[논문]부분 침수 프로펠러의 bollard pull 추력 및 토오크 특성 연구

박형길; 이태구; 백광준; 최순호

doi:10.7846/jkosmee.2011.14.4.264

부분 침수 프로펠러의 bollard pull 추력 및 토오크 특성 연구
Study on the Characteristics of Thrust and Torque for Partially Submerged Propeller 원문보기

한국해양환경공학회지 = Journal of the Korean society for marine environmental engineering, v.14 no.4, 2011년, pp.264 - 272

박형길 (삼성중공업) , 이태구 (삼성중공업) , 백광준 (삼성중공업) , 최순호 (삼성중공업)

초록
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도크 내 공정을 마치고 진수된 선박은 안벽에 계류된 상태로 주기관 등의 시험 검사를 수행하게 된다. 주기관 시험을 수행할 경우 선박은 안벽에 고정된 상태에서 수면 위로 날개가 노출된 프로펠러를 회전시켜야 하므로, 이때 발생하는 추력과 토오크를 예상하여 안전상 문제가 없도록 시험 조건 선정 및 설치를 수행하여야 한다. 날개가 수면위로 노출된 프로펠러는 회전수 및 축 잠김 깊이에 따라 수면 노출 및 공기 유입 등의 영향으로 추력 및 토오크 감소율이 변화하게 된다. 본 논문에서는 당사 실적 선박 프로펠러에 대해 모형 시험과 수치 해석을 통하여 회전수 및 축 잠김 깊이에 따른 추력 및 토오크 변화 특성을 파악하고 이를 바탕으로 부분 침수 프로펠러의 bollard pull 조건에 대한 추정식을 도출하였다. 도출된 추정식을 실선 계측 결과와 비교하여 정도 높은 추정 결과를 제공하고 있는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Shipbuilders carry out the operation test to check the conditions of the main propulsion system and auxiliaries for moored vessel in the quoy before the sea trial. The estimation of the thrust and torque for the partially submerged propeller should be prepared to ensure the safety of mooring line and the ship. In this paper, the variations of the thrust and torque according to the shaft submergence and the propeller rotating speed in bollard pull condition are investigated with the model test and the numerical analysis. Based on these resaearch, the empirical formula representing the physical phenomena of the partially submerged propeller is derived and validated through comparison to measurement results of full-scale propellers under the quoy operation test.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

0의 범위로 침수율을 변경시키면서 프로펠러 회전수에 따른 추력과 토오크를 각각 계측하였다. 본 연구에서는 침수율이 작은 조건에서의 추력 및 토오크 감소 현상을 파악하고자 하였으므로, 충분한 축 잠김 깊이를 가지고 동일한 프로펠러 회전수에서 계측된 추력 및 토오크 값을 기준값으로 선정할 필요가 있었다. ITTC[2008]에서는 프로펠러 단독 성능 시험에서 공기 유입 현상에 의한 영향을 배제하기 위한 최소 침수율을 h/R=3.
본 논문에서는 날개수 5개 및 6개의 프로펠러를 대상으로 선박의 안벽 시험 조건에 따른 흘수 변화와 낮은 회전수에서의 부분 침수 및 공기 유입 효과에 초점을 맞추어 모형 시험 및 수치 해석을 수행하였다. 수행된 연구 결과를 바탕으로 부분 침수 프로펠러의 깊이와 회전수에 따른 bollard pull 추력과 토오크의 특성을 파악하고 추정 방법을 마련하고자 하였다.

가설 설정

1. Definition of submergence depth.
이러한 조건 때문에 저회 전수에서의 모형 시험 결과를 실선으로 확장할 때에는 모형과 실선 간의 Reynold 수 차이를 보정해주는 ITTC[2008]의 실선 프로 펠러 단독 성능 확장법 이외에도 모형 축척에서의 저 Reynold 수영향도 고려해야 한다. 본 연구에서는 추력 및 토오크 값 자체보다 공기 유입 등에 의한 감소율을 다루고 있으므로, 저 Reynold 수 영향은 고려하지 않았다.

