[논문]트윈스케그 적용 대형 로팩스선의 선형개발

이화준; 장학수; 홍춘범; 안성목; 전호환

doi:10.3744/snak.2012.49.6.491

트윈스케그 적용 대형 로팩스선의 선형개발
Hull-Form Development of a Twin-Skeg Large Ro-Pax Ferry 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.49 no.6, 2012년, pp.491 - 497

이화준 (삼성중공업(주) 특수선기술지원팀) , 장학수 (삼성중공업(주) 특수선기술지원팀) , 홍춘범 (삼성중공업(주) 조선해양연구소) , 안성목 (삼성중공업(주) 조선해양연구소) , 전호환 (부산대학교 조선해양공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

A hull-form for a 32,000G/T class Ro-Pax ferry has developed in accordance with a need of ferry operators to reduce fuel oil consumption(FOC) due to the drastic increase in oil prices recently and strengthening of environmental rules and regulations such as CO2 emission. A twin-skeg type is applied as the hull-form in lieu of an open-shaft type in order to improve propulsion performance. In order to achieve this object, flow control devices are installed to reduce a propeller induced vibration which is a main reason to obstruct the application of twin-skeg type passenger vessels owing to an uncomfortable vibration level. Numerical simulation by using an in-house code and a commercial code (Fluent) has performed to find out an optimum design of the flow control devices and to check an improvement in cavity volume. Model tests in Samsung Ship Model Basin are carried out to evaluate propulsion performance with the developed twin-skeg type hull and a reference hull of open-shaft type. In conclusion, it is shown that the twin-skeg type hull is better than the open-shaft in FOC by around 7% and in cavity volume by 20% as well.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

대형 로팩스선 건조시장은 유가 상승과 친환경 규제의 강화로 연료소모비 저감에 대한 요구가 증가하는 추세로, 본 연구에서는 이러한 수요에 대응하기 위해 자항성능이 우수한 트윈스케그 선형을 대형 로팩스선에 세계 최초로 적용 개발하였으며, 유동제어장치 활용을 통한 프로펠러 기진력 감소로 승객의 안락성을 개선하여 트윈스케그 선형을 여객선에 적용 가능하도록 개발하였다. 개발선은 삼성중공업 대덕선박연구센타내 수조에서 모형시험을 수행하여 성능이 검증되었으며, 계획속력 22.
, 2004). 따라서, 본 연구에서는 발상의 전환을 통한 대형 로팩스선의 성능개선을 극대화 할 수 있는 방안을 도출하였다. 즉, 항만내 흘수 제한 및 엄격한 복원 성능과 운동성능의 요구 등으로 여객선에 일반적으로 적용되는 2축 오픈샤프트 선형 대비 추진효율이 약 4% 우수한 것으로 알려진 2축 트윈스케그 선형의 적용을 검토하였다 (ABB Industry Oy, 2001).
본 연구에서는 실적선의 선수벌브가 과도하여 발생한 저항증가를 최소화하기 위해, 트윈스케그 선형의 개발에 앞서 실적선에 대한 선형 최적화 과정을 수행하였다. 선형최적화는 삼성중공업의 In-house 코드인 Fig.
그러나 트윈스케그 선형은 추진효율이 우수한 반면에 프로펠러 기진력이 크고 기진원이 선미벌브를 통해 선체로 직접 전달되기 쉬워 선체진동을 유발하게 되며, 이러한 이유로 승객의 안락함이 중시되는 여객선에는 그동안 적용을 못하였다. 본 연구에서는 추진효율의 개선은 물론이고 유동제어장치를 활용한 2축 트윈 스케그 선형의 프로펠러 기진력 감소로 승객의 안락성도 확보할 수 있는 대형 로팩스선의 선형개발을 시도하였다.

