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문제 정의
- 개발한 2가지 선회식 동력계들을 사용하여 주요 시험인 단독 성능 시험을 2회 반복 수행함으로써 동력계의 성능을 최종 확인하고자 하였다. 베벨 기어 구동형 선회식 추진기는 프로펠러 회전속도 13 RPS로 모형시험을 수행하였으며, 이 때 전진 계수 J = 0.
- 6에 표시한 바와 같이 베벨 기어 구동형 선회식 추진기 시험 장치는 최대 직경 250mm의 선회식 추진기에 대한 단독 시험 수행이 가능하도록 토오크 및 추력 센서의 용량을 선정 하였다. 그리고 덕트에 작용하는 힘을 계측할 수 있는 덕트 센서를 별도로 설치하여 선회식 추진기에 작용하는 전체 추력에 해당하는 추력 성분을 각각 분리하여 계측 할 수 있도록 함으로서, 새로운 선회식 추진기를 개발하는데 유용한 정보를 확보하고자 하였다.
- 또한, 모터제어 및 데이터 계측 프로그램도 함께 개발하여 정적 교정과 동적 성능시험 및 추진기 단독시험을 통하여 설계 제작된 새로운 선회식 추진기 단독시험장치의 성능과 활용도를 종합적으로 검증하고자 하였다.
- 본 연구에서는 선회식 추진기 및 선박 개발을 목적으로 추진 성능을 정확하게 평가할 수 있는 저항추진 시험을 수행할 수 있도록 Fig. 1과 같이 두 가지 종류의 선회식 추진기 단독시험 용 동력계를 자체적으로 설계하고 제작하였다. 베벨기어 구동형 시험장비는 선회식 추진 시스템의 성능 분석을 위하여 추진기 구성요소의 작용력에 대한 세부적인 분석이 가능하도록 프로펠러 토오크, 프로펠러 추력, 덕트 추력 그리고 전체 추력을 계측할 수 있도록 센서를 제작 사용 하였으며 모터에서 발생할 수 있는 진동과 전기 노이즈를 최소화할 수 있는 서보방식의 구동 모터와 베벨기어를 포함하는 복합 축계 시스템으로 구성하였다.
제안 방법
- 1차적으로 각 센서 자체 교정을 실시하여 성능의 이상 여부를 검증한 후, 단독성능 시험 장비 전체를 조립하여 현장에 설치한 상태에서 정밀 반복 교정을 실시하였다.
- 또한, 본 시험장치는 다양한 크기의 선회식 추진기 모형시험이 가능하도록 외형을 최소화 하는데 역점을 두어 설계하였다. 기어박스에 설치된 덮개와 동력 전달용 축계에 설치된 스트럿의 외형을 선회식 추진기의 외형과 기하학적으로 상사한 형상으로 분할 제작하여 조립함으로써 향후 프로펠러의 직경을 변경하거나 포드 추진기 모형시험 등 다양한 형태로 적용하여 선회식 추진기의 단독성능 시험을 수행할 수 있도록 구성하였다.
- 5를 통하여 알 수 있는 바와 같이 본 시험 장비는 모터를 직접 내장해야 하기 때문에 공간적인 제약과 모터의 용량에 대한 정밀한 분석이 설계 과정의 가장 중요한 설계 인자가 된다. 단독성능 시험에 대한 정도를 높이기 위하여 가능한 큰 모형에 대한 시험이 가능하도록 하고자 모터의 정격 토오크, 회전수 및 감속기의 적용 가능 유무 등 구동시스템에 대한 다각적인 검토를 수행하였다.
- 모터 내장형 선회식 추진기는 추진축에 모터가 위치하기 때문에 프로펠러의 추력과 토오크를 동시에 정밀하게 계측하기 위한 센서를 배치하기에는 공간적 제약을 받게 된다. 따라서 모터 내장형 선회식 추진기는 전체 추력과 프로펠러 토오크만 계측할 수 있도록 구성하였다.
