[논문]해안경비정 물분사 추진기의 성능시험 연구

정운화; 김문찬; 이승호; 신병철; 이진희

doi:10.3744/snak.2010.47.2.178

해안경비정 물분사 추진기의 성능시험 연구
Study on the Performance of Waterjet Propulsion System for Patrol Boat 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.47 no.2, 2010년, pp.178 - 187

정운화 (국방기술품질원) , 김문찬 (부산대학교 조선해양공학과) , 이승호 (부산대학교 조선해양공학과) , 신병철 (부산대학교 조선해양공학과) , 이진희 (부산대학교 조선해양공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The performance of the waterjet system of a patrol boat has been experimentally studied. A waterjet propulsion system has many advantages comparing with a conventional screw propeller especially for high speed craft because of its good cavitation performance. This paper describes experimental procedure and analysis method of self-propulsion tests with a 1/12-scale model. Experimental results were analyzed according to ITTC 96 standard method. The full-scale effective power and delivered power of the ship were also analyzed and the full-scale speed predicted from the model test compares reasonably with the measured full-scale results of the sea trial.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

2005) 있었으나 실선과의 상관관계는 실선확장이 늦어지는 관계로 거의 이루어지지 못하고 있다. 본 논문에서는 최근 개발된 물분사 추진기를 탑재한 연안 경비정에 대해 ITTC96 표준방법으로 모형시험 해석결과와 실 해역에서 해상시운전결과를 가지고 상호관계를 비교하여 보았다.
선속이 증가함에 따라 저항은 선형적으로 증가하는 경향을 보이고 있다. 실험은 여러 가지 흘수와 파랑조건에서 수행하였으나 본 논문에서는 시운전 결과와의 비교에 초점을 맞추어 설계 흘수에서 잔잔한 조건으로 시험을 수행한 결과를 보이도록 한다.

가설 설정

본 논문에서는 펌프의 단독효율은 균일류에서 계측하지 않고 모형선 자항상태의 유도관내의 불균일류 중 펌프 전후 단면에서 계측된 압력을 이용하면서 펌프설치 손실은 없다고 가정(ηinst = 1.0)하고 펌프성능(E5 -E3)/2πnQ을 추정하였다.
본 연구에서는 설계 및 초기에 성능추정을 위하여 Allison(1993)의 방법을 토대로 다음과 같은 초기치를 가정하고 성능을 추정하여 보았다.
흡입구 상류 선저 경계층 유입유동 단면적 형상을 사각형으로 가정하였고 이는 인렛면적의 오차가 추정동력에 미치는 영향이 미미하기 때문이다.

