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문제 정의
- 현재 설계되고 있는 모바일하버는 선형이 단동선형이 아닌 쌍동형으로서 단동선형에 비하여 짧은 횡동요 주기를 가지며, 또한 컨테이너의 적재량에 따라 배수량의 차이가 큰 특성을 가지고 있으므로 횡동요 주기가 넓은 범위에 존재한다. 따라서 변화하는 횡동요 주기에 대응할 수 있는 tuned type의 ART를 고려하고, 소형모델을 제작하여 성능의 검증과 더불어 실선용의 ART를 시 설계해 보았다. 이와 더불어 모바일하버의 횡동요를 능동적으로 저감해 줄 수 있는 자기부상방식 AMD의 축소모형을 설계 및 제작하여, 적용가능성을 확인하였으며, 이를 기반으로 실선용에 대한 시 설계를 수행하였다.
- 이 논문에서는 현재 설계되고 있는 250 TEU급모바일하버에 대한 횡동요 저감장치의 개념설계 연구결과를 소개하고자 한다. 모바일하버의 횡동요 저감장치로는 수동형 ART와 자기부상방식의 능동 이동질량형 저감장치(이하, active mass driver, AMD)를 고려하였다.
- 이 연구에서는 250 TEU급 쌍동선형 모바일하버의 횡동요 저감을 위하여 tuned type ART와 자기 부상방식 AMD의 개념설계를 통해 적용성을 검토 하였다. 현재 설계되고 있는 모바일하버는 선형이 단동선형이 아닌 쌍동형으로서 단동선형에 비하여 짧은 횡동요 주기를 가지며, 또한 컨테이너의 적재량에 따라 배수량의 차이가 큰 특성을 가지고 있으므로 횡동요 주기가 넓은 범위에 존재한다.
제안 방법
- AMD의 이동질량 37톤을 8개의 전자석으로 지지 하도록 초기 설계하였다. 설계 여유를 고려하여 전자석 1개가 감당해야할 부상력은 약 54 kN이 된다.
- ART와 자기부상방식 AMD의 개발 가능성 및 적용성 등을 확인하기 위해 축소형 장치를 설계·제작하여 성능시험을 수행한 후, 실선용 장치의 개념설계를 수행하였다.
- 모바일하버인 경우 만재 하중상태에서의 트림은 무시할 수 있지만, 밸러스트 상태에서의 트림은 약 2 m 정도로 무시 못 할 정도로 매우 크다. 따라서 무게중심에 대한 자료가 없는 중간 흘수에서의 정확한 트림은 구할 수가 없으므로, 트림과 무게중심의 변화는 밸러스트와 만재 하중상태에서의 값을 내삽하여 계산하였다. Fig.
- 의 크기 또한 배수량에 따라 변하기 때문에 모바일하버는 횡동요 주기가 넓은 범위에 걸쳐 존재한다. 따라서 변화하는 횡동요 주기에 대응할 수 있는 tuned type의 ART를 고려하였다. ART가 횡동요 저감장치로서 작동하기 위해서 ART 탱크 내 물의 동요주기는 모바일하버의 동요주기와 같도록 설계해야 한다.
- EDS 방식은 원리적으로 일정 속도 이상이 발생 한 후 부상이 이루어지는 점을 고려할 때, 모바일하버용 부상방식으로 적용하기에는 부적합하다. 따라서 이 연구에서는 전자석이 적용된 EMS 방식을 선정하고 설계를 수행하였다
- 윙 탱크의 폭A 가 결정되면 R은 선박의 반폭에서 A/2를 뺀 값으로 결정된다. 또한, 덕트 높이 a가 정해지면 덕트 상면으로부터 물의 높이(이 계산에서는 0.2 m로 가정)를 정하면 h도 결정되므로 탱크 주기에 적합한 ART 형상을 설계하기 위하여 윙 탱크의 폭 A와 덕트 높이 a의 변화에 따라 ART내 물의 동요 주기를 계산하여 최적의 ART 형상 설계를 수행하게 된다. 두 가지 변수에 대해 다양한 값을 변화시켜 가며 수치계산을 수행한 결과 탱크 내 물의 주기는 덕트 높이 a를 크게 하는 것이 다른 파라미터의 변화보다 효과적임을 확인하였다.
