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문제 정의
- 1995). 따라서, 본 연구에서는 고속 함정용 프로펠러의 소음연구를 위하여 기준 프로펠러를 결정하고. 2차원 날개단 면 연구에서 도출돤 날개단면 2종을 프로펠러에 적용하여 캐비테이션 및 소음 특성의 변화에 관한 연구를 수행하였다.
- 두가지 실험방법 모두 캐비테이션 거동에 대한 소음특성 변화를 일관성 있게 보여주었다. 본 연구에서는 후자의 실험방법이 실선의 추진방법과 비슷하다고 생각되기 때문에 후자의 결과만을 언급하려 한다.
- 4에 나타난 것과 같이 터널 상무 관측창 및 측면 관측창 Hydrophone Box 모두에서 수행되었다. 실험장치에 따른 측정결과 에는 약간의 차이가 있었지만, 벽면효과 수정 후에 거의 동일한 결과를 보여주므로(안종우 등 2000-A), 본 논문에서는 즉면 Hydrophone Box에서 계측된 결과에 벽면효과 수정을 수행한 결과에 대하여 고찰하고자 한다.
제안 방법
- 따라서, 본 연구에서는 고속 함정용 프로펠러의 소음연구를 위하여 기준 프로펠러를 결정하고. 2차원 날개단 면 연구에서 도출돤 날개단면 2종을 프로펠러에 적용하여 캐비테이션 및 소음 특성의 변화에 관한 연구를 수행하였다. 또한 기준 프로펠러에 대하여 전개면적비의 변화 1개 그리고 하중분포의 변화 2 개를 변화시켜 캐비테이션의 초생 및 발생 특성 그리고 소음에 대한 영향^ 대하여 실험적으로 연구하였다.
- 고부하 프로펠러 시리즈의 캐비테이션 초생시험 및 관찰 그리고 소음계측은 KRSO의 캐비테이션 터널 제1 계측부(600mm×600mm)에서 수행되었다. 소음시험 시 터널 내무의 수중의 공기 함유량은 앞 연구(송인행 등 2000-A) 의 실험조건과 동일하게 45% 이하로 유지하였다.
- 그리고, 전개면적비 의 영향을 보기 위하여 피치, 캠버, 코오드분포. 단면형상 등을 KP480과 동일하게 유지시키면서 전개면적비 (Ae/AJ를 1.0으로 감소시킨 KP523 프로펠러도 설계하였다. 이들 프로펠러들은 양력면 이론에 의하여 추정한 설계 전진비에서의 추력이 동일하도록 하였다.
- 2차원 날개단 면 연구에서 도출돤 날개단면 2종을 프로펠러에 적용하여 캐비테이션 및 소음 특성의 변화에 관한 연구를 수행하였다. 또한 기준 프로펠러에 대하여 전개면적비의 변화 1개 그리고 하중분포의 변화 2 개를 변화시켜 캐비테이션의 초생 및 발생 특성 그리고 소음에 대한 영향^ 대하여 실험적으로 연구하였다. 이러한 체계적인 기하학적 변화에 대한 실험적 연구는 장차 고부하 저소음 추진기의 최적설 계에 유용한 자료로 사용될 것이다.
- 캐비테이션 및 소음시험을 수행하기 위하여 고속 및 고부하 특성이 고려될 수 있도록 기준프로 펠러를 K048O을 중심으로(Fig. 1 참조) 날개단 면 변화 3 종, 반경방향 부하분포의 변화 1 종 :! 리고 코오드 방향 부하분포의 변화 1종 등 총 5개의 프로펠러 시리즈를 설계한 바 있으며 (송인 행 등 2000-A), 본 연구에서는 날개단면 변화 1종, 면적비 변화 1종 등 2개의 프로펠러를 추가 설계하였다. 날개단면 변화는 기준 날개 단면인 KH54에서 받음각이 클 경우 캐비테이션이 상대 적으로 두껍게 발생함에 따라 개선이 요구되었다.
- 새로이 설계된 단면인 KH58을 이용하여 프로펠러를 제작하였다(송인행 등 2000-B, 안종우 등 2000-B).면적비 변화는 기준 프로펠러인 KP480 보다 약간 감소된 면적비 1.0의 프로펠러를 설계하였다.
- 따라서. 본 연구에서는 소음 측정 성능이 개선된 새로운 실험장치인 Hydrophone Box를 이용하여 모형 프로펠러 캐비테이션 소음을 측정하였으며. 실선 추정에 가능성이 있는 결과를 얻을 수 있었다(안종우 등2000-A).
