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문제 정의
- 본 연구의 목적은 임펠러 직경 변화에 따른 성능을 파악하기 위해 일련의 연구를 수행하였다. 구체적인 결과들을 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- 그러나 군사 작전용으로 쓰이는 데에 대한 여러가지 제약조건이 있는바, 가장 중요한 것으로는 공간배치의 중요성과 함께 부양을 위해 중량을 최대한 작게 하여야 하는 것이다. (전호환 2001) 이러한 이유로 본 연구를 수행하게 되었으며, 본 연구에서는 성능 비교를 위해서 제작한 3가지의 모형으로 저항실험, bollard test, 자항실험등을 압력계측과 추력, 토크계측을 수행하였다. 일반 스크류 프로펠러와는 달리 물분사 추진장치는 시스템의 운동량변화에 의해 추력이 발생하므로 일반 프로펠러에 대한 해석방법을 그대로 적용하기 어려우며, 실험방법 및 실험결과의 해석법이 정립되어 가고 있는 중이며, 여러 기관에서 각각의 방법으로 해석을 하고 있다.
- - 본 연구에서는 궤도 차량용 물분사 추진장치(1/5 scale)를 3가지의 임펠러 직경에 대하여 모형 시험하였다.
- IHC0996)에 의해 제안된 모멘텀 플럭스 방법에서는 저항 시험이 반드시 필요한 것은 아니지만, 추력 계수 해석방법에서는 필수적인 요소이므로 시험을 수행하였다. Fig.
- 본 논문에서는 물분사 추진장치의 모형시험 결과를 두 가지 방법으로 해석함으로써 임펠러의 직경에 따른 성능비교를 하였다. 해석방법은 기존의 추력감소계수를 사용한 해석과 ITTC1996해석법에 의해 해석방법이며 이를 이용하여 성능을 비교하였다.
- 직경의 변화에 따라서 덕트를 포함한 전체적인 시스템의 형상은 비슷하게 축적 설계되었으나, 성능에 큰 영향을 미치는 임펠러나 노즐은 동일한 마력을 흡수하기 위해 약간 다르게 설계 제작 되었다. 본 연구에 앞서 임펠러 형상등의 설계변수에 대해서는 수치해석적인 방법을 통하여 미리 검증하여 본 결과, 임펠러의 형상이나 다른 설계변수들에 대해서는 최적 성능에서 크게 벗어나지 않는 것으로 판단되어 본 연구에서는 성능변화에 크게 영향을 미치는 임펠러의 직경만을 고려하였다.(전호환 등 2001, 김문찬 등 2002, Chun.
- 앞서 말한 바와 같이 직경 변화에 따른 성능확인을 위해 3개의 다른 직경으로 모형을 제작하였다. 직경의 변화에 따라서 덕트를 포함한 전체적인 시스템의 형상은 비슷하게 축적 설계되었으나, 성능에 큰 영향을 미치는 임펠러나 노즐은 동일한 마력을 흡수하기 위해 약간 다르게 설계 제작 되었다.
- 자항 시험은 0(Bollard test), 실선속도 0, 7 , 8, 9, 10, 11, 11.5km/h와 같은 0.87, 0.99, 1.12, 1.24, 1.37, 1.43m/s에서 시행되었다.
- 자항 시험은 각각의 속도에 대응되는 모형선의 저항, 압력, 토크를 계측하여 모형의 rpm 및 추력, 동력값을 알기 위해 수행되어지는 시험으로, 제트을 통해 유출되는 유량을 정의하기 위해여 노즐 입·출구에서의 압력을 계측하고 동시에 저항과 토오크를 함께 계측하였다. 자항 실험의 결과를 분석하기 위해서는 먼저 예인력이 결정되어야 하는데, 물분사 추진장치 선박에서는 모형과 실선에서의 서로 다른 마찰 조건의 영향 때문에 정확한 예인력을 결정하기가 쉽지 않고 선박과 같이 일반화된 공식도 없다.