제안 방법

0에서의 추력 및 토오크 계측 결과를 공기 유입이 발생하지 않는 상태의 기준값으로 사용하였다. 공기 유입 현상이 급격하게 발생하는 조건에서는 계측값의 변동폭이 크게 증가하였으나, 일반적인 프로펠러 단독 시험에서와 같이 동일한 시간 간격에서의 평균값을 구하여 추력 및 토오크의 값을 결정하였다.
시험 대상으로 일반 상선에 사용되는 날개수 5개및 6개의 프로펠러를 선정하여 날개수, 피치비 등 형상 차이가 공기 유입 현상에 미치는 영향을 확인할 수 있도록 하였다. 모형 시험에서는 h/R=0.0~3.0의 범위로 침수율을 변경시키면서 프로펠러 회전수에 따른 추력과 토오크를 각각 계측하였다. 본 연구에서는 침수율이 작은 조건에서의 추력 및 토오크 감소 현상을 파악하고자 하였으므로, 충분한 축 잠김 깊이를 가지고 동일한 프로펠러 회전수에서 계측된 추력 및 토오크 값을 기준값으로 선정할 필요가 있었다.
모형 시험의 결과 분석을 통해 프로펠러 직경, 회전수, 침수 깊이에 따라 부분 침수 프로펠러의 bollard pull 조건의 추력 및 토오크를 추정하는 방법을 도출하였다. 도출된 추정식은 실선 계측 결과와 잘 일치하고 있으나 보다 다양한 선박에 대해 프로펠러 형상 및 하중의 변화와 선체 효과의 영향을 고려하기 위한 추가적인 연구가 필요할 것이다.
본 논문에서는 h/R<1.4인 범위를 조건 3으로 정의하였으며, 조건 2는 조건 1과 3 사이의 공기 유입조건으로 구분하였다.
본 논문에서는 날개수 5개 및 6개의 프로펠러를 대상으로 선박의 안벽 시험 조건에 따른 흘수 변화와 낮은 회전수에서의 부분 침수 및 공기 유입 효과에 초점을 맞추어 모형 시험 및 수치 해석을 수행하였다. 수행된 연구 결과를 바탕으로 부분 침수 프로펠러의 깊이와 회전수에 따른 bollard pull 추력과 토오크의 특성을 파악하고 추정 방법을 마련하고자 하였다.
본 논문에서는 안벽 시험 조건에서의 추력 및 토오크 추정을 위해서 프로펠러 침수율과 회전수를 변경시키며 모형 시험을 수행하였다. 모형 시험의 결과는 공기 유입 및 부분 침수 프로펠러의 추력 및 토오크 손실에 대한 기존 연구와 잘 일치하고 있으며, ventilation 수와 침수율에 대해 일정한 경향을 보여주고 있었다.
본 모형 시험에 사용된 프로펠러의 제원 및 시험 조건은 Table 1에 정리하였다. 시험 대상으로 일반 상선에 사용되는 날개수 5개및 6개의 프로펠러를 선정하여 날개수, 피치비 등 형상 차이가 공기 유입 현상에 미치는 영향을 확인할 수 있도록 하였다. 모형 시험에서는 h/R=0.
3에 보인 삼성중공업 대덕선박센타 예인수조(SSMB)의 프로펠러 단독 성능 시험 장비를 이용하여 침수 깊이별 bollard pull 시험을 수행하였다. 실선 시험과의 엄밀한 비교를 위해서는 모형 선에 프로펠러를 설치한 상태의 계측 결과를 통해 선체의 영향도 고려해야 하지만, bollard pull 상태에서 선체의 영향은 크지 않다고 알려져 있으므로(Ha[1997], Chung[1999]) 본 실험에서는 프로 펠러 단독 상태 만을 고려하여 프로펠러 자체의 공기 유입 현상에 의한 추력 및 토오크 변화를 분석하였다.
앞서 도출한 추정식에 의해 실선 프로펠러의 안벽 시 운전 조건에 해당하는 ventilation 수와 침수율 조건에서의 토오크 비율을 구하여 실제 계측값과 비교하였다. 실선 계측값의 토오크 감소 비율은 심수 조건에서 수행된 프로펠러 단독 시험의 J=0에서의 토오크 값에 Reynold 수 보정(ITTC[2008])을 수행한 실선 프로펠러 토오크 값을 기준으로 하여 계산하였다.
일반 상선에 사용되는 날개수 5개 및 6개의 프로펠러를 대상으로 Fig. 3에 보인 삼성중공업 대덕선박센타 예인수조(SSMB)의 프로펠러 단독 성능 시험 장비를 이용하여 침수 깊이별 bollard pull 시험을 수행하였다. 실선 시험과의 엄밀한 비교를 위해서는 모형 선에 프로펠러를 설치한 상태의 계측 결과를 통해 선체의 영향도 고려해야 하지만, bollard pull 상태에서 선체의 영향은 크지 않다고 알려져 있으므로(Ha[1997], Chung[1999]) 본 실험에서는 프로 펠러 단독 상태 만을 고려하여 프로펠러 자체의 공기 유입 현상에 의한 추력 및 토오크 변화를 분석하였다.
침수율과 회전수에 따른 추력 및 토오크 특성 파악을 위하여 계열 시험을 수행하였다. 침수율 변화에 따른 공기 유입 현상을 파악하기 위해 동일 회전수에서 침수율 변화에 따른 프로펠러 주위 유동 변화 모습을 Fig.

