[논문]고속 프로펠러의 캐비테이션 소음 특성

송인행; 안종우; 김기섭; 문일성

문제 정의

그 이유는 황동망의 반류는 고속 유동에서 높은 배경소음을 수반하기 때문이며, 황동망을 배제하고 모조선을 사용하여 반류를 재현하는 방법도 있으나, 이에 대해서는 다음 연구에서 수행할 예정이다. 따라서 본 연구에서는 상대적인 평가만을 목적으로 하였다.
본 논문에서는 수중방사소음 특성이 중요한 고속 프로펠러에 대한 캐비테이션 소음특성을 실험적으로 연구하였으며, 특히 캐비테이션의 발생에따론 수중소음의 변화에 대하여 체계적으로 조사하였다. 이를 위하여 고속 프로펠러의 형상 변화에 대한 체계적인 설계, 모형제작 및 모형시험이 수행되었다.
본 연구에서는 캐비테이션 및 소음의 계측은 선체반류가 없는 단독상태에서 수행되어 주로 정성적인 성능평가를 수행하였으나, 다음 연구에서 3 차원 선체반류를 재현하여 정량적인 성능평가도 함께 수행하려 한다.

제안 방법

기준 프로펠러 (KP480) 의 단면은 개발단면인 KH54이며, 날개끝 부하를 감소시킨 반경방향 부하분포를 가지고 있다. 5 종의 고속 프로펠러 시리즈에 대한 캐비테이션 초기발생(이후 초생) 특성, 캐비테이션 발생 및 소음계측 시험이 당 연구소의 캐비테이션 터널에서 수행되었다. 시험 결과로부터 소음수준은 캐비테이션이 발생하면 크게 증가되며, 또한 캐비테이션의 발생모습에 따라 크게 차이가 있음을 알 수 있었다.
고부하 프로펠러 시리즈의 캐비테이션 초생시험 및 관찰 그리고 소음계측 실험은 선박해양공학 분소의 캐비테이션 터널 제 1 계측부(600 mm × 600 mm)에서 수행되었다. 터널 내부의 실험시 수중의 공기 함유량은 45% 이하로 유지되었다.
필터를 거친 신호는 100kHz까지 분석될 수 있는 B&K사의 FFT 분석기 (Type 3550)에서 1/3-octave band로 해석이 수행되었다. 또한 KH3364 필터로부터 디지털 오실로스코프 (LeCroy 9310AM)로 신호선을 연결하여 시간 신호도 동시에 기록하였다. 한편 실험 시 프로펠러 회전수는 동력계의 배경 소음을 일관성 있게 유지하기 위하여 40rps로 고정되었다.
상기 프로펠러 5종에 대하여 KRISO의 예인 수조에서 프로펠러 단독시험을 수행하였으며, Table 2에 나타난 시험 조건은 기존 프로펠러를 가지고 수행한 자항추진시험 결과[3]를 사용하여 추정하였다. 계측된 프로펠러 단독성능은 양력면 이론에 의하여 추정된 단독특성과 잘 일치하는 것으로 나타났다.
이를 위하여 고속 프로펠러의 형상 변화에 대한 체계적인 설계, 모형제작 및 모형시험이 수행되었다.
캐비테이션 및 소음시험을 수행하기 위하여 대상선으로 대형 고속선[3]을 선정하였으며, 고속 및 고부하 특성이 고려될 수 있도록 날개단면 변화 3 종, 반경방향 부하분포 변화 1 종 그리고 코오드 방향 부하분포 변화 1 종 등 총 5개의 프로펠러 시리즈를 설계하였다. 설계된 프로펠러의 주요제원은 Table 1에 보였으며, 프로펠러 허브 비는 0.
계측된 신호는 전하형 (charge type) 증폭기에서 증폭되고, 이 신호 성분 중 500Hz 이하의 저주파수 성분을 KH3364 필터를 사용하여 제거하였다. 필터를 거친 신호는 100kHz까지 분석될 수 있는 B&K사의 FFT 분석기 (Type 3550)에서 1/3-octave band로 해석이 수행되었다. 또한 KH3364 필터로부터 디지털 오실로스코프 (LeCroy 9310AM)로 신호선을 연결하여 시간 신호도 동시에 기록하였다.