제안 방법

- 각각의 속도에서 ITTC96방법을 기준으로 압력, 힘과 토오크들을 각각 계측하여 유효마력과 필요동력을 산출하였으며, 모형 값을 토대로 실선의 성능을 추정하였다. MCR 마력 상태의 설계 흘수(Full load)에서 추정된 실선속도는 31.
ITTC96 모멘텀 플럭스 방법을 사용하여 성능을 추정할 경우 저항시험이 성능 평가를 위해서 반드시 필요한 것은 아니지만 선형에 대한 기초적인 자료를 제공하고 참고로 활용되기 때문에 본 시험에서는 먼저 속도별 저항을 수행하였다.
자항시험의 결과를 실선으로 확장하기 위해서는 먼저 예인력이 결정되어야 하는데 물 분사 추진기 탑재 선박에서는 모형과 실선에서의 서로 다른 마찰 조건의 영향 때문에 정확한 예인력을 결정하기가 쉽지 않고 일반선박의 경우와 같이 일반화된 공통적인 공식도 없다. 따라서 기존 ITTC 78방법에서 사용하는 ∆C_F 값을 사용하여 자항 시험을 해석하였다. 속력은 5개의 모형속력(full load)에서 3.
따라서 기존 ITTC 78방법에서 사용하는 ∆C_F 값을 사용하여 자항 시험을 해석하였다. 속력은 5개의 모형속력(full load)에서 3.56, 3.86, 4.15, 4.45, 4.75m/s에서 자항시험을 수행하였으며, 이는 실선의 24, 26, 28, 30, 32knots에 해당된다. 순 추력의 정의는 자항시 추진력에 의해 이론적으로 극복되어야 할 총 저항이다.
덕트 표면에서의 압력은 Validyne사의 증폭기 내장형 P305D모델로서 노즐출구에서는 최대 50psi, 임펠러 앞 덕트에서는 최대수두 5psi 용량의 압력센서를 사용하였다. 압력계측점은 노즐 출구 4곳에서 차압을 계측하여 평균값으로 유량을 계산하였다. 유량과 제트 유속의 검증은 압력탭을 제트출구 단면에 설치하여 압력을 얻어 이를 이용하여 유속을 결정하여 적분함으로서 덕트면 압력계측에 의한 유량을 검증하였다.
압력계측점은 노즐 출구 4곳에서 차압을 계측하여 평균값으로 유량을 계산하였다. 유량과 제트 유속의 검증은 압력탭을 제트출구 단면에 설치하여 압력을 얻어 이를 이용하여 유속을 결정하여 적분함으로서 덕트면 압력계측에 의한 유량을 검증하였다. 압력 Tab은 단면 5에서 4점, 단면 3에서 3점, Fig.
임펠러의 역학적 상사를 만족하기 위하여는 푸르드 상사조건에 의하여 모형 임펠러의 회전수는 실선보다 √λ(축척비)배만큼 빨리 회전시켜야 하므로 실선 설계 회전수 1090RPM은 모형에서 대략3800RPM의 고속 회전이 요구된다. 이 조건을 만족시키기 위하여 1kw용량의 서보모터(servo motor)에 증속기어를 연결하여 회전수를 2배로 증폭하는 방법을 사용하였다. 증속기어 이후에 2N-m 용량의 토오크 미터(torquemeter)를 장착하여 토오크를 계측하고 임펠러로 들어가는 축에서 실제로 입력되는 회전수는 Ono Sokki사의 HT-441 모델 디지털 타코미터(tachometer)를 사용하여 직접 계측하였다.
자항시험에서는 분사류를 통해 유출되는 유량을 정의하기 위하여 노즐 입출구에서의 압력을 계측하고 동시에 저항과 토오크를 함께 계측하였다. 시험의 결과 및 분석은 설계 흘수에 대해 Table 5에 보여주고 있다.
7에서는 압력센서가 설치된 상태를 보여주고 있다. 저항의 계측은 200N 용량의 저항동력계로 계측하였다.
축적비 1/12로 FRP와 목재를 사용하여 모형을 제작하였다. 펌프 또한 1/12로 축소하여 제작하였고 스테이터와 임펠러 및 덕트는 알루미늄으로 가공 제작하여 부식방지를 위하여 diode 처리를 하였다. Table 2와 Fig.
해군 해안경비정용 물분사 추진기 자항성능 시험 및 해석을 위한 일련 연구를 수행하였고 이를 해상시운전 결과와 비교 검증하였으며 다음과 같이 결과를 도출하였다.

대상 데이터

비속도가 클 때는 단위시간당 회전차를 통과하는 유량이 많아지게 하기 위하여 회전차 직경은 작고 유로 단면적을 넓게 하여 유체는 축방향으로 회전차를 통과하여야하며 이러한 경우 사류형이나 축류형으로 하여야 한다. 본 연구에서 다루게 될 물분사추진기는 비속도 961부근의 사류형 물분사 추진기이다.

이론/모형

이 두 값으로부터 추력감소계수를 구할 수 있다. 압력계측치의 신뢰성을 위해서 Bollard Test를 시행하였다. 이 시험에서 모멘텀 플럭스 방법에 의해 구한 총 추력은 저항동력계로 계측한 저항 값 즉 순 추력과 이론적으로 같아야 한다.
이 조건을 만족시키기 위하여 1kw용량의 서보모터(servo motor)에 증속기어를 연결하여 회전수를 2배로 증폭하는 방법을 사용하였다. 증속기어 이후에 2N-m 용량의 토오크 미터(torquemeter)를 장착하여 토오크를 계측하고 임펠러로 들어가는 축에서 실제로 입력되는 회전수는 Ono Sokki사의 HT-441 모델 디지털 타코미터(tachometer)를 사용하여 직접 계측하였다. 확인 결과, 모터로 입력된 회전수와 임펠러에 입력되는 회전 수는 5RPM 이내에서 일치하였다.