대상 데이터

본 논문에서는 h/R<1.0인 경우를 대상으로 하였으므로 조건 3에 해당한다.

데이터처리

날개수가 5개인 Propeller 1을 대상으로 h/R=0.0 이고 프로펠러 회전수가 4RPS와 8RPS인 조건에 대해 모형시험에서의 추력 및 토오크의 손실율을 수치 해석 결과와 비교하였으며, 그 결과를 Table 4에 요약하였다. 상대적으로 회전수가 작은 4RPS에는 4%이내의 오차를 보이지만, 8RPS에서는 20% 내외의 오차를 가지고 있다.
부분 침수 프로펠러 추력 및 토오크 손실에 영향을 미치는 공기 유입 현상 및 조파 현상에 대한 이해를 높이기 위해 상용 프로그램인 FLUENT Ver.13을 이용하여 모형시험과 동일한 조건에서 수치 해석을 수행하였다. 본 수치 해석에 사용된 계산 영역 및 경계 조건을 Fig.
앞서 도출한 추정식에 의해 실선 프로펠러의 안벽 시 운전 조건에 해당하는 ventilation 수와 침수율 조건에서의 토오크 비율을 구하여 실제 계측값과 비교하였다. 실선 계측값의 토오크 감소 비율은 심수 조건에서 수행된 프로펠러 단독 시험의 J=0에서의 토오크 값에 Reynold 수 보정(ITTC[2008])을 수행한 실선 프로펠러 토오크 값을 기준으로 하여 계산하였다. Propeller 1과 Propeller 2 의 실선 운전 조건에서의 침수율은 각각 0.