- 이 연구에서 고려된 tuned type ART의 작동개념을 확인하기 위하여 ART 탱크를 강제로 동요시켜주는 소형 벤치테스터를 제작하였다. 모형 ART 내에 길이방향을 4 등분하고 그 중 2 구획에 2조의 주기 조절판을 설치하여, ART 동요 주기에 따라 게이트가 자동으로 개폐되는 축소용 모델을 Fig. 6과 같이 제작하였다. 이 벤치테스터에는 횡동요 각의 계측을 위한 기울기 센서가 설치되어 있으며, 마이크로프로세서에서 이 신호를 계측하여 횡동요 각도와 주기를 추정하였다.
- 모형 위에 리니어 모터 고정자를 설치하여 가동 질량이 직선운동을 할 수 있도록 하였다. 리니어 모터의 이동자가 부착된 가동질량은 기존 리니어 모터에서 널리 사용되는 LM(linear motion)가이드에 의해 지지되는 것이 아니라 자기부상력에 의해 지지된다.
- 배수량에 따라 변화하는 모바일하버의 횡동요 주기에 대응하기 위하여 ART 윙 탱크 폭 방향을 두개의 실로 나눔과 더불어 ART 덕트의 길이방향을 등간격의 8 프레임(frame)으로 나누고, 2 프레임의 유동을 막을 수 있는 주기조절판 2조를 설치하여 이의 개폐를 통하여 주기조절이 가능한 방안을 검토하였다. 이렇게 설계된 탱크는 Table 2에 보인 바와 같이 윙 탱크의 폭과 주기조절판(control valve)의 개폐에 따라 다양한 동요주기에 대응할 수 있다는 특징이 있다.
- 모바일하버의 횡동요 저감장치로는 수동형 ART와 자기부상방식의 능동 이동질량형 저감장치(이하, active mass driver, AMD)를 고려하였다. 수동형 ART는 정상상태(steady state)에서 모바일하버의 횡동요를 상당부분 줄여주고, 고유주파수 근처에서의 큰 운동 성분 및 비정상 상태 성분은 AMD를 이용하여 저감하도록 설계개념을 설정하였다. ART와 자기부상방식 AMD의 개발 가능성 및 적용성 등을 확인하기 위해 축소형 장치를 설계·제작하여 성능시험을 수행한 후, 실선용 장치의 개념설계를 수행하였다.
- 쌍동선인 모바일하버의 단면형상 모형을 만들고 프레임에 베어링으로 지지시켜서 진자 운동을 할 수 있도록 설계·제작하였다.
- 이때 물의 양은 약 900톤이 되며 길이는 15 m가 된다. 윙 탱크의 폭은 1.8 m로 설계하여 윙 탱크를 폭 1 m 또는 1.8 m로 선택하여 사용 할 수 있도록 분할하도록 하였다. Fig.
- 6과 같이 제작하였다. 이 벤치테스터에는 횡동요 각의 계측을 위한 기울기 센서가 설치되어 있으며, 마이크로프로세서에서 이 신호를 계측하여 횡동요 각도와 주기를 추정하였다. 소형 벤치테스터의 동요주기를 바꾸어 가며 시험을 수행하였는데, 동요주기가 1초에서 2초 사이에서는 주기 조절판을 모두 열며, 2초 이상인 경우에는 주기조절판을 하나를 닫고, 3초 이상인 경우에는 주기조절판을 모두 닫도록 하여 tuned ART의 성능이 만족스럽게 작동하는 것을 확인하였다.
- 이 연구에서는 중·저속형 LIM를 선정하였으며, 추진력은 알루미늄 도체로 구성되는 2차측에서 발생하는 와전류(eddy current)를 이용한다.
- 2장에서 기술한 연성 운동방성식의 시뮬레이션과 실현 가능성 등을 고려하여 Table 3과 같은 설계사양을 결정하였다. 이동 질량은 설계 배수량(7,500톤)의 0.5 % 수준으로 결정하였으며, 이동 변위는 모바일하버의 폭(33 m)의 1/2, 이동 속도는 횡동요 주기를 고려하였다. 자기부상 방식은 크게 EMS(electromagnetic suspension)와 EDS(electro-dynamic suspension)로 나눌 수 있다.
