[논문]상반회전 프로펠러의 날개수 조합에 따른 축기진력 연구

백광준; 이진석; 이태구; 박형길; 서종수

doi:10.3744/snak.2013.50.5.282

상반회전 프로펠러의 날개수 조합에 따른 축기진력 연구
Numerical Study on the Effects of Combination of Blade Number for Shaft Forces and Moments of Contra-Rotating Propeller 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.50 no.5, 2013년, pp.282 - 290

백광준 (삼성중공업(주) 조선해양연구소) , 이진석 (삼성중공업(주) 조선해양연구소) , 이태구 (삼성중공업(주) 조선해양연구소) , (삼성중공업(주) 조선해양연구소) , 박형길 (삼성중공업(주) 조선해양연구소) , 서종수 (삼성중공업(주) 조선해양연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

The effects of the combination of blade number for forward and after propeller on the propeller shaft forces of a contra-rotating propeller (CRP) system are presented in the paper. The research is performed through the numerical simulations based on the Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations (RANS). The simulation results of the present method in open water condition are validated comparing with the experimental data as well as the other numerical simulation results based on the potential method for 4-0-4 CRP (3686+3687A) and 4-0-5 CRP (3686+3849) of DTNSRDC. Two sets of CRP are designed and simulated to study the effect of the combination of blade number in behind-hull condition. One set consists of 3-blade and 4-blade, while the other is 4-blade and 4-blade. A full hull body submerged under the free surface is modeled in the computational domain to simulate directly the wake field of the ship at the propeller plane. From the simulation results, the fluctuations of axial force and moment are dominant in the case of same blade numbers for forward and after propellers, whereas the fluctuations of horizontal and vertical forces and moments are very large in the case of different blade numbers.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

전후방 프로펠러의 상호작용에 대한 영향을 연구하기 위해 균일류에서 해석 결과를 모형시험과 비교하였고, 불균일류에서 축방향 및 횡방향 힘과 모멘트의 영향을 연구하기 위해 선체를 포함하여 수치해석을 수행하였다. 또한 전후방 프로펠러의 날개수 조합에 따른 프로펠러 상호작용에 의한 축기진력의 주파수 변화를 연구하여 상반회전 프로펠러 날개수 결정 및 축계 설계의 참고자료를 제공하고자 하였다.
본 논문에서는 상반회전 프로펠러의 날개수 조합에 따른 축기 진력의 영향을 수치해석을 통해 연구하였다. 수치해석은 RANS를 적용하였으며, 수치해석 기법은 균일류에서 수행된 모형시험과의 비교를 통해 검증하였다.
선체 후류에서의 축기진력 특성을 고찰하기 위해 3익-4익 및 4익-4익으로 구성된 두 쌍의 상반회전 프로펠러를 설계하였고, 선체를 포함한 수치해석을 수행하였다. 프로펠러 전후의 속도분포를 통해 선체에 의해 발생한 반류가 상반회전 프로펠러를 지나면서 어떻게 변화되는지 확인하였다. 또한 후방 프로펠러의 후류분포를 통해 전방 프로펠러에 의해 손실된 회전에너지가 회복됨을 보았으며, 상반회전 프로펠러의 추진 효율이 향상될 수 있음을 간접적으로 확인하였다.