성능/효과

이것은 앞에서 언급한 것과 같이 공기를 지나는 프로펠러가 입수 후 일정 시간 동안 급격한 양력의 손실이 발생하게 되며 날개 코드 길이 대비 특정한 거리를 진행한 후에 100% 의 양력을 회복하는 Wagner 효과에 기인한 것으로 판단된다. h/ R=1.0, 4RPS 조건에서는 프로펠러 날개가 수중에 있는 동안 100%의 양력을 회복하지 못한 상태에서 다시 수면을 향해 진행해가는 것을 확인할 수 있다.
5 보다 침수율이 작아지는 경우 회전수에 따라 급격하게 추력 및 토오크 감소가 일어나는 것을 보여주고 있다. h/R=1.5 이상인 경우에서는 최대 회전수인 10RPS 근처까지도 추력 및 토오크 손실이 이루어지지 않고 있으나, h/R=1.0의 계측 결과에서는 8RPS에서 약 60%, 10RPS에서 약 70%의 손실이 발생하였다.
따라서 ITTC[2008]에서 제안하는 침수율 (h/R≥3.0)은 공기 유입 효과의 영향을 충분히 배제할 수 있는 기준이라는 것을 확인할 수 있다.
모형 시험 결과에서 부분 침수 프로펠러(h/R=0.0~1.0)의 각 조건에 따른 추력 및 토오크 감소량에 영향을 미치는 주요 인자는 ventilation 수와 침수율인 것을 확인할 수 있었다. 부분 침수 프로 펠러의 경우에는 공기 유입 효과 뿐만 아니라 앞서 언급한 날개의 공기 중 노출, 조파 에너지 손실, 공기를 지나는 프로펠러 날개가 입수 후 일정 시간 동안 양력의 급격한 손실을 입게 되는 Wagner 효과(Wagner[1925]) 등을 고려하여야 한다.
본 논문에서는 안벽 시험 조건에서의 추력 및 토오크 추정을 위해서 프로펠러 침수율과 회전수를 변경시키며 모형 시험을 수행하였다. 모형 시험의 결과는 공기 유입 및 부분 침수 프로펠러의 추력 및 토오크 손실에 대한 기존 연구와 잘 일치하고 있으며, ventilation 수와 침수율에 대해 일정한 경향을 보여주고 있었다.
본 논문에서 사용한 모형 프로펠러의 경우에도 14RPS 이상의 회전수 조건에서 Weber 수가 180 이상이 되지만, 충분한 공기 유입이 이루어지는 얕은 침수 깊이를 갖는(h/R<1.4) bollard pull 조건은 공기 유입이 이미 진행된 이후이므로, 프로펠러 회전수를 결정할 때 Weber 수의 영향을 고려하지 않을 수 있다.
본 논문에서는 실선에서 30 RPM 내외의 저회전수를 대상으로 하여 상대적으로 프로펠러 부하가 크지 않지만, 앞에서 언급한대로 침수 깊이가 얕고, 전진비 0인 조건의 문제를 다루고 있으므로 충분한 공기 유입이 이루어지는 조건으로 판단할 수 있다.
본 연구의 실험에서는 m이 0.9 이상으로 추력 및 토오크 감소율의 차이가 Minsaas[1983]의 결과보다 작으며 4RPS 내외의 저회 전수에서는 βT가 0.4 이상의 값을 갖게 되어 추력과 토오크의 감소율 차이는 10% 이내가 되는 것을 Table 2를 통해 확인할 수 있다.
부분 침수 프로펠러의 수치 해석 결과는 공기 유입 현상과 수면 교란이 급격하게 발생하는 높은 회전수 조건을 모사하는 데에는 한계를 보였지만, 회전수 증가에 따른 조파 현상의 차이를 보여주었으며 Wagner 효과와 일치하는 결과를 보여주었다. 안벽 시험에서와 같이 30RPM 내외의 저회전수 조건에서는 추력 및 토오크의 손실율을 추정하는 데 모형 시험을 보완하는 역할을 충분히 할 수 있다는 가능성을 보여주었다.
또한 8RPS의 경우 프로펠러가 수면 상부로 노출되면서 발생시키는 수면 교란이 커지면서 조파 에너지의 손실이 증가하게 됨을 알 수 있다. 수치 해석 기법 상의 한계로 모형시험에서 회전수가 증가함에 따라 관찰되었던 물보라의 발생을 모사하고 있지 못하지만, 프로펠러의 회전에 의해 발생되는 파는 4RPS 조건에 비해 8RPS에서 파고가 높으며 멀리 전파됨을 보이고 있다. 이러한 현상으로 인해 프로펠러의 회전수가 증가하게 되면 추력 및 토오크의 손실율이 증가하게 된다.
11에 도시하였다. 실선 시험에서의 토오크 감소율 추정 결과는 선체의 영향 등이 빠져있음에도 불구하고, 좋은 일치를 보이는 것을 확인할수 있다.
부분 침수 프로펠러의 수치 해석 결과는 공기 유입 현상과 수면 교란이 급격하게 발생하는 높은 회전수 조건을 모사하는 데에는 한계를 보였지만, 회전수 증가에 따른 조파 현상의 차이를 보여주었으며 Wagner 효과와 일치하는 결과를 보여주었다. 안벽 시험에서와 같이 30RPM 내외의 저회전수 조건에서는 추력 및 토오크의 손실율을 추정하는 데 모형 시험을 보완하는 역할을 충분히 할 수 있다는 가능성을 보여주었다.