- 모형이 진자 운동에 의한 횡동요를 하면, 횡동요 제어기는 횡동요를 저감시키기 위해 횡동요 각도에 대해 계산된 위치로 가동질량을 이동시키기 위한 위치제어를 수행한다. 이를 위해 횡동요 각도를 측정하기 위한 각도 센서와 가동질량의 위치를 측정하기 위한 선형 엔코더를 설치하였다. 광학식의 선형 엔코더는 엔코더 헤드와 엔코더 스케일 사이의 간격이 일정하게 유지되어야만 안정적으로 위치 측정이 가능한데, 선형 모터의 이동자는 자기부상력으로 지지되기 때문에 엔코더 헤드와 스케일 사이의 간격을 일정하게 유지하기 어려우므로 와이어 엔코더를 사용하였다.
- 따라서 변화하는 횡동요 주기에 대응할 수 있는 tuned type의 ART를 고려하고, 소형모델을 제작하여 성능의 검증과 더불어 실선용의 ART를 시 설계해 보았다. 이와 더불어 모바일하버의 횡동요를 능동적으로 저감해 줄 수 있는 자기부상방식 AMD의 축소모형을 설계 및 제작하여, 적용가능성을 확인하였으며, 이를 기반으로 실선용에 대한 시 설계를 수행하였다.
- 6 kg·m2이다. 제작한 장비의 횡동요 제어성능을 검증하기 위한 실험을 수행하였다. 횡동요 제어기를 작동시키지 않은 상태로 모형이 횡동요를 하고 있는 도중에 횡동요 제어기를 작동시키는 경우의 횡동요 제어결과를 Fig.
- 소형 벤치테스터의 동요주기를 바꾸어 가며 시험을 수행하였는데, 동요주기가 1초에서 2초 사이에서는 주기 조절판을 모두 열며, 2초 이상인 경우에는 주기조절판을 하나를 닫고, 3초 이상인 경우에는 주기조절판을 모두 닫도록 하여 tuned ART의 성능이 만족스럽게 작동하는 것을 확인하였다. 주기조절판은 컨트롤 패널에서 제어하는 신호에 따라 솔레노이드 밸브가 작동되어 열리고 닫히도록 설계 및 제작하였다.
대상 데이터
- 이를 위해 횡동요 각도를 측정하기 위한 각도 센서와 가동질량의 위치를 측정하기 위한 선형 엔코더를 설치하였다. 광학식의 선형 엔코더는 엔코더 헤드와 엔코더 스케일 사이의 간격이 일정하게 유지되어야만 안정적으로 위치 측정이 가능한데, 선형 모터의 이동자는 자기부상력으로 지지되기 때문에 엔코더 헤드와 스케일 사이의 간격을 일정하게 유지하기 어려우므로 와이어 엔코더를 사용하였다. 와이어 엔코더에 의한 가동질량의 위치 정보는 선형 모터용 전류 드라이버와 횡동요 제어기로 입력되어 위치제어를 위한 피드백 정보를 제공하며, 가동질량에 부착된 갭 센서(gap sensor)는 고정프레임과 가동질량 사이의 높이 간격을 측정하여 자기부상 제어기에 되먹임 된다.
- 대상 모바일하버의 형상은 쌍동선형이며, Fig. 1은 250 TEU급 모바일하버의 개념도를 보여주고 있다. 이 연구에서 고려하고 있는 모바일하버의 주요 사양을 Table 1에 정리하였다.
- 등판능력도 우수하여 7 %(약 4°) 구배의 등판이 가능할 것으로 예상된다. 대차는 프레임과 외판, 취부용 브라켓 등, 각종 장치들로 구성되어 있으며, 상대적으로 짧은 선체 폭(33 m)에서 30 m의 레일로 구성되므로 1대차 시스템으로 적용하였다. 프레임에는 메인 프레임, 리브(rib), 타이 보(tie beam) 등의 요소가 있으며, 좌우 1조를 이룬다.