- 또한 정밀한 측정을 위하여 접촉 간섭이 발생하지 않도록 추진기 센서와 덕트 센서는 수밀용으로 제작하여 별도의 방수 처리를 하지 않더라도 안정된 계측신호를 얻을 수 있도록 조치하였다.
- 또한 추진기 구동용 모터가 센서와 직결되어야 하기 때문에 서보 모터의 노이즈 영향을 최소화 하는 노력이 필요하여 AC 서보 모터 보다 비교적 고주파 노이즈 발생이 작은 DC모터를 선택 적용 하였다.
- 9의 완성된 동력계에 나타낸 바와 같이 베벨기어 구동형 단독 성능 시험장치는 실선과 동일한 외형을 유지하고 있음을 알 수 있다. 또한, 그 구성도 베벨기어, 프로펠러 축계, 그리고 상부에는 프로펠러 동력용 서보 모터와 커플링으로 연결하였다.
- 3에 도시한 모형시험용 동력계 설계도와 같이 우측의 프로펠러 축 끝단부 기어박스 내부에 밀폐 형 이며 고속 회전이 가능한 백금 소재로 제작된 슬립링을 설치하였다. 또한, 본 시험장치는 다양한 크기의 선회식 추진기 모형시험이 가능하도록 외형을 최소화 하는데 역점을 두어 설계하였다. 기어박스에 설치된 덮개와 동력 전달용 축계에 설치된 스트럿의 외형을 선회식 추진기의 외형과 기하학적으로 상사한 형상으로 분할 제작하여 조립함으로써 향후 프로펠러의 직경을 변경하거나 포드 추진기 모형시험 등 다양한 형태로 적용하여 선회식 추진기의 단독성능 시험을 수행할 수 있도록 구성하였다.
- 선회식 추진기는 아지포드 추진기에 비하여 크기가 작기 때문에 배럴부분을 포함한 전체의 외형까지 가공하여 조립해야 하므로 정밀 가공이 필수적이다. 모든 구성요소는 정밀 가공이 보장되는 금속 재질을 사용하여 제작하도록 구상하였다.
- 모터 내장형 시험 장치는 앞에서 언급한 바와 같이 전 추력과 토오크만 계측을 할 수 있도록 Fig. 7과 같이 설계 제작 하였으며 베벨 기어 구동형과 같이 토오크 계측용 센서는 수밀형으로 제작하여 적용하였다. 새롭게 개발한 두가지 형태의 선회식 추진기에 공통적으로 사용하는 전체 추력 계측용 센서는 설치 상태 확인 및 다양한 시험을 할 수 있도록 하기 위하여 2분력 계측이 가능하도록 Fig.
- 이 모터 시스템을 적용하면 직경 220mm의 모형프로펠러를 사용하여 최대 1,000 RPM의 시험까지 가능하기 때문에, ITTC 에서 권장하는 프로펠러의 단독시험 레이놀스수(Re) 3 x 105 (15th ITTC, 1978) 이상 에서 수행할 수 있다. 모터 내장형은 센서와 모터가 직접 연결되므로 전기 노이즈 발생 가능성이 높게 되기 때문에, 전기 노이즈 차단 성능이 우수한 리니어 제어형 서보 드라이버를 사용하였다. 모터의 회전 속도를 제어하는 상위 제어기는 PID 제어기를 내장한 제어 보드를 사용하여 폐회로 서보 정밀 속도 제어가 가능하도록 구성하였다.
- 모터 내장형은 센서와 모터가 직접 연결되므로 전기 노이즈 발생 가능성이 높게 되기 때문에, 전기 노이즈 차단 성능이 우수한 리니어 제어형 서보 드라이버를 사용하였다. 모터의 회전 속도를 제어하는 상위 제어기는 PID 제어기를 내장한 제어 보드를 사용하여 폐회로 서보 정밀 속도 제어가 가능하도록 구성하였다.