대상 데이터

2 참조). 계측된 신호는 전하형 (charge type) 증폭기에서 증폭되고, 이 신호 성분 중 500Hz 이하의 저주파수 성분을 KH3364 필터를 사용하여 제거하였다. 필터를 거친 신호는 100kHz까지 분석될 수 있는 B&K사의 FFT 분석기 (Type 3550)에서 1/3-octave band로 해석이 수행되었다.
본 연구에서는 캐비테이션 및 소음특성을 평가하기 위하여 모형 프로펠러의 동력계는 J25를 사용하였으며, 수중청음기 (B&K Type 8103)는 하부 관측창에 설치되어있는 종형 축대칭체 내부에 장착되었다(Fig.2 참조). 계측된 신호는 전하형 (charge type) 증폭기에서 증폭되고, 이 신호 성분 중 500Hz 이하의 저주파수 성분을 KH3364 필터를 사용하여 제거하였다.
시리즈를 설계하였다. 설계된 프로펠러의 주요제원은 Table 1에 보였으며, 프로펠러 허브 비는 0.2, 프로펠러 직경은 0.19149 m이다. 표에서 보듯이 기준 프로펠러의 부하분포는 날개 끝의 부하를 감소시킨 형태를 택하였으며, 날개단면은 KH54[4]를 사용하였다.
캐비테이션의 발생 및 소음특성에 영향을 미치는 주요 형상요소는 흔히 2차원 날개단면, 반경 방향별 부하분포, 코오드 방향 부하분포 등이 알려져 있으며〔1, 2] , 본 연구에서도 2차원 날개단면, 반경방향 부하분포 및 코오드 방향 부하분포의 변화 등 모두 5 종의 프로펠러가 설계되었다. 기준 프로펠러 (KP480) 의 단면은 개발단면인 KH54이며, 날개끝 부하를 감소시킨 반경방향 부하분포를 가지고 있다.
은 평균피치, 그리고 D는 프로펠러의 직경이다. 프로펠러의 부하분포의 변화에 대한 성능을 조사하기 위하여 일정피치를 사용한 프로펠러 (KP483), 그리고 앞날 근처의 부하를 감소시키기 위하여 KH480에 비하여 캠버를 15% 증가시킨 KP484 프로펠러도 함께 설계되었다. 이들 프로펠러들은 양력면 이론에 의하여 추정한 설계전진비에서 추력이 동일하도록 하였다.