- 5m, 최대전차속도 : 7m/s)에서 실험하였으며, 임펠러 작동을 위한 4kW, 최대 3000rpm 의 서브 모터를 사용하였으며, 또한 4000rpm이상의 고속회전을 위해서 1×2의 증속기어를 사용하였다. 증속기어 이후에는 2 N-m 용량의 토오크미터를 장착하여 토오크를 계측하고 Ono Sokki 사의 HT-4100 모델 디지털 타코미터를 사용하여, 입력회전수와 추력 회전수를 검증하였다. 그리고 덕트 표면의 압력은 Validyne사의 증폭기 내장형 P305D모델의 압력센서를 사용하였다.
대상 데이터
- 증속기어 이후에는 2 N-m 용량의 토오크미터를 장착하여 토오크를 계측하고 Ono Sokki 사의 HT-4100 모델 디지털 타코미터를 사용하여, 입력회전수와 추력 회전수를 검증하였다. 그리고 덕트 표면의 압력은 Validyne사의 증폭기 내장형 P305D모델의 압력센서를 사용하였다. 압력 Tabe Fig.
- V 모형과 Waterjet 모형은 앞서 설명한 바 있으며 저항시험, 자항시험등을 수행하기 위해서는 그 외에도 여러가지 실험장치 및 시설이 있어야만 한다. 본 실험은 무산대학교 선박예인수조(길이 : 100m, 폭 : 8m, 깊이 : 3.5m, 최대전차속도 : 7m/s)에서 실험하였으며, 임펠러 작동을 위한 4kW, 최대 3000rpm 의 서브 모터를 사용하였으며, 또한 4000rpm이상의 고속회전을 위해서 1×2의 증속기어를 사용하였다. 증속기어 이후에는 2 N-m 용량의 토오크미터를 장착하여 토오크를 계측하고 Ono Sokki 사의 HT-4100 모델 디지털 타코미터를 사용하여, 입력회전수와 추력 회전수를 검증하였다.
- 수 있는 범위 내에서 결정하였다. 본 실험을 위하여 T.V.(Tra:ked Vehicle)의 모형은 1/5의 축적비로써 제작되었으며(Fig. 1), 제원은 Table. 1에 보인바와 같다.
데이터처리
- 각 모형 시험에 대해서는 ITTC 1996 모멘텀 플럭스 방법과 전통적인 추력 계수 방법으로 해석, 비교 하였다. 두 가지 방법에 의해서 추정된 EHP는 다소 차이를 보인다.
이론/모형
- )와 같은 경우 실선 시운전의 데이터가 없기 때문에 정확한 자항점을 찾을 수가 없다. 본 연구에서는 ITTC 표준법에 의해 값을 계산하여 예인력 계산에 사용하였다. (Chun et al.
- 따른 성능비교를 하였다. 해석방법은 기존의 추력감소계수를 사용한 해석과 ITTC1996해석법에 의해 해석방법이며 이를 이용하여 성능을 비교하였다. (Dyne/Lindell 1994)
성능/효과
- - 마지막으로, 모형 시험 결과, 임펠러 직경의 변화에 대해서 실선의 추정 속도가 매우 크게 변화됨을 알 수가 있었다. 직경 375mm와 280mm의 속도 차이를 비교했을때, 약 2Km/h나 된다.
- 직경 375mm와 280mm의 속도 차이를 비교했을때, 약 2Km/h나 된다. 따라서, 적절한 기와 중량을 위해서 콤팩트한 설계도 중요하지만, 성능 측면에서는 크기를 너무 줄이는 것은 매우 안 좋은 결과를 초래함을 알 수 있다.
- 그리고 본 모형선은 이러한 출구가 수중에 잠겨 있으므로 이러한 제트 속도 증가의 영향이 주위에 미칠 수가 있다고 본다. 이러한 현상을 추력 계수 방법은 추력 감소 계수가 고려해 주나, ITTC 방법은 이를 고려할 수가 없으므로 본 연구에서와 같은 JVR(Jet Velocity Ratio)이 매우 크고, 수중에서 제트를 분사할 경우 그리고 저항, 자항시의 트림의 변화가 크지 않은 경우 ITTC 모멘텀 방법보다 추력 계수 방법이 더 타당하리라 생각된다. 실선의 DHP는 모형과 실선의 펌프효율을 같다고 보았기 때문에 동일하다.
- 두 가지 방법에 의해서 추정된 EHP는 다소 차이를 보인다. 이에 대한 원인을 분석한 결과, ITTC 운동량 방법보다 추력 계수 방법이 더 타당할 것이라 생각된다.
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