일체형 유압유닛을 사용한 소형 선박 조타기 개발에 관한 연구

A Study on The Development of Small Ship Steering System Using Electro-Hydraulic Power Unit

Abstract

The steering of the ship is a steering gear necessary to drive the rudder to maneuver the ship in voyage. This device is a driver that rotates the tiller when installed at the rear of the ship. In existing ships, hydraulic cylinders are used. In this study, a steering gear using an integrated hydraulic unit suitable for energy reduction and electric propulsion ship was developed. In order to improve the problems of the existing hydraulic drive system, the actuator, hydraulic pump, and electric motor were directly developed to be used efficiently in small vessels. In this study, current consumption and thrust values were measured to verify the performance of the developed small ship steering system using electro-hydraulic power unit.

1. 서론

조타기는 항해 상태에서 선박을 조정하기 위하여 타를 유효하게 구동하는데 필요한 타조작기, 조타장치의 동력장치 및 그 부속장치로서 타두재에 회전력을 주기 위한 장치(예: 틸러)등의 기계장치를 말한다[1]. 이 장치는 선박의 후미에 설치되어 있어 틸러를 회전시키며, 구동기로는 통상 유압실린더가 사용된다. 유압실린더를 구동하기 위해서 에너지를 공급하는 유압 파워팩, 유압밸브, 유압호스, 그리고 헬륨펌프(Helm pump)로 구성되어 있다.

통상적으로 에너지를 공급하는 유압 파워팩의 유압펌프는 선박엔진에 벨트(Belt)형태로 연결되어 구동하며 이로 인해 압유(壓油)를 오일 탱크에서 조타 핸들의 헬륨펌프까지 공급한다. 조타 핸들을 돌려 유압유가 실린더에 들어가면 피스톤 로드의 길이 변화가 일어나면서 원하는 각도로 방향타를 조정하게 된다.

기존의 선박 조타 시스템은 Fig. 1과 같이, 구성품이 많으며 이로 인해 장치가 크고, 복잡하며, 소음이 많이 발생한다. 또한, 엔진에 벨트가 연결되어 구동되는 유압펌프는 항시 구동됨으로써 내부 유동이 지속적으로 발생하여 열로 인한 누유가 발생하는 문제점이 있다. 또한, 화재 및 환경오염을 초래할 뿐만 아니라 항시 구동에 따른 연료낭비의 가능성이 있다.

Fig 1. Hydraulic Steering Gear Structure

이러한 문제점을 해결하기 위해 최근 전기 추진을 이용한 소형 선박에 대한 연구가 많이 이루어지고 있으며[2][3], 최근 국제해사기구(IMO)에서는 선박 에너지 효율 개선을 위한 강제 요건 마련 및 규제 관련 지침서 개발등과 같은 환경과 에너지 분야의 국제 규제를 강화되고 있다. 소형 선박과 연안용 어선 등은 국제해사기구의 규약에 적용 범위에 속하지는 않으나, 연료절감 및 환경오염 방지에 기여하기 위해 최근에는 전기 추진 선박, 즉 주기관의 동력을 전기에너지로부터 얻는 추진 시스템이 개발되고 있는 추세이다[4].

뿐만 아니라, 어획 인구 고령화 및 인력 감소로 인한 어획 능률을 향상시키기 위해 자동 조타 시스템에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있는 추세다. 이러한 연구는 헬륨펌프에 유압 구동 장치를 장착시켜 회전함으로써 원하는 방향으로 선체를 회전시키거나[5], 소형 선박의 조타기를 구동하기 위한 러더 센서 및 이러한 신호를 통해 온-오프 밸브를 조작하여 운항 효율성 향상을 연구하거나[6] 선박 자동 조타를 위해 유압유닛의 토출량을 제어하는 연구가 많이 이루어지고 있다[7].

본 연구에서는 에너지 저감 및 전기 추진 선박에 적합한 형태의 일체형 전동 유압유닛을 사용하여, 5톤 이하 소형 선박에 적용할 수 있는 선박 조타기를 개발하는 것을 목표로 하였다. 개발된 조타기는 Fig. 2와 같이 전동 유압식 액추에이터(EHA) 시스템을 적용하여 스마트하고, 선박 엔진에 부하 없이 작동되도록 설계 제작하였다. 또한, 조타기 핸들에 로터리 엔코더를 장착하고, 서보모터를 이용한 입력 전압 레벨에 따른 조타각도, 속도, 토크 제어가 용이한 형태로 고안하였다.