- 모형시험용 동력계는 형상과 기능이 기하학적으로 상사하면서 정밀하게 구동되고 추진성능 추정을 위한 각각의 요소들을 정확하게 계측할 수 있도록 시스템을 설계하고자 하였으며, Fig. 4에 실선과 동일하게 설계된 베벨기어 구동형 선회식 단독성능 시험 장치의 전체 형상을 도시하였다.
- 베벨 기어 구동형 선회식 추진기 시험시스템의 외형 부분은 베벨 기어에서 발생할 수 있는 기계 소음 및 진동에 내구성이 강한 황동 (Kang, 1995) 재료를 선정하여 정밀 자동 밀링 가공기로 제작하였고, 베벨 기어가 사용되지 않는 모터 내장형 선회식 추진기 시험시스템은 가공이 용이한 알루미늄 합금 재료를 사용하여 제작하고 모터가 부착되는 부분에는 전기 노이즈 방지를 위하여 절연성 물질로 제작하였다. 외형 전체를 절연성 물질로 제작하게 되면 전기 노이즈 방지 효과는 탁월하지만, 밀폐된 공간에서 모터의 발열로 인한 파손이 우려되므로, 외형은 열 전도율이 비교적 높은 금속을 사용하여 물속에서 자연 냉각이 될 수 있도록 하였다.
- 1과 같이 두 가지 종류의 선회식 추진기 단독시험 용 동력계를 자체적으로 설계하고 제작하였다. 베벨기어 구동형 시험장비는 선회식 추진 시스템의 성능 분석을 위하여 추진기 구성요소의 작용력에 대한 세부적인 분석이 가능하도록 프로펠러 토오크, 프로펠러 추력, 덕트 추력 그리고 전체 추력을 계측할 수 있도록 센서를 제작 사용 하였으며 모터에서 발생할 수 있는 진동과 전기 노이즈를 최소화할 수 있는 서보방식의 구동 모터와 베벨기어를 포함하는 복합 축계 시스템으로 구성하였다. 모터 내장형 선회식 추진기는 추진축에 모터가 위치하기 때문에 프로펠러의 추력과 토오크를 동시에 정밀하게 계측하기 위한 센서를 배치하기에는 공간적 제약을 받게 된다.
- 회전 운동을 하는 장치에서는 구동 시 진동과 소음이 발생하게 되는데 이는 기어를 포함한 축계 장치의 마찰과 회전 축계를 연결하는 커플링과 축계의 정렬이 정확하지 않은 것이 주요 원인이다. 본 시스템에서는 이러한 문제를 최소화하기 위하여 접촉면이 넓어 전달력이 크고 정숙성이 우수한 스파이럴 베벨 기어를 정밀 연삭하여 사용하였다.
- 새로운 선회식 추진기 개발을 위하여 기본적으로 필요한 사안은 선회식 추진 선박에 대한 속도-마력 성능을 평가할 수 있는 모형선박의 저항추진 시험을 수행하는 것이다. 이러한 실험적 연구를 위해서는 선회식 추진기의 성능을 평가할 수 있는 새로운 선회식 추진기 단독시험 동력계와 자항 동력계를 갖추는 것이 필수적으로 요구된다.
- 이를 위해서 가장 기본적인 실험 장치인 선회식 추진기 단독성능 시험 시스템을 자체 설계 제작하였다. 선회식 추진기에 대한 특성을 다양하고 정확하게 계측할 수 있도록 덕트 추력, 프로펠러 추력, 프로펠러 토오크를 각각 분리하여 계측할 수 있도록 시스템을 구성하여 설계 제작하였다. 정적 교정, 무부하 회전 성능 시험, bollard pull 시험 및 추진기 단독시험 수행을 통하여 개발된 시스템의 반복성이 뛰어나고 정확도 또한 매우 우수함을 입증할 수 있었다.
- 본 시험 시스템에서 각종 힘을 계측하는 힘 계측용 센서는 스트레인 게이지를 활용한 수동 소자이므로 외부에서 전원을 공급하는 장치와 미세한 출력 신호를 증폭하는 기능을 가진 고정밀 증폭기가 필요하다. 신호 왜곡을 최소화 하면서 큰 증폭이 가능한 DC스트레인 증폭기를 적용하였다. 증폭된 아날로그 신호는 최대 분해능이 16비트인 고기능, 고분해능 아날로그-디지털 신호 변환기를 적용하여 고정밀 디지털 데이터를 계측할 수 있도록 하였다.