- 이 논문에서는 현재 설계되고 있는 250 TEU급모바일하버에 대한 횡동요 저감장치의 개념설계 연구결과를 소개하고자 한다. 모바일하버의 횡동요 저감장치로는 수동형 ART와 자기부상방식의 능동 이동질량형 저감장치(이하, active mass driver, AMD)를 고려하였다. 수동형 ART는 정상상태(steady state)에서 모바일하버의 횡동요를 상당부분 줄여주고, 고유주파수 근처에서의 큰 운동 성분 및 비정상 상태 성분은 AMD를 이용하여 저감하도록 설계개념을 설정하였다.
- 이 연구에서 고려된 tuned type ART의 작동개념을 확인하기 위하여 ART 탱크를 강제로 동요시켜주는 소형 벤치테스터를 제작하였다. 모형 ART 내에 길이방향을 4 등분하고 그 중 2 구획에 2조의 주기 조절판을 설치하여, ART 동요 주기에 따라 게이트가 자동으로 개폐되는 축소용 모델을 Fig.
- 이때 전류는 약 15 A이며, 전자석 코일의 상한 허용 온도는 약 150 °C 이다. 전자석 코어의 재료는 강자성 스테인리스강이며, 코일을 구성하는 코일의 단면 크기는 50 mm2이며, 전류밀도는 1 A/mm2 이내로 설정 하였다. Fig.
데이터처리
- 설계된 전자석은 3차원 유한요소 해석을 통해 부상력을 계산하였다. Fig.
이론/모형
- 부가질량관성모멘트는 선박 동요 주파수에 따라 달라지고, 자유표면을 포함한 경계치 문제에 대한 포텐셜 이론에 기반하여 구한다. 계산방법으로는 2차원 스트립법, 3차원 패널법 등이 있으며, 이 연구에서는 3차원 패널법을 사용하였다. #이고 #이며, K, B, G 및 M은 각각 선저, 부력중심, 무게중심 및 메타센터를 지칭한다.
- 반면 해석법(analytical prediction) 및 등가회로법(equivalent magnetic circuit)을 사용하면, 파라미터 변화에 따른 특성을 효과적으로 얻을 수 있으므로 초기 설계에 효율적으로 이용될 수 있다. 따라서 초기 성능 분석, 정상상태 특성분석 및 설계 단계에서는 해석법 및 등가회로법을 이용하여 초기 설계를 수행하고, 정밀한 특성해석과 설계 검증에 유한요소 해석을 적용하였다.
성능/효과
- 2 m로 가정)를 정하면 h도 결정되므로 탱크 주기에 적합한 ART 형상을 설계하기 위하여 윙 탱크의 폭 A와 덕트 높이 a의 변화에 따라 ART내 물의 동요 주기를 계산하여 최적의 ART 형상 설계를 수행하게 된다. 두 가지 변수에 대해 다양한 값을 변화시켜 가며 수치계산을 수행한 결과 탱크 내 물의 주기는 덕트 높이 a를 크게 하는 것이 다른 파라미터의 변화보다 효과적임을 확인하였다. 그러나 덕트 높이가 높아지면 ART 내 물의 양이 증가하는 문제가 발생한다.
- 등판능력도 우수하여 7 %(약 4°) 구배의 등판이 가능할 것으로 예상된다.
- 모바일하버는 밸러스트 상태의 주기가 가장 짧으며, 이 주기에 적절한 ART 형상 설계를 수행한 결과 덕트 높이가 3 m이상으로 계산되어 사실상 실선에 설치가 불가능한 것으로 판단하였다. 따라서 실선 설치가 가능한 덕트 높이를 2 m로 정하고, 윙 탱크 폭의 값을 바꿔가면서 주기 계산을 수행하였는데 밸러스트상태에서의 횡동요 주기인 4.56초에 해당 하는 주기 값을 주는 윙 탱크 폭은 실제 설계상 너무 좁은 값이 나와서 최소한의 값으로 1 m로 택하였는데, 이와 함께 h를 1.2 m로 정하면 ART의 동요 주기는 5.8초이다. 따라서 발라스트 상태인 4.