제안 방법

한편, 실적선에 적용된 Knuckle bulb와 일반적인 High bulb 및 여객선에 많이 사용되는 Gooseneck bulb를 대상으로 구상선수의 높이를 바꿔가며 상용 CFD solver인 Fluent를 사용한 선체주위 유동장 비교 계산을 수행하였다. Gooseneck bulb가 비교에서 좋은 결과를 보였으며, Fig. 9와 같이 구상선수의 조파저항 상쇄 효과와 자체 저항증가 사이의 절충안을 선택하여 구상선수 최적화 설계를 수행하였다. Fig.
11과 같이 선측 반대쪽으로 회전함을 의미한다. 그리고, 프로펠러의 회전방향을 선정하기 위해 회전방향 최적화시험이 수행되었으며, 선미에서 선수방향으로 보았을 때 센터라인(center line) 쪽으로 회전하는 경우가(inward) 선측방향으로 회전하는 경우(outward) 대비 요구마력이 2.5% 우수하여 본선의 프로펠러 회전방향은 Inward로 선정하였다. Fig.
또한, 최적선형의 부가저항을 최소화하기 위해 부가물최적화 시험을 수행하였다. Fig.
먼저, 스케그 수직각도 최적화를 위해 프로펠러 직경이 4.6m 이므로 선폭의 37%를 스케그간 거리로 가정하고, 각도를 8도, 15도, 20도로 바꿔가며 반류분포를 Fig. 15와 같이 비교하였으며, 각도가 작을 때가 미소하게 반류분포가 균일한 결과를 보이고 있다. 반면에, 저항증가는 Fig.
6과 같이 Vortex generator, SAVER Fin 등 다양한 유동제어장치에 대한 연구 결과가 실선에 적용되었다. 본 연구에서는 유동제어장치가 반류분포의 개선에 따른 기진력 감소의 효과가 있음을 감안하여 트윈스케그 선형의 수선아래 선미부에 유동제어장치를 설치하여 프로펠러 면으로의 유선을 반듯하게 펴고 반류분포를 보다 균일하게 개선하여 프로펠러 기진력을 감소코자 하였다.
선형최적화는 삼성중공업의 In-house 코드인 Fig. 8의 ‘RAPID-HOP'를 사용하여 선형의 체적분포를 최적화하는 과정을 통해 조파저항을 최소화하였다.
유동제어장치는 선미 유선의 조정을 통해 반류분포를 보다 균일하게 하여 자항요소의 개선과 프로펠러 기진력의 감소를 위해 선미벌브가 시작하는 위치에 핀을 부착하는 것으로 설계되었다. 핀의 부착위치와 각도는 파라메트릭 검토로 선정되었으며, 길이방향으로는 스테이션 3번, 높이방향으로는 1m 수선에 중심점을 두고 길이 2.
12에 보여준다. 즉, 스트럿 대신에 더미 브라켓을 설치하여 축계를 지지하고, 5공 피토튜브를 이용해 스트럿 주위의 유동을 계측하였다. 계측 결과로 스트럿 암 단면 각도는 내측 스트럿이 -0.
트윈스케그 선형을 계획할 때, 주요한 최적설계 인자로는 Fig. 14와 같이 스케그 사이의 거리와 스케그 수직각도가 있으며, 스케그 수직각도는 축계에 대한 스케그의 수직각도로 정의되고, 본 연구에서는 저항 및 반류분포에 대한 설계인자의 영향을 고려하여 최적 스케그 요소를 선정하였다.
트윈스케그 적용 대형 로팩스선 선형이 이상과 같이 수치계산을 이용한 최적설계로 개발되었으며, 성능을 검증하기 위해 삼성중공업 대덕선박연구센타내 수조에서 모형시험을 수행하였다 (SSMB, 2011). 모형선의 축척비는 1/24이며, Fig.
8의 ‘RAPID-HOP'를 사용하여 선형의 체적분포를 최적화하는 과정을 통해 조파저항을 최소화하였다. 한편, 실적선에 적용된 Knuckle bulb와 일반적인 High bulb 및 여객선에 많이 사용되는 Gooseneck bulb를 대상으로 구상선수의 높이를 바꿔가며 상용 CFD solver인 Fluent를 사용한 선체주위 유동장 비교 계산을 수행하였다. Gooseneck bulb가 비교에서 좋은 결과를 보였으며, Fig.