- 외형 전체를 절연성 물질로 제작하게 되면 전기 노이즈 방지 효과는 탁월하지만, 밀폐된 공간에서 모터의 발열로 인한 파손이 우려되므로, 외형은 열 전도율이 비교적 높은 금속을 사용하여 물속에서 자연 냉각이 될 수 있도록 하였다. 실선과 기하학적인 상사 모형을 제작하기 위하여 외형은 5축 자동 밀링 머신으로 가공하였으며, 협소한 공간의 깊은 위치의 가공 부품은 방전 가공을 실시하였다. 특히, 가공 시 변형 발생이 우려되는 감지부는 밀링 가공기와 와이어 가공 공법을 적절히 배분, 가공함으로써 검력계가 최상의 성능을 발휘할 수 있도록 하였다.
- 8과 같이 제작 하였다. 이 센서는 모형시험에 사용되는 선회식 추진기 모형의 형상과 크기에 따라 달라질 수 있는 힘의 작용점 변화에 의해서 야기될 수 있는 계측값 변화를 방지하고 간섭을 최소화할 수 있도록 다수의 스트레인 게이지를 2분력계의 감지부 최적 변형 위치에 부착하여 검력부를 구성하였다.
- 선회식 추진기를 장착하는 선박이 다양해지면서 선회식 추진기장착 선박에 대한 시험을 통한 정도 높은 속도-마력 성능 평가법이 중요한 연구 주제가 되었다. 이를 위해서 가장 기본적인 실험 장치인 선회식 추진기 단독성능 시험 시스템을 자체 설계 제작하였다. 선회식 추진기에 대한 특성을 다양하고 정확하게 계측할 수 있도록 덕트 추력, 프로펠러 추력, 프로펠러 토오크를 각각 분리하여 계측할 수 있도록 시스템을 구성하여 설계 제작하였다.
- 전체적인 구조는 최상부에 구동용 모터, 플랜지를 거쳐 하부로 동력을 전달하는 수직 축계, 그리고 추진기의 수평 축계로 소음과 진동을 최소화하면서 동력을 전달할 수 있는 스파이럴 베벨 기어로 구성하였다. 프로펠러 구동 수평 축계 양쪽 끝 단에 지지용 베어링을 설치하고 동력계에 추진기를 설치하는 축계의 일정 부분을 토오크와 추력 검출용 수밀형 2분력 검력계로 구성 하였다.
- 9 우측에 도시된 완성된 모터 내장형 선회식 추진기 동력계는 설치 공간의 협소함과 모터의 수밀, 냉각, 노이즈 방지가 해결해야 할 필수 요소이다. 정밀한 가공과 강도가 요구되는 부분은 SUS재질을 사용하여 제작하였으며 모터에 의한 전기 노이즈가 전달되지 않도록 ABS 수지 재료를 축계에 삽입하였다. 프로펠러 토오크 센서의 회전을 전달하는 베어링도 일반적인 금속 볼 베어링을 사용하지 않고 통전이 되지 않는 고속 회전용 세라믹 재질의 볼 베어링을 사용하였다.
- 증폭된 아날로그 신호는 최대 분해능이 16비트인 고기능, 고분해능 아날로그-디지털 신호 변환기를 적용하여 고정밀 디지털 데이터를 계측할 수 있도록 하였다. 제어 및 계측용 보드 제작사에서 제공하는 라이브러리와 Visual C++ 언어를 활용하여 모터 속도를 제어하고 데이터를 저장할 수 있도록 제어계측 구동 프로그램을 구현하였으며, 하나의 프로그램으로 제어와 계측을 동시에 수행할 수 있도록 함으로써 제어와 계측 간의 시간 지연에 의한 에러를 방지할 수 있도록 하고 사용자 편의를 높일 수 있도록 GUI를 구성하였다.
