의 내부에서 상기 종축선을 중심으로 회전하도록 구성되는 원통형 회전자 조립체로서, 작동 시에 상기 고정자 조립체와 연동하는 자속을 발생시키는 적어도 하나의 HTS 권선 조립체; 상기 적어도 하나의 HTS 권선 조립체를 중심으로 배치되고 제 2 회전 관성을 갖는 원통형 전자기 차폐부를 포함하는 원통형 회전자 조립체, 및
상기 회전자 조립체의 적어도 하나의 초전도 권선 조립체를 냉각하기 위한 극저온 냉각 시스템
을 포함하며,
상기 제 2 회전 관성은 상기 제 1 회전 관성의 적어도 팔십 퍼센트(80%)인 것인, 터보-발전기. - 제 27 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 HTS 권선은 N극 쌍(p개)을 포함하는 것인, 터보-발전기. - 제 28 항에 있어서,
상기 종축선으로부터 상기 적어도 하나의 HTS 권선까지의 반경(R1)을 갖는 터보-발전기. - 제 29 항에 있어서,
상기 원통형 전자기 차폐부는 두께(t)를 가지며,
상기 두께는 R1/p의 50%를 초과하는 것인, 터보-발전기. - 제 30 항에 있어서,
상기 원통형 전자기 차폐부는 금속을 포함하는 것인, 터보-발전기. - 제 31 항에 있어서,
상기 금속은 구리, 강, 납, 금, 텅스텐 그리고 폐우라늄 중 하나 이상을 포함할 수 있는 것인, 터보-발전기.
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