- 일반적으로 ART는 주기가 가장 짧은 상태에 대해 설계를 수행하고, 주기가 길어지면 주기조절 장치 등을 사용하여 주기를 맞춰주도록 하고 있다. 모바일하버는 밸러스트 상태의 주기가 가장 짧으며, 이 주기에 적절한 ART 형상 설계를 수행한 결과 덕트 높이가 3 m이상으로 계산되어 사실상 실선에 설치가 불가능한 것으로 판단하였다. 따라서 실선 설치가 가능한 덕트 높이를 2 m로 정하고, 윙 탱크 폭의 값을 바꿔가면서 주기 계산을 수행하였는데 밸러스트상태에서의 횡동요 주기인 4.
- 이 벤치테스터에는 횡동요 각의 계측을 위한 기울기 센서가 설치되어 있으며, 마이크로프로세서에서 이 신호를 계측하여 횡동요 각도와 주기를 추정하였다. 소형 벤치테스터의 동요주기를 바꾸어 가며 시험을 수행하였는데, 동요주기가 1초에서 2초 사이에서는 주기 조절판을 모두 열며, 2초 이상인 경우에는 주기조절판을 하나를 닫고, 3초 이상인 경우에는 주기조절판을 모두 닫도록 하여 tuned ART의 성능이 만족스럽게 작동하는 것을 확인하였다. 주기조절판은 컨트롤 패널에서 제어하는 신호에 따라 솔레노이드 밸브가 작동되어 열리고 닫히도록 설계 및 제작하였다.
- 이 실험 결과로부터 자기부상방식 횡동요 저감 데모 장비는 만족할 만한 횡동요 저감 성능을 발휘 하고 있음을 알 수 있다. 이 데모장비에 대한 실험 결과를 바탕으로 자기부상방식 AMD를 이용한 횡동요 저감 장비의 모바일하버 실선 적용가능성을 실험적으로 확인하였다.
- 선박모형의 횡동요가 감소하여 정착상태에 이르기 까지 4초 정도가 소요되며, 이후 수평상태를 지속적으로 유지한다. 이 실험 결과로부터 자기부상방식 횡동요 저감 데모 장비는 만족할 만한 횡동요 저감 성능을 발휘 하고 있음을 알 수 있다. 이 데모장비에 대한 실험 결과를 바탕으로 자기부상방식 AMD를 이용한 횡동요 저감 장비의 모바일하버 실선 적용가능성을 실험적으로 확인하였다.
- 자기부상 및 추진계 설계결과를 바탕으로 축소형 자기부상방식 AMD가 제작되었으며, 자기부상 및 추진계, 선박을 포함한 진자운동을 하는 전체 질량은 약 118 kg이고, 회전축에 대한 관성모멘트는 약 22.6 kg·m2이다.
- 10은 공극의 길이 및 입력 전류의 크기에 따른 전자석의 부상력 특성을 중량에 대해 나타낸 것이다. 제어 입력 전류를 약 15 A 인가 할 때, 공극의 길이 10 mm에서 약 37 ton의 중량을 갖는 AMD 시스템을 위한 안정적 부상이 이루어지는 것을 확인할 수 있다.
후속연구
- 모바일하버는 초대형 컨테이너선의 접안 및 하역이 어려운 항만 근처 해상에서 직접 컨테이너 화물을 적재하고 이를 소형 항만에 하역하여 육상 수송 시스템에 연결시켜 주는 개념의 새로운 해양시스템이다. 선박 건조기술의 발전, 파나마 운하의 확장, 운송 효율의 증가 추세 등에 의하여 향후 컨테이너선은 대형화, 고속화 되어 가고 있는 추세인데, 이러한 선박을 접안하기 위한 항만 시설의 확장은 수심의 증가를 위한 준설, 부두 지역의 추가 개발 등의 비친환경적인 요소가 많이 필요하므로, 환경 부분에 대한 중요성이 부각되고 있는 지역에는 한계가 있다. 또한 선진국에 비해 상대적으로 저개발 상태인 후진국 또는 개발도상국에서 고비용이 소요되는 컨테이너 전용 항만을 건설하는 것이 어려울 경우, 이러한 지역에도 항만에 대한 추가 투자 없이 초대형 컨테이너선에 의한 물동량의 이송이 가능하게 하기 위해서는 모바일하버가 적절하게 사용될 수 있다.
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