제안 방법

CRP1은 전방 프로펠러와 후방 프로펠러 날개가 최상부에 위치하도록 하였으며, CRP2는 날개가서로 45° 교차해서 위치하도록 하였다.
RANS를 이용한 본 수치해석의 유용성을 평가하기 위해 DTNSRDC에서 수행된 두 쌍의 상반회전 프로펠러의 시험 결과 (Miller, 1976)와 비교하였으며, 양력면 이론을 바탕으로 한 해석 결과들 (Tsakonas, et al., 1983; Yang, et al., 1992)도 같이 비교하였다. DTNSRDC 상반회전 프로펠러는 4-0-4 CRP(3686＋3687A)과 4-0-5 CRP(3686＋3849)로서, 두 상반회전 프로펠러의 날개수는 각각 4익-4익과 4익-5익로 구성되어 있다.
두 상반회전 프로펠러 모두 Inukai (2011)가 제안한 것과 같이 전방 프로펠러의 레이크는 후방을 향하도록 하고 후방 프로펠러의 레이크는 반대로 전방을 향하도록 하여 프로펠러의 효율이 향상 될 수 있도록 설계하였다. CRP1은 전방 프로펠러와 후방 프로펠러 날개가 최상부에 위치하도록 하였으며, CRP2는 날개가서로 45° 교차해서 위치하도록 하였다.
선체 후류에서의 축기진력을 연구하기 위해 Table 5와 6과 같이 3익-4익, 4익-4익으로 구성된 두 쌍의 상반회전 프로펠러를 설계하였다. 두 쌍의 상반회전 프로펠러는 동일한 직경과 회전수를 가지고 있으며, 전후방 프로펠러 토오크의 합이 동일하도록 설계하였다.
선체 후류에서의 축기진력 특성을 고찰하기 위해 3익-4익 및 4익-4익으로 구성된 두 쌍의 상반회전 프로펠러를 설계하였고, 선체를 포함한 수치해석을 수행하였다. 프로펠러 전후의 속도분포를 통해 선체에 의해 발생한 반류가 상반회전 프로펠러를 지나면서 어떻게 변화되는지 확인하였다.
선체 후류에서의 축기진력을 연구하기 위해 Table 5와 6과 같이 3익-4익, 4익-4익으로 구성된 두 쌍의 상반회전 프로펠러를 설계하였다. 두 쌍의 상반회전 프로펠러는 동일한 직경과 회전수를 가지고 있으며, 전후방 프로펠러 토오크의 합이 동일하도록 설계하였다.
본 논문에서는 상반회전 프로펠러의 날개수 조합에 따른 축기 진력의 영향을 수치해석을 통해 연구하였다. 수치해석은 RANS를 적용하였으며, 수치해석 기법은 균일류에서 수행된 모형시험과의 비교를 통해 검증하였다. 전후방 프로펠러의 상호작용에 의해 상반회전 프로펠러의 날개수가 같은 경우 축방향 힘과 모멘트가 주로 나타나고 날개수가 다른 경우 횡방향 힘과 모멘트가 주로 나타남을 확인하였다.
1에 도시하였다. 전후방 프로펠러는 각각의 회전을 모사하기 위해 이동격자(sliding grid)를 적용하였다. 프로펠러를 감싸고 있는 영역은 피라미드와 사각뿔로 구성된 약 900K의 비정렬격자 (unstructured grid)로 생성하였고, 그 외 부분들은 약 500K의 정렬격자(structured grid)로 구성하였다.
본 연구에서는 Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations (RANS)을 이용하여 상반회전 프로펠러의 축기진력을 계산하였다. 전후방 프로펠러의 상호작용에 대한 영향을 연구하기 위해 균일류에서 해석 결과를 모형시험과 비교하였고, 불균일류에서 축방향 및 횡방향 힘과 모멘트의 영향을 연구하기 위해 선체를 포함하여 수치해석을 수행하였다. 또한 전후방 프로펠러의 날개수 조합에 따른 프로펠러 상호작용에 의한 축기진력의 주파수 변화를 연구하여 상반회전 프로펠러 날개수 결정 및 축계 설계의 참고자료를 제공하고자 하였다.
반면, Hoshino (1994)는 양력면 이론, 모형시험 그리고 실선에서 계측된 힘과 모멘트를 직진 상태뿐만 아니라 선회상태에서 비교하였다. 하지만 수치해석은 전후방 프로펠러의 상호작용을 고려하지 않고 모형시험에서 계측된 반류분포를 사용 하였다.

대상 데이터

, 1992)도 같이 비교하였다. DTNSRDC 상반회전 프로펠러는 4-0-4 CRP(3686＋3687A)과 4-0-5 CRP(3686＋3849)로서, 두 상반회전 프로펠러의 날개수는 각각 4익-4익과 4익-5익로 구성되어 있다. 각 프로펠러의 주요제원은 Table 2와 같다.
수치해석은 모형시험과 동일 조건에서 수행하였으며, 선속은 1.349 m/s이고 프로펠러 회전수는 8.45 rps이다. 수치해석 기법은 Table 1과 동일하다.

데이터처리

본 연구에서 RANS를 이용하여 해석한 4-0-4 CRP와 4-0-5 CRP의 각 조화 성분을 시험 결과 및 양력면 이론을 바탕으로 한 해석 결과들과 Table 3과 4에 비교하였다. 4-0-4 CRP의 경우, 전후방 프로펠러의 평균 추력 및 토오크가 잘 일치하고 있으며 8차 조화 성분들도 모형시험 결과의 경향을 그대로 보여주고 있다.
상반회전 프로펠러의 날개수 조합에 따른 축기진력 및 주파수 변화에 대한 연구를 위한 수치해석은 상용 프로그램인 FLUENT Ver.14을 이용하여 수행하였으며, 사용된 수치해석 기법은 Table 1과 같다. 본 수치해석 기법은 Kim, et al.