후속연구

해외에서는 Shiba[1953] 및 Minsaas[1983] 등의 선구적 연구를 통해 흘수 및 작동 조건, 프로펠러 형상 등에 따른 공기 유입 현상에 대한 연구가 수행되었으며, 최근 MARINTEK과 Norwegian University of Science and Technology(NTNU)를 중심 으로 Thruster에 대한 공기 유입 현상(ventilation)을 모형시험과 수치해석을 통해 이해하려는 노력이 활발히 진행되고 있다(Koushan [2004/2007], Kozlowska[2009], Califano[ 2009]). 국내의 연구에서는 추력 및 토오크 감소를 ventilation 수 만으로 표현하여 침수 깊이의 변화에 따른 영향을 고려하는 데에 한계를 가지고 있으며, MARINTEK 등의 결과는 표면 장력에 의한 축척 효과를 피하기 위해 상대적으로 높은 회전수의 시험 결과 만을 다루고 있어 주기관 시험 조건과 같이 낮은 회전수 조건에 대해서는 추가적인 연구가 필요한 실정이다.
모형 시험의 결과 분석을 통해 프로펠러 직경, 회전수, 침수 깊이에 따라 부분 침수 프로펠러의 bollard pull 조건의 추력 및 토오크를 추정하는 방법을 도출하였다. 도출된 추정식은 실선 계측 결과와 잘 일치하고 있으나 보다 다양한 선박에 대해 프로펠러 형상 및 하중의 변화와 선체 효과의 영향을 고려하기 위한 추가적인 연구가 필요할 것이다.
부분 침수 프로펠러의 추력 및 토오크 손실에 대해 프로펠러 날개의 노출 면적비 손실 영향과 다른 요인의 영향을 정확하게 구분할 수 있는 것은 아니므로, 본 결과에 대해서는 추가적인 연구가 필요할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	안벽에 계류된 상태로 주기관 등의 시험 검사를 수행하는 선박은 어떠한 선박인가?	도크 내 공정을 마치고 진수된 선박은 안벽에 계류된 상태로 주기관 등의 시험 검사를 수행하게 된다. 주기관 시험을 수행할 경우 선박은 안벽에 고정된 상태에서 수면 위로 날개가 노출된 프로펠러를 회전시켜야 하므로, 이때 발생하는 추력과 토오크를 예상하여 안전상 문제가 없도록 시험 조건 선정 및 설치를 수행하여야 한다.
	주기관 시험을 수행할 때 선박은 무엇을 해야하는가?	도크 내 공정을 마치고 진수된 선박은 안벽에 계류된 상태로 주기관 등의 시험 검사를 수행하게 된다. 주기관 시험을 수행할 경우 선박은 안벽에 고정된 상태에서 수면 위로 날개가 노출된 프로펠러를 회전시켜야 하므로, 이때 발생하는 추력과 토오크를 예상하여 안전상 문제가 없도록 시험 조건 선정 및 설치를 수행하여야 한다. 날개가 수면위로 노출된 프로펠러는 회전수 및 축 잠김 깊이에 따라 수면 노출 및 공기 유입 등의 영향으로 추력 및 토오크 감소율이 변화하게 된다.
	안벽 시험 조건에서의 추력 및 토오크 추정을 위해서 프로펠러 침수율과 회전수를 변경시키며 모형 시험을 수행한 결과는?	본 논문에서는 안벽 시험 조건에서의 추력 및 토오크 추정을 위해서 프로펠러 침수율과 회전수를 변경시키며 모형 시험을 수행 하였다. 모형 시험의 결과는 공기 유입 및 부분 침수 프로펠러의 추력 및 토오크 손실에 대한 기존 연구와 잘 일치하고 있으며, ventilation 수와 침수율에 대해 일정한 경향을 보여주고 있었다. 모형 시험의 결과 분석을 통해 프로펠러 직경, 회전수, 침수 깊이에 따라 부분 침수 프로펠러의 bollard pull 조건의 추력 및 토오크를 추정하는 방법을 도출하였다. 도출된 추정식은 실선 계측 결과와 잘 일치하고 있으나 보다 다양한 선박에 대해 프로펠러 형상 및 하중의 변화와 선체 효과의 영향을 고려하기 위한 추가적인 연구가 필요할 것이다. 부분 침수 프로펠러의 수치 해석 결과는 공기 유입 현상과 수면 교란이 급격하게 발생하는 높은 회전수 조건을 모사하는 데에는 한계를 보였지만, 회전수 증가에 따른 조파 현상의 차이를 보여주었으며 Wagner 효과와 일치하는 결과를 보여주었다. 안벽 시험에서와 같이 30RPM 내외의 저회전수 조건에서는 추력 및 토오 크의 손실율을 추정하는 데 모형 시험을 보완하는 역할을 충분히할 수있 다는가 능성을보 여주었다.