성능/효과

계측된 프로펠러 단독성능은 양력면 이론에 의하여 추정된 단독특성과 잘 일치하는 것으로 나타났다. 한편 일정피치를 갖는 KP483은 날개단면은 동일하나 피치를 감소시킨 KP480 보다 설계 운항점(22 knots, 20% 해상여유 포함)에서 약4.
그러나 2차원 날개단면시험의 결과에서와는 달리 코오드에 대한 날개두께비가 작다는 점 그리고 프로펠러 날개끝 보오텍스의 영향이 큰 점 등으로 인하여 날개단면의 형상은 소음 특성에 큰 영향을 미치지 못하고 있는 것으로 분석되었다. 그러나 부하분포의 변화는 캐비테이션 초생에 큰 영향을 미쳐, 최적부하분포를 갖는 KP483은 대상선을 기준으로 하여 선속이 약 5 knots가 빠르며, 앞날 부근의 부하를 감소시킨 KP484에서는 약 3 knots가 지연되고 있음이 밝혀졌다.
다음으로 날개끝 캐비테이션의 프로펠러 면에서의 불안정한 고착상태 (attachment) 또는 날개끝 보오텍스 캐비테이션의 초기발생시 등도 소음 특성에 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 그러나 줄 캐비테이션 또는 얇은층 캐비테이션은 다른 캐비테이션에 비하여 작은 크기를 소음을 유발시키는 것으로 나타났으나, 줄 캐비테이션은 날개끝 보오텍스의 직경을 증대시켜 조속한 붕괴현상을 유발하는 것으로 관찰되었다.
이러한 붕괴는 얇은 층 캐비티가 날개끝 보오텍스 캐비티에 흡수, 병합되었을 때 발생하는 것으로 관찰되었다. 다음으로 날개끝 캐비테이션의 프로펠러 면에서의 불안정한 고착상태 (attachment) 또는 날개끝 보오텍스 캐비테이션의 초기발생시 등도 소음 특성에 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 그러나 줄 캐비테이션 또는 얇은층 캐비테이션은 다른 캐비테이션에 비하여 작은 크기를 소음을 유발시키는 것으로 나타났으나, 줄 캐비테이션은 날개끝 보오텍스의 직경을 증대시켜 조속한 붕괴현상을 유발하는 것으로 관찰되었다.
나타났다. 또한 압력면 캐비테이션도 운항상태에 따라서는 소음에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다(Fig.8. Fig.9). 다음으로 영향을 미치는 것은 날개끝 보오텍스 캐비테이션의 붕괴현상 (bursting)을 들 수 있다[7, 8].
본 연구결과 프로펠러 날개단면의 소음 특성은 기포 캐비테이션의 발생유무에 크게 영향을 받는 것으로 분석되었으며, 개발단면인 KH54 은 KH52에 비하여 소음수준이 다소 낮은 것으로 밝혀졌다[4]. 그러나 2차원 날개단면시험의 결과에서와는 달리 코오드에 대한 날개두께비가 작다는 점 그리고 프로펠러 날개끝 보오텍스의 영향이 큰 점 등으로 인하여 날개단면의 형상은 소음 특성에 큰 영향을 미치지 못하고 있는 것으로 분석되었다.
본 연구에서 계측된 소음의 시간신호와 50개의 계측자료에 앙상불 평균을 취한 결과 등을 관찰해볼 때 소음신호의 결과는 stationary한 성질을 보여주었으며, 또한 프로펠러 소음특성은 프로펠러에서 발생하는 캐비테이션의 패턴에 크게 영향을 받고 있음을 알 수 있었다[4].
5 종의 고속 프로펠러 시리즈에 대한 캐비테이션 초기발생(이후 초생) 특성, 캐비테이션 발생 및 소음계측 시험이 당 연구소의 캐비테이션 터널에서 수행되었다. 시험 결과로부터 소음수준은 캐비테이션이 발생하면 크게 증가되며, 또한 캐비테이션의 발생모습에 따라 크게 차이가 있음을 알 수 있었다. 특히 날개 단면에 따라서는 기포 캐비테이션이 발생하며 이때 소음 수준이 급격히 증가하고 있음을 알 수 있었다.
또한 프로펠러의 부하분포는 캐비테이션 초생에 큰 영향을 미치며. 저소음 추진기의 설계에 유용하게 사용될 수 있는 것으로 나타났다.
프로펠러 날개단면의 변화는 KP480, KP481 및 KP482에서 볼 수 있으며, 캐비테이션이 발생하지 않는 상태에서 소음에 미치는 영향은 거의 없는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 캐비테이션초생 및 소음특성에 큰 차이를 주는 2차원 날개단면의 실험결과[4]와는 다른 것으로.
이러한 경향은 대체로 2차원날개 단면의 소음시험 결과와도 잘 일치한다[4]. 한편 날개끝 보오 텍스 캐비테이션은 초생상태(24 knots에 해당)에서는 3 kHz 이하의 저주파영역에서, 그리고 보다 안정적으로 발생하였을 때(26, 28 knots)에서는 20 kHz 이상의 고주파수에서 소음 수준에 영향을 주고 있음을 알 수 있다.
계측된 프로펠러 단독성능은 양력면 이론에 의하여 추정된 단독특성과 잘 일치하는 것으로 나타났다. 한편 일정피치를 갖는 KP483은 날개단면은 동일하나 피치를 감소시킨 KP480 보다 설계 운항점(22 knots, 20% 해상여유 포함)에서 약4.5% 단독효율이 증가하였으며, KH53 단면을 사용한 K0482는 KP480에 비하여 단독효율이 약 1.2% 감소하는 것으로 나타났다.

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