Fig 2. Electro-Hydraulic Actuator Steering Gear Structure

최종적으로 개발된 조타기의 전류 소모량 및 추력 측정을 통해 개발 조타 시스템의 유용성을 검증하였고, 향후 연구 방향에 대해서도 제시하였다.

2. 전동 유압식 조타기 시스템 구성

본 연구에서 개발하고자 하는 전동 유압식 조타기는 전동 유압식 액추에이터(EHA)가 핵심이다. EHA(Electro-Hydraulic Actuator)는 항공기의 비행 제어용 액추에이터로 개발되어 사용되었다. EHA 시스템이란, 모터 제어를 통해 유압펌프의 압유 토출 방향 및 회전속도를 조절하고 고효율성을 실현할 수 있는 액추에이터 시스템으로 배관이 필요 없어 소형 경량화가 가능하고, 별도의 제어 밸브의 사용이 필요하지 않는 장점이 있다.

본 연구에서는 EHA를 적용하고, 유압펌프, 전기모터를 집적화하는 형태로 전동 유압식 조타기를 설계하였다. 이를 통해, 기존 유압 구동 방식의 단점인 대규모의 장비와 유압 배관이 필요 없게 되고, 유압유의 누설등의 문제를 최소화할 수 있게 된다. 실제 적용 대상이 되는 소형 선박의 요구조건을 고려하여 Table 1과 같은 기본적인 성능을 목표로 제작하였다.

Table 1. Specification Goals

제작된 조타기는 조타핸들 조작에 의해 EHA가 작동하며, 틸러에 의해 조타기가 작동하도록 구성하였으며, 조타기 제원은 Table 2에 나타내었다.

Table 2. Steering Gear Specification

조타기의 핵심 구동체인 일체형 유압유닛 구성은 Fig. 3과 같이 양방향 유압펌프, 서보모터, 매니폴더 블록, 카트리지 타입 안전밸브와 파일럿 체크밸브로 구성하였다.

Fig 3. Integrated Hydraulic Unit Configuration

통상 EHA 제작에 있어 매니폴더 블록을 두고 한쪽면에는 유압펌프를 다른 면에는 전동모터가 체결된다. 전동모터와 유압펌프는 커플링으로 체결되고, 전동모터 회전으로 유압펌프가 구동되어 오일에 압력 및 유속 에너지를 부여한다. 에너지가 부여된 압유는 매니폴더 블록내에 가공된 홀을 통해 액추에이터로 공급하게 된다.

본 연구에서는 EHA 자체를 소형으로 제작하기 위해서 매니폴더 블록의 폭을 줄여야 했다. 통상적으로 안전을 위해 카트리지 타입 릴리프 밸브와 파일럿 밸브를 삽입하여 매니폴더 블록 폭을 줄이지만, 본 연구에서는 서보모터 체결면에 홀을 가공하여 두 밸브를 연결하였고, 홀 가공 부분은 플러그 볼트로 막아 서보모터 체결시 간섭이 발생하지 않게 제작하였다.

이렇게 제작된 일체형 유압유닛의 매니폴더 블록의 유압 회로도는 Fig. 4에 나타내었다. 두 개의 파일럿 작동 체크밸브와 릴리프 밸브를 설치하는 간단한 구조로 매니폴더 블록 자체를 소형으로 제작할 수 있었다.

Fig 4. Hydraulic Circuit Diagram

EHA는 앞서 기술한 바와 같이 모터 제어를 통해 유압펌프의 압유 토출 방향 및 회전속도를 조절하므로, 양방향 펌프의 사용이 필수적이며, 본 연구에서는 배제용적 1.5cc/rev의 Deli사 제품을 사용하였다. 또한 서보모터는 LS 메카피온 제품으로 1KW 용량에 3,000rpm인 제품(APMC-FCL10 AMK)을 선택하여 제작하였다.

조타기 핸들에는 로터리 앤코더((주)오토닉스, E40H-8-3600-N-24)를 사용하여 출력신호를 PLC로 전달되고 연산 처리 후 DO(Digital Output)값을 산출하여 모터 드라이브로 전송하여 서보모터를 구동시킨다. 서보모터가 구동되면 유압펌프가 회전하면서 유량을 토출하면서 유압유가 조타기 실린더로 유입되어 구동하게 된다. 실린더 구동으로 조타기가 움직이고, 조타기에 연결된 틸러가 회전하면 그 값이 피드백되는 구조로 전동 유압식 조타기 시스템의 전체 동작은 Fig. 5와 같이 이루어진다.