참고문헌 (12)

Califano, A. and Steen, S., 2009, "Analysis of Different Propeller Ventilation Mechanism by means of RANS Simulations", 1st International Symposium on Marine Propulsors (SMP'09), Trondheim, Norway, June 2009.
Chung, K.N. Won, J.C. Seo, H.W. and Choi, G.I., 1999, "A Study of Propeller Thrust in Dock Trials", Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 36(1), pp.53-60.
Fleischer, K.P., 1973, "Untersuchungen ber das Zusammenwirken von Schiff und Propeller bei tilgetauchten Propellern", Publication 35/75 of Forschungszentrum des Deutchen Schifbaus, Hamburg, Germany.
Ha, M.K. Song, I.H. Kim, D.J. Wee, K.S. and Kim, S.W., 1997, "A Study on the Propeller Thrust for a Moored Ship", Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 34(1), pp.50-59.
Koushan, K., 2004, "Environmental and Interaction Effects on Propulsion Systems Used in Dynamic Positioning, an Overview", 9th Internaitonal Symposium on Practical Design of Ships and Other Floating Structures, Luebeck-Travemuende, Germany.
Koushan, K., 2007, "Dynamics of Propeller Blade and Duct Loadings on Ventilated Thrusters in Dynamic Positioning Mode", Dynamic Positioning Conference, Houston, TX, United States., 9-10 October 2007.
Kozlowska, A.M. Steen, S. and Koushan, K., 2009, "Classification of Different Type of Propeller Ventilation and Ventilation Inception Mechanism", 1st International Symposium on Marine Propulsors (SMP'09), Trondheim, Norway, June 2009.
Minsaas, K. Wermter, R. and Hansen, A.G., 1975, "Scale Effects on Propulsion Factors", 14th International Towing Tank Conferences, Proceedings Volume3.
Minsaas, K., Faltinsen O. and Person, B., 1983, "On the Importance of Added Resistance, Propeller Immersion and Propeller Ventilation for Large Ships in a Seaway", 2nd International Symposiumon Practical Design in Shipbuilding(PRADS), Tokyo and Seoul, pp.149-159.
Shiba, H., 1953, "Air Drawing of Marine Propellers", Transportation Technical Research Institute, Report no. 9 Japan Aug. 1953.
Wagner, H., 1925, "Uber die Entstehung des dynamischen Auftriebes vom Tragflugeln", Z.f.a.MM, Vol.5.Heft 1. Feb. 1925, pp.17-35.
25th International Towing Tank Conference 2008 (ITTC '08). ITTC-Recommended Procedures and Guidelines, 7.5-02-03-02.1.

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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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