- 신호 왜곡을 최소화 하면서 큰 증폭이 가능한 DC스트레인 증폭기를 적용하였다. 증폭된 아날로그 신호는 최대 분해능이 16비트인 고기능, 고분해능 아날로그-디지털 신호 변환기를 적용하여 고정밀 디지털 데이터를 계측할 수 있도록 하였다. 제어 및 계측용 보드 제작사에서 제공하는 라이브러리와 Visual C++ 언어를 활용하여 모터 속도를 제어하고 데이터를 저장할 수 있도록 제어계측 구동 프로그램을 구현하였으며, 하나의 프로그램으로 제어와 계측을 동시에 수행할 수 있도록 함으로써 제어와 계측 간의 시간 지연에 의한 에러를 방지할 수 있도록 하고 사용자 편의를 높일 수 있도록 GUI를 구성하였다.
- 추진기 센서는 고속 회전을 하기 때문에 신호 및 전원을 전달하기 위해서는 슬립링을 사용하도록 하였다. Fig.
- 실선과 기하학적인 상사 모형을 제작하기 위하여 외형은 5축 자동 밀링 머신으로 가공하였으며, 협소한 공간의 깊은 위치의 가공 부품은 방전 가공을 실시하였다. 특히, 가공 시 변형 발생이 우려되는 감지부는 밀링 가공기와 와이어 가공 공법을 적절히 배분, 가공함으로써 검력계가 최상의 성능을 발휘할 수 있도록 하였다.
- 전체적인 구조는 최상부에 구동용 모터, 플랜지를 거쳐 하부로 동력을 전달하는 수직 축계, 그리고 추진기의 수평 축계로 소음과 진동을 최소화하면서 동력을 전달할 수 있는 스파이럴 베벨 기어로 구성하였다. 프로펠러 구동 수평 축계 양쪽 끝 단에 지지용 베어링을 설치하고 동력계에 추진기를 설치하는 축계의 일정 부분을 토오크와 추력 검출용 수밀형 2분력 검력계로 구성 하였다.
- 정밀한 가공과 강도가 요구되는 부분은 SUS재질을 사용하여 제작하였으며 모터에 의한 전기 노이즈가 전달되지 않도록 ABS 수지 재료를 축계에 삽입하였다. 프로펠러 토오크 센서의 회전을 전달하는 베어링도 일반적인 금속 볼 베어링을 사용하지 않고 통전이 되지 않는 고속 회전용 세라믹 재질의 볼 베어링을 사용하였다.
- 프로펠러를 설치하고 정지한 상태에서 동력계에 작용하는 각종 부하를 계측하는 bollard pull 시험을 2회 반복하여 수행하였다. Fig.
대상 데이터
- 0KW, 최대 회전속도 3,000RPM의 속도 제어형 서보모터를 감속기 없이 직결하여 사용하였다. 모터 내장형 선회식 추진기 동력계용 모터는 소형이면서 노이즈 성능이 우수한 DC 모터를 대상으로 조사한 결과, 정격토오크 1.49 N-m, 회전속도 5,000 RPM의 BLDC 서보 모터를 선택 하였고, 토오크 증대를 위한 감속비 5:1의 고정밀 감속기를 부착하여 사용하였다. 이 모터 시스템을 적용하면 직경 220mm의 모형프로펠러를 사용하여 최대 1,000 RPM의 시험까지 가능하기 때문에, ITTC 에서 권장하는 프로펠러의 단독시험 레이놀스수(Re) 3 x 105 (15th ITTC, 1978) 이상 에서 수행할 수 있다.
- 개발한 2가지 선회식 동력계들을 사용하여 주요 시험인 단독 성능 시험을 2회 반복 수행함으로써 동력계의 성능을 최종 확인하고자 하였다. 베벨 기어 구동형 선회식 추진기는 프로펠러 회전속도 13 RPS로 모형시험을 수행하였으며, 이 때 전진 계수 J = 0.5에서 레이놀드 수 Re는 6.77 x 105이다. 덕트 추력은 전진계수 J가 0.