Fig 5. System Schematic

3. 전동 유압식 조타기 성능 평가

본 연구에서는 개발한 전동 유압식 조타기 시스템의 기본 성능을 확인하기 위해서 소모되는 전류값과 발생하는 추력값을 측정하고자 하였다. 통상적으로 조타기의 추력에 따라, 이를 적용할 수 있는 선박의 크기 등이 결정되기 때문에 유용성을 검증하기 위한 가장 중요한 요소이기 때문이다.

첫 번째로 조타기 핸들 조작에 따른 소비 전류값을 측정하기 위하여, Fig. 6과 같은 실험 장치를 구성하였다. 핸들 조작시, 핸들 조작 중지시, 핸들을 최대로 돌렸을 때의 소비 전류값을 확인하기 위해 초기 조타 핸들을 좌현 35도에서 조작하여 우현 35도이상∼40도이하까지 조작하면서 발생되는 소비 전류값을 측정하였다.

Fig 6. Current Consumption Measurement Experiment Device

측정 결과는 Fig. 7과 같으며, 측정값의 변화가 있는 점들은 Table 3과 같이 핸들 각도의 변화를 설명하였다.

Fig 7. Current Measurement

Table 3. Steering Angle

측정 초기 조타기 핸들은 좌현 35도에 고정하였고, 측정된 전류값이 1.2A(Ampere)였다. 조타기 핸들을 조작하여 우현으로 돌렸고, 돌리는 중에는 1A의 전류값이 소비되는 것을 알 수 있다. 우현 35도∼40도 이하에서 조타기가 더 이상 작동하지 않을 때까지 힘을 가하면 최대 소비 전류값이 4A까지 증가하는 것을 확인하였다.

특히, 조타기 핸들을 조작하지 않으면 0.5A의 전류값이 일정하게 소모되는 것을 확인하였으며, 이는 조타기 핸들을 조작하지 않으면 최소 전류만 소모된다는 것을 의미한다. 이는 엔진 구동을 통해 벨트로 연결되어 상시 에너지를 소모하는 기존 유압식 조타기에 비해 필요시만 에너지를 사용할 수 있어 전동 유압식 조타기가 상대적으로 에너지 효율면에서 장점을 보여주는 것이다.

두 번째로 조타기 실린더의 최대 추력을 확인하기 위해 Fig. 8과 같이 실험 장치를 구성하여 실험을 진행하였다.

Fig 8. Steering Thrust Measurement Experiment Device

실험 방법은 로드셀을 조타기 실린더 끝단에 설치하고, 영점을 맞춘 후 Fig. 9와 같이 조타기의 핸들을 시계 방향으로 돌려 더 이상 작동하지 않을 때의 각도를 먼저 확인하였다. 그리고, 시계 반대 방향으로 돌려 더 이상 작동하지 않을 때의 각도와 실린더에 인가되는 최대하중을 측정하였다.

Fig 9. Rudder Angle Indicator

측정값의 신뢰성을 확보하기 위해 동일한 시험을 3회 수행하였고, 측정 결과는 Table 4와 같이 평균 1,228kgf의 힘을 낼 수 있는 것을 확인하였다. 동일한 사양의 실린더를 이용한 기존의 유압식 조타시스템의 추력은 약 1,300Kgf로 계산되므로, 본 연구에서 개발한 전동유압식 조타기의 평균 추력 측정값은 소형 선박에 적용하기에 충분하다고 판단된다.

Table 4. Thrust Measurement

4. 결론

본 연구를 통해 일체형 유압유닛을 사용한 소형 선박 조타기를 제작하여 실증 연구를 하였다. 구동에 따른 소모 전류값을 측정하고, 조타기에서 발생하는 추력을 측정하여 소형 선박에 적합함을 확인하였다.

향후 연구로는 자동운항에 적합한 제어기 연구를 통해 조타기의 정밀 제어를 수행할 계획이며, 조타기 에너지 절감 효과를 비교하기 위해 현재 소형 선박에서 사용하고 있는 유압식 조타기와 본 연구의 개발 제품과 실증 테스트를 수행할 계획이다.