- 필터를 거친 신호는 2 channd을 100 ㎑까지 분석할 수 있는 B&K사의 FFT 분석기(Type *50)에서 V3-octave band로 해석되었다. 본 연구에서의 실험은 2가지 방향에서 주진되었는데, 송인행 등(2000-A)의 연구와 같이 프로펠러 회전수를 40rpm로 유지시키면서 터널 내부압력을 조절하여 캐비테이션 수를 조절하는 방법과 터널 내무압력을 일정하게 유지시키면서 프로펠러 회전수를 조절하여 캐비테이션 수를 조절하는 방법이다. 두가지 실험방법 모두 캐비테이션 거동에 대한 소음특성 변화를 일관성 있게 보여주었다.
- 상기 프로펠러 6종에 대하여 KRISO의 예인수조에서 프로펠러 단독시험을 수행하였으며. Table 2에 나타난 시험 조건은 기존 프로펠러틀 가지고 수행한 자항추진시험 결과(강국진 등 1998)를 사용하여 추정하였다.
- 새로운 실험장치인 Hydrophone Box를 이용하여 고부하 프로펠러 씨리즈에 캐비테이션 소음 성능을 추정하여 보았다. 캐비테이션 초기발생 및 소음시험 결과로부터 얻은 결론은 다음과 같다.
- 주파수에 따른 스펙트럼 형태는 일반적으로 캐비테이션이 발생한 프로펠러의 소음 스팩트럼과 비슷한 형태로 나타나 소음의 실선성능 추정이 가능하리라 생각된다(안종우 등 2000~A). 실험방법은 터널 내부 압력을 30㎑로 유지시키면서 프로펠러 회전수를 변화시켜 캐비테이션 수(선속)를 조절하는 방식으로 실험을 수행하였다. 선속이 증가하면서 소음 수준이 전 주파수에 걸쳐 점차 상승하는 것을 알 수 있다.
- 이렇게 추정된 각 시험조건에서 반류가 없는 프로펠러 단독상태 (Open-Water)에서 캐비테이션 및 소음 특성시험이 수행되었다.
대상 데이터
- 4 참조). 계측된 신호는 전하형(charge type) 증폭기에서 증폭되고, 이 신호성분중 500Hz 이하의 저주파수 성분을 KH3364 필터에서 제거되었다. 필터를 거친 신호는 2 channd을 100 ㎑까지 분석할 수 있는 B&K사의 FFT 분석기(Type *50)에서 V3-octave band로 해석되었다.
- 또한 프로펠러의 부하분포의 변화에 대한 프로 펠러의 성능을 새로운 실험장치에서 조사하기 위하여 Fig.2와 Fig.3에 나타난 것과 같이 일정피 치를 사용하여 날개끝 하중이 증가하는 프로펠러 (KF483)와 KP480에 비하여 전반적으로 피치롤 감소시키고 캠버를 15% 증가시킨 KP484 프로펠러도 본 연구에서 포함시켰다. 그리고, 전개면적비 의 영향을 보기 위하여 피치, 캠버, 코오드분포.
- 따라서. 새로이 설계된 단면인 KH58을 이용하여 프로펠러를 제작하였다(송인행 등 2000-B, 안종우 등 2000-B).면적비 변화는 기준 프로펠러인 KP480 보다 약간 감소된 면적비 1.
- 수중청음기(B&K Type 8103)의 설치방법은 앞 연-구(송인행 등 2000-A)에서 사용한 바 있는 하부 관측창에 설치되어 있는 종형 축대칭체(Bell Type) 형태를 지양하고 상부 관측창(Top)과 측면 관측창(Side)에 부착되어있는 Hydroclone Box들 에 수중청음기를 설치하여 사용하였다(Fig.4 참조). 계측된 신호는 전하형(charge type) 증폭기에서 증폭되고, 이 신호성분중 500Hz 이하의 저주파수 성분을 KH3364 필터에서 제거되었다.
- 따라서 캐비테이션 소음 연구를 위하여 선정한 프로펠러는 송인행 등(2000-A)에서 설계 . 제작된 5개 프로펠러 중에 K3481 을 제외한 4개의 프로펠러와 본 연구에서 설계된 2개의 프로 펠러로 총 6개이다. 캐비테이션 소음시험에 사용한 프로펠러의 주요제원은 Table 1에 보였으며, 프로펠러 허브비는 0.