성능/효과
- Fig. 14와 Fig. 15는 정지 상태에서 모터를 16 RPS까지 회전시키면서 2회 반복하여 덕트추력, 프로펠러 추력, 토오크, 전체 추력의 4가지 성분을 계측한 결과를 도시한 것으로서, 회전 속도 별 각 성분들은 일반적으로 보이는 경향을 잘 보여주고 있으며, 반복시험 결과 반복 성능이 우수함을 알 수 있다.
- 시스템의 상부에 위치하여 선회식 추진기 전체에 작용하는 전체 추력센서에 대해서는 힘의 작용점을 변화시켜서 (Hoffmann, 1989) 거리에 따른 영향을 확인하였는데, 설계 및 제작 시 고려한 바 와 같이 거리 변화와 무관하게 동일한 값을 나타내고 있음을 확인하였다. Table 2의 교정 결과에 나타낸 바와 같이 모든 센서의 직진성 및 히스테리시스 성능은 0.1% 이내로 매우 높은 정확도를 보이고 있음을 검증하였다.
- 또한, 동력 전달용 커플링이 회전 구동시 진동 발생 및 전체 추력 계측센서의 계측신호를 왜곡시키는 것을 확인하고, 초기 설계 시 선택 하였던 일반 커플링에서 벨로우즈 커플링으로 교체 부착함으로써 문제점을 해결할 수 있었다. Fig.
- 모터 내장형 선회식 동력계에서 전체 추력 센서는 공동으로 사용하므로 축계에 설치된 프로펠러 토오크 검력계만 단독으로 교정을 하였으며 교정결과 최대 비선형성 오차는 0.046%, 이력 오차는 0.07%로서 매우 우수한 정확도를 확인하였다.
- 신호 자체에 전기 노이즈 성분도 거의 존재하지 않으며, 변동 폭도 상당히 작아 회전 시의 성능이 우수함을 알 수 있다. 이와 같이 검력계의 정적 교정 및 시스템의 무부하 회전 성능 시험을 통하여 센서의 성능이 우수하고 회전 시에도 제어 및 계측에 문제가 없음을 확인하였다.
- 선회식 추진기에 대한 특성을 다양하고 정확하게 계측할 수 있도록 덕트 추력, 프로펠러 추력, 프로펠러 토오크를 각각 분리하여 계측할 수 있도록 시스템을 구성하여 설계 제작하였다. 정적 교정, 무부하 회전 성능 시험, bollard pull 시험 및 추진기 단독시험 수행을 통하여 개발된 시스템의 반복성이 뛰어나고 정확도 또한 매우 우수함을 입증할 수 있었다. 향후, 개발한 본 시스템을 활용하여 선회식 추진기의 모형 축척비가 실험 결과에 미치는 영향과 고효율 선회식 추진기 및 장치 개발 등에 대한 연구를 지속적으로 수행하고자 한다.
후속연구
- 새로운 선회식 추진기 개발을 위하여 기본적으로 필요한 사안은 선회식 추진 선박에 대한 속도-마력 성능을 평가할 수 있는 모형선박의 저항추진 시험을 수행하는 것이다. 이러한 실험적 연구를 위해서는 선회식 추진기의 성능을 평가할 수 있는 새로운 선회식 추진기 단독시험 동력계와 자항 동력계를 갖추는 것이 필수적으로 요구된다.
- 정적 교정, 무부하 회전 성능 시험, bollard pull 시험 및 추진기 단독시험 수행을 통하여 개발된 시스템의 반복성이 뛰어나고 정확도 또한 매우 우수함을 입증할 수 있었다. 향후, 개발한 본 시스템을 활용하여 선회식 추진기의 모형 축척비가 실험 결과에 미치는 영향과 고효율 선회식 추진기 및 장치 개발 등에 대한 연구를 지속적으로 수행하고자 한다.
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