대상 데이터

, 2006; Significant Ships 2011, 2012). 본 연구에서는 개발선박의 주요 제원을 선정하기 위해 발주가 유력한 유럽 선주사와 긴밀한 협의를 수행하였으며, 개발 결과를 비교하기 위한 실적선박으로 삼성중공업에서 인도한 8척 중 2011년에 인도된 Stena Transporter호를 선정하였다. 개발선과 실적선의 주요제원을 Table 1에 비교하였으며, 실적선의 운항모습과 일반배치를 각각 Fig.

성능/효과

대형 로팩스선 건조시장은 유가 상승과 친환경 규제의 강화로 연료소모비 저감에 대한 요구가 증가하는 추세로, 본 연구에서는 이러한 수요에 대응하기 위해 자항성능이 우수한 트윈스케그 선형을 대형 로팩스선에 세계 최초로 적용 개발하였으며, 유동제어장치 활용을 통한 프로펠러 기진력 감소로 승객의 안락성을 개선하여 트윈스케그 선형을 여객선에 적용 가능하도록 개발하였다. 개발선은 삼성중공업 대덕선박연구센타내 수조에서 모형시험을 수행하여 성능이 검증되었으며, 계획속력 22.5노트에서 실적선 대비 배수량이 5.3% 증가되었음에도 요구 마력이 오히려 7.0% 개선된 결과를 보여 연료소모비를 효과적으로 절감하였고, 유동제어장치를 활용한 프로펠러 기진력 감소는 캐비티 체적이 실적선 대비 20% 절감되어 높은 수준의 여객선 진동 요구수준을 만족할 수 있어서, 본 개발결과가 대형 로팩스선에 성공적으로 적용될 수 있는 것으로 판단된다. 본 연구결과는 특허로도 출원이 되었으며 (Lee & Hong, 2012), 향후 연료소모비 저감과 승객의 안락한 승선감 확보를 통한 여객선 건조 기술차별화로 수주경쟁력의 제고가 전망된다.
즉, 스트럿 대신에 더미 브라켓을 설치하여 축계를 지지하고, 5공 피토튜브를 이용해 스트럿 주위의 유동을 계측하였다. 계측 결과로 스트럿 암 단면 각도는 내측 스트럿이 -0.5도, 외측 스트럿은 -4도로 최적화되었다. 이때, 각도는 스트럿 단면의 트위스트 앵글은 작업성을 고려하여 무시하였고, 평균 각도를 취하여 선정되었으며, (-)부호는 Fig.
23에 나타내었다. 최적선형은 실적선 대비 배수량이 약 5.3% 증가하였음에도 계획속력 22.5노트에서 요구마력이 오히려 1.5% 개선되었으나, FOC 저감에 대한 시장의 요구를 감안하면 만족할 만한 결과로 고려하기는 부족하였다. 한편, 개발선은 최적선형 대비 3.
5% 개선되었으나, FOC 저감에 대한 시장의 요구를 감안하면 만족할 만한 결과로 고려하기는 부족하였다. 한편, 개발선은 최적선형 대비 3.6%의 마력절감을 달성하였고, 핀을 부착하면 요구마력이 0.4% 증가함을 감안하면, 유동제어 장치를 갖는 개발선은 실적선 대비 배수량이 5.3% 증가하였음을 감안하지 않더라도 4.7%의 소요마력 절감 효과를 보이고 있어서 FOC 저감에 대한 시장의 요구를 만족하는 것으로 판단되었다. 또한, 개발선에 대한 인터셉터 적용을 위한 모형시험 결과는 2.