- 제작된 5개 프로펠러 중에 K3481 을 제외한 4개의 프로펠러와 본 연구에서 설계된 2개의 프로 펠러로 총 6개이다. 캐비테이션 소음시험에 사용한 프로펠러의 주요제원은 Table 1에 보였으며, 프로펠러 허브비는 0.2, 프로펠러 직경은 0.19149m이다. 표에서 보듯이 기준 프로펠러의 부하분포는 날개끝의 부하을 감소시킨 형태롤택 하였으며, KH54 단면을 사용하였다.
성능/효과
- 1) 본 연구에서 프로펠러에 발생한 기포 캐비테이 션은 소음수준을 매우 즘가시키는 것으로 나타났다. 따라서, 저소음 프로펠러 설계시 기포 캐비테이션의 발생유무에 세심한 주의를 .
- 2) 캐비테이션의 발생두께가 두꺼워지는 KP483과 KB523의 경우 날개끝 보오텍스 캐비테이션이 산란되어 저주파에서 소음특성이 증가하는 것으로 나타났다.
- 3) KP483의 경우 순항속도인 22kts에서도 캐비 테이션이 발생되어 저주파에서 최대 15dB까지 증가되는 것으로 나타났다. 소음의 측면에서 날개끝 부하 감소가 매우 중요함을 알 수 있다.
- 4) 전반적으로 피치를 감소시키고 캠버를 증가시킨 KP484의 경우 캐비테이션 및 소음성능이 향상되었다. 따라서 저소음 프로펠러 설계시 KP484의 가하형상이 주의 깊게 고려되어야 할 것이다.
- 5) KH54 단면과 KH53 단면의 중간적인 성능을 갖는 KH58단면을 적용하여 캐비테이션 초생 성능 및 소음성능을 비교하여 본 결과 30kts 이하에서는 소음성능이 개선되었으나, 32kts 이상에서는 성능이 나빠졌다. 그 원인으로는 32kts에서 0.
- 7R 위치에서의 캐비테이션 수이다. 계측된 프로펠러 단독성능은 양력면 이론에 의하여 추정된 단독특성과 잘 일치하는 것으로 나타났다. 한편 일정피치를 갖는 KP483은 날개단면은 동일하나 피치를 감소시킨 KP480보다 설계 운항점(22 knots, 20% 해상여 유 포함)에서 약 4.
- 2% 감소하는 것으로 나타났다. 본 연구에서 설계된 KP520은 비숫한 단독효율( #)을 보여주었으며, 전개면적비가 감소된 KP523의 경우 23%의 단독효율(#)이 증가하는 것으로 나타났다. 나머지 프로펠러들은 거의 유사한 단독특성을 보이고 있다.
- 0kts에서 부하분포 및 면적 바에 대한 소음특성의 변화를 보여준다.전반적으 로 피치를 감소시킨 KP484는 전체적으로 기준 프로펠러인 KP480에 비하여 캐비테이션의 발생 량 및 소음 수준이 함께 감소하고 있는 것으로 나타났다. 날개끝 부분의 부하를 감소하지 않은 KP483에서는 캐비테이션 초생속도가 빨라짐에 따라 캐비테이션 발생 두께가 두꺼워져 날개끝 보 오텍스 캐비테이션이 산란된 상태로 나타난다.
- 10 참조). 캐비테이션 발생두께가 두꺼워지는 KP483과 KP523의 경우 2.5㎑ 미만의 저주파 영역에서 소음 수준이 증가하는 것으로 나타났다. 고주파 영역에서는 기준 프로펠러인 K048O과 거의 차이가 나타나지 않는 것으로 나타났으나.
- 계측된 프로펠러 단독성능은 양력면 이론에 의하여 추정된 단독특성과 잘 일치하는 것으로 나타났다. 한편 일정피치를 갖는 KP483은 날개단면은 동일하나 피치를 감소시킨 KP480보다 설계 운항점(22 knots, 20% 해상여 유 포함)에서 약 4.5% 단독효율( #)이 증가하였으며, KH53 단면을 사용한 KP482는 KP480에 비하여 단독효율( #)이 약 1.2% 감소하는 것으로 나타났다. 본 연구에서 설계된 KP520은 비숫한 단독효율( #)을 보여주었으며, 전개면적비가 감소된 KP523의 경우 23%의 단독효율(#)이 증가하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 또한 기준 프로펠러에 대하여 전개면적비의 변화 1개 그리고 하중분포의 변화 2 개를 변화시켜 캐비테이션의 초생 및 발생 특성 그리고 소음에 대한 영향^ 대하여 실험적으로 연구하였다. 이러한 체계적인 기하학적 변화에 대한 실험적 연구는 장차 고부하 저소음 추진기의 최적설 계에 유용한 자료로 사용될 것이다.
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