성능/효과

- ITTC96방법에서 중요한 압력 계측에 대한 검증으로써 Bollard상태에서 실험을 수행하여 저항 계측값(Gross thrust)과 압력에 의한 모멘텀 값(Net thrust)을 비교하였으며, 5%이내로 일치함을 보였다.
ITTC96 방법에 의해 해석되어진 결과를 Table 5와 Figs. 10~12에서 보였으며 속도가 증가할수록 overall 추진효율이 증가하는 일반적인 경향을 보이고 있으며 전형적인 혼합형 워터제트의 비속도를 보이고 있다. 본 논문에서는 펌프의 단독효율은 균일류에서 계측하지 않고 모형선 자항상태의 유도관내의 불균일류 중 펌프 전후 단면에서 계측된 압력을 이용하면서 펌프설치 손실은 없다고 가정(η_inst = 1.
- 각각의 속도에서 ITTC96방법을 기준으로 압력, 힘과 토오크들을 각각 계측하여 유효마력과 필요동력을 산출하였으며, 모형 값을 토대로 실선의 성능을 추정하였다. MCR 마력 상태의 설계 흘수(Full load)에서 추정된 실선속도는 31.91knots로 나타났고 실제 실선 해상시운전 결과도 31.9knots로 나타나 전달마력(DHP)과 제동마력(BHP)의 차이 즉 전달효율만큼의 차이로 볼 때 대략 3~5%정도 마력 차이를 보이고 있다고 생각할 수 있으며 이러한 결과를 볼 때 ITTC96방법과 본 실험이 어느 정도 신뢰할 만 하다고 생각한다.
계산에서 보인바와 같이 비속도는 전형적인 혼합형에 속하며 전체효율은 대략 50%정도임을 알 수 있었다.
해상시운전에서 측정하는 항목은 전후 진행 방향(180 DEG), 조류방향, 속력(knots), 주기회전수(rpm), 주기마력(BHP) 등을 측정하여 계약선속 이상이면 선박의 수락여부를 확인하는 것이 일반적인 방법이다. 그리고 고가의 고속선의 경우는 추가 적으로 축토오크를 측정 계측하지만 저가의 경우 토오크 계측 설비가 없어 측정은 불가한 상태이며 본 선의 경우도 토오크 계측설비가 없어 선속에 주기회전수에 따른 주기의 제동마력(BHP)으로 확인하였다.
91knots 이었으며, 이는 ITTC78방법에서 사용하는 실선-모형선 표준상관 관계의 계수를 사용하였던 결과이다. 또한 실선 해상시운전 결과도 제동마력 3724ps(BHP)에서 31.9knots로 감속기어 등에 의한 전달효율을 95~97% 정도로 본다면 모형시험이 실선의 경우에 비하여 같은 속도에서 3~5% 정도 더 높은 마력이 소요됨을 알 수 있다. 이 정도의 차이라면 비교적 잘 일치하는 결과로 생각되며 물분사 추진기 모형시험방법인 ITTC96 모멘텀 플럭스 방법과 본 연구의 모형시험 결과가 비교적 신뢰할 만 하다고 생각된다.
모형시험조건(Full Load)에서 추정된 실선확장 속도는 Fig. 12와 같으며, 전달마력(DHP) 3724ps에서 31.91knots 이었으며, 이는 ITTC78방법에서 사용하는 실선-모형선 표준상관 관계의 계수를 사용하였던 결과이다. 또한 실선 해상시운전 결과도 제동마력 3724ps(BHP)에서 31.
9knots로 감속기어 등에 의한 전달효율을 95~97% 정도로 본다면 모형시험이 실선의 경우에 비하여 같은 속도에서 3~5% 정도 더 높은 마력이 소요됨을 알 수 있다. 이 정도의 차이라면 비교적 잘 일치하는 결과로 생각되며 물분사 추진기 모형시험방법인 ITTC96 모멘텀 플럭스 방법과 본 연구의 모형시험 결과가 비교적 신뢰할 만 하다고 생각된다.
이는 초기에 추정했던 값보다 다소 큰 수치임을 알 수 있다. 최종적으로 MCR(DHP) power (3491ps)의 설계 흘수 상태에서 31.9knots의 속도를 얻었다.
증속기어 이후에 2N-m 용량의 토오크 미터(torquemeter)를 장착하여 토오크를 계측하고 임펠러로 들어가는 축에서 실제로 입력되는 회전수는 Ono Sokki사의 HT-441 모델 디지털 타코미터(tachometer)를 사용하여 직접 계측하였다. 확인 결과, 모터로 입력된 회전수와 임펠러에 입력되는 회전 수는 5RPM 이내에서 일치하였다. Fig.