후속연구

본 연구결과는 특허로도 출원이 되었으며 (Lee & Hong, 2012), 향후 연료소모비 저감과 승객의 안락한 승선감 확보를 통한 여객선 건조 기술차별화로 수주경쟁력의 제고가 전망된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	여객선은 어떻게 구분할 수 있는가?	국제해상인명안전협약(SOLAS)에 따르면, 여객선은 12명을 초과하는 승객을 운송하는 선박으로, Fig. 1과 같이 운송화물의 종류와 운송목적에 따라 페리선, 로팩스선, 크루즈 페리선 및 크루즈선으로 구분될 수 있다. 단, 로로선은 승객은 태우지 않고 Ro-Ro(Roll-on Roll-off) 화물만을 운송하므로 여객선의 범주에 포함되지 않는다.
	로로선이 여객선으로 분류되지 않는 이유는?	1과 같이 운송화물의 종류와 운송목적에 따라 페리선, 로팩스선, 크루즈 페리선 및 크루즈선으로 구분될 수 있다. 단, 로로선은 승객은 태우지 않고 Ro-Ro(Roll-on Roll-off) 화물만을 운송하므로 여객선의 범주에 포함되지 않는다.
	유동제어장치 활용을 통한 프로펠러 기진력 감소로 트윈스케그 선형을 여객선에 적용 가능하도록 개발한 결과는 어떠한가?	대형 로팩스선 건조시장은 유가 상승과 친환경 규제의 강화로 연료소모비 저감에 대한 요구가 증가하는 추세로, 본 연구에서는 이러한 수요에 대응하기 위해 자항성능이 우수한 트윈스케그 선형을 대형 로팩스선에 세계 최초로 적용 개발하였으며, 유동제어장치 활용을 통한 프로펠러 기진력 감소로 승객의 안락성을 개선하여 트윈스케그 선형을 여객선에 적용 가능하도록 개발하였다. 개발선은 삼성중공업 대덕선박연구센타내 수조에서 모형시험을 수행하여 성능이 검증되었으며, 계획속력 22.5 노트에서 실적선 대비 배수량이 5.3% 증가되었음에도 요구 마력이 오히려 7.0% 개선된 결과를 보여 연료소모비를 효과적으로 절감하였고, 유동제어장치를 활용한 프로펠러 기진력 감소는 캐비티 체적이 실적선 대비 20% 절감되어 높은 수준의 여객선 진동 요구수준을 만족할 수 있어서, 본 개발결과가 대형 로팩스선에 성공적으로 적용될 수 있는 것으로 판단된다. 본 연구결과는 특허로도 출원이 되었으며 (Lee & Hong, 2012), 향후 연료소모비 저감과 승객의 안락한 승선감 확보를 통한 여객선 건조 기술차별화로 수주경쟁력의 제고가 전망된다.

참고문헌 (10)

ABB Industry Oy, 2001. The CRP Azipod Propulsion Concept - The most economic way from crane to crane, ABB Industy Oy 3BFV000388R01 Rev. B.
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Jang, H.S. et al., 2006. Development of large Ro-Pax ferry for operation in the English Channel. Proceedings of Fall Meeting of Society of Naval Architecture of Korea, Busan, Republic of Korea, 15-16 May 2006.
Joo, Y.R., 2001. Performance of 28,000GT High Speed Ro-Ro Passenger Ferry for Minoan Lines. Proceedings of Cruise+Ferry 2001, London, UK, 8-10 May 2001.
Lee, H.J. Jang, H.S. & Chun, H.H., 2004. Study on the Shaft-Strut Design in the Initial Design Stage. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 41(6), pp.114-120.

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Lee, H.J. & Hong, C.B., 2012. Twin skeg vessel. Korean Pat. 10-2012-0086442.
Saunders, H.E., 1957. Hydrodynamics in Ship Design. The Society of Naval Architect & Marine Engineers.
Significant Ship of 2011, 2012. The Royal Institution of Naval Architects, 2012.
SSMB, 2011. Calm Water Model Tests for 3,000LM Ro-Ro Passenger Ferry, SSMB Report No. R2109162TT-P3, Samsung Ship Model Basin, 2011.

저자의 다른 논문 :

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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