후속연구

- 본 연구가 모형-실선 상관관계에 관한 연구에 기여할 수 있으리라 생각되며 좀 더 정확한 실선 성능 추정을 위해 앞으로 보다 많은 연구와 실선의 데이터가 있어야 하리라 생각된다.
따라서 Table 5에서 추정한 펌프 성능이 참고문헌(Terwisga 2000) 등에서 보는 펌프 단독 효율(90% 내외)과는 달리 비현실적으로 큰 값을 보이고 있다. 그러나 본 실험의 해석 방법이 토오크와 운항속도에 해당되는 예인력에 맞추어 마력-속도 성능을 추정하기 때문에 주어진 마력에서의 속도 성능 추정에는 직접적인 영향을 주지 않으나 이 부분에 대하여는 앞으로 보다 정도 높은 계측이 이루어져야 되리라 생각된다. 이에 반하여 Bollard test에서 확인한 바와 같이 입구 쪽과 노즐 부에서의 압력 계측은 비교적 잘 이루어 졌다고 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	일반 프로펠러에 의한 추진의 문제점을 해결할 수 있는 추진기로 주목받는 것은 무엇인가?	선박이 고속화됨에 따라 일반 프로펠러에 의한 추진은 캐비테이션 발생, 효율의 급격한 저하 및 진동 소음 등의 문제가 발생되고 있으며, 이런 문제를 해결할 수 있는 추진기로 물분사 추진장치가 각광을 받고 있다. 물분사 추진장치는 개발 초기모델에 비해 성능개량으로 현재 30kts이상의 초고속선에 탑재되고 있다.
	선박이 고속화되면서 발생한 일반 프로펠러에 의한 추진의 문제점은 무엇인가?	선박이 고속화됨에 따라 일반 프로펠러에 의한 추진은 캐비테이션 발생, 효율의 급격한 저하 및 진동 소음 등의 문제가 발생되고 있으며, 이런 문제를 해결할 수 있는 추진기로 물분사 추진장치가 각광을 받고 있다. 물분사 추진장치는 개발 초기모델에 비해 성능개량으로 현재 30kts이상의 초고속선에 탑재되고 있다.
	물분사 추진장치는 어떤 방법으로 추진력을 발생시키는가?	특히 군용 선박에서는 속도 및 특수성능(수중 방사소음, 진동, 소음)이 절대적인 선택 기준으로 국내의 경우 소형 고속정에 이미 10여년 전부터 많이 적용되고 있으며, 중형 군용선박에도 현재 국내적으로 적용하는 추세에 있다. 물분사 추진체계는 물을 선체 바닥에서부터 흡입하여 유도관 속에 있는 임펠러, 스테이터를 지나면서 회전동력을 압력 에너지로 변환시켜 노즐을 통하여 물을 고속으로 분사시킴으로써 추력을 발생시키는 추진장치이며 크게 추진기와 제어체계로 이루어져 있다. 이러한 물분사 추진기는 유도관의 내부압력이 증가되어 일반 프로펠러에 비해 캐비테이션 발생 여유를 충분히 확보할 수 있기 때문에 고속에 적합한 추진기이며 저속 또는 정지 상태에서 조종 성능이 우수하며 덕트로 둘러싸여 있어 파손의 위험이 적어 고속선과 특수선박에의 응용이 날로 증가하고 있다.

참고문헌 (8)

Allison, J.L., 1993, "Marine Waterjet Propulsion," SNAME Transactions, Vol. 101, pp. 275-335.
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Dyne, G. and Lindell, P., 1994, "Waterjet Testing in the SSPA Towing Tank," RINA International Symposium on Waterjet Propulsion, London.
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Kim, K.S., Park, Y.H., Ahn, J.W. and Lee, C.J., 2004, “Develpment of Self Propulsion Rest of a Waterjet Model Ship,” Proceedings of the SNAK Conference, pp. 301-309.
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Kim, M.C., Chun, H.H., Park, W.K., Byun, T.Y., Kim. J.H. and Suh. S.B., 2005, “Design and Analysis for the POD Type Waterjet System,” Journal of the Society of Naval Architectures of Korea, Vol. 42, No. 3, pp. 290-298.

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Terwisga, 2000. "Waterjet propulsion," MARIN, Training Course on Propulsion Hydrodynamics, Netherlands.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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