이론/모형

본 연구에서는 Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations (RANS)을 이용하여 상반회전 프로펠러의 축기진력을 계산하였다. 전후방 프로펠러의 상호작용에 대한 영향을 연구하기 위해 균일류에서 해석 결과를 모형시험과 비교하였고, 불균일류에서 축방향 및 횡방향 힘과 모멘트의 영향을 연구하기 위해 선체를 포함하여 수치해석을 수행하였다.
상반회전 프로펠러의 개념은 1836년에 영국 특허청에 등록된 이후 지금까지 이론적, 실험적 그리고 수치적 연구가 계속되고 있다. 정상 상태에서의 성능 추정을 위해 Nakamura (1986), Sasaki and Nakatake (1987), Yang, et al. (1991) 그리고 Paik, et al. (2000)이 포텐셜을 기저로 한 양력면 이론을 적용한 연구를 수행하였다. 하지만 프로펠러에 연결된 축은 종(axial) 진동, 비틀림(twisting) 진동 그리고 휘둘림(whirling) 진동에 의해 축을 지지하고 있는 베어링에 주기적인 하중을 전달하게 되는데, 특히 상반회전 프로펠러는 전후방 프로펠러의 상호작용에 의해 더욱 복잡한 진동 특성을 가지므로 축계 설계를 위해 보다 정확한 축기진력 추정을 위한 비정상 상태에서의 연구가 필요하다.

성능/효과

CRP1의 축방향 7차 조화 성분을 제외한 모든 차수에서 후방 프로펠러의 변동폭은 전방 프로펠러에 비해 작게 나타났으며, 특히 CRP1과 CRP2 모두 후방 프로펠러의 날개수에 해당하는 4차 조화 성분은 축방향, 수평방향 및 수직방향에서 날개수 조합에 상관없이 동일한 변동폭을 보이고 있다. 이것은 Fig.
(1992)은 각각 선형화된 양력면 이론과 양력면 이론을 이용하여 모형시험 결과 (Miller, 1976)와 비교하였다. 두 결과 모두 힘과 모멘트의 평균값은 모형시험 결과와 유사하게 추정하였으나, 전후방 프로펠러의 상호작용에 의해 나타나는 힘과 모멘트는 모형시험 결과에 비해 작게 예측하였다. 반면, Hoshino (1994)는 양력면 이론, 모형시험 그리고 실선에서 계측된 힘과 모멘트를 직진 상태뿐만 아니라 선회상태에서 비교하였다.
프로펠러 전후의 속도분포를 통해 선체에 의해 발생한 반류가 상반회전 프로펠러를 지나면서 어떻게 변화되는지 확인하였다. 또한 후방 프로펠러의 후류분포를 통해 전방 프로펠러에 의해 손실된 회전에너지가 회복됨을 보았으며, 상반회전 프로펠러의 추진 효율이 향상될 수 있음을 간접적으로 확인하였다.
수평방향 및 수직방향의 평균 모멘트는 각각 프로펠러 토오크의 약 25% 및 40%로 추정되었으며, 수직방향의 모멘트는 전후방 프로펠러가 서로 반대 방향으로 작용하기 때문에 축계 설계에 주의가 필요함을 확인하였다. 특히 날개수가 다른 경우 수평방향 및 수직방향 모멘트의 변동폭이 프로펠러 토오크의 20%까지 발생할 수 있고 기진력 성분이 다양한 차수에서 나타나기 때문에 휘둘림 진동 방지 및 공진 회피를 위한 축계 설계가 필요함을 확인하였다.
각 프로펠러의 축방향 추력과 토오크의 변동 모양은 아주 유사한 경향을 보이고 있다. 전방 프로펠러의 추력 및 토오크 변동폭이 후방 프로펠러의 변동폭 보다 날개수 조합에 상관없이 크며, 전후방 프로펠러 날개수가 같은 CRP2의 전방 프로펠러 추력 및 토오크 변동이 가장 크게 나타났다. Fig.
수치해석은 RANS를 적용하였으며, 수치해석 기법은 균일류에서 수행된 모형시험과의 비교를 통해 검증하였다. 전후방 프로펠러의 상호작용에 의해 상반회전 프로펠러의 날개수가 같은 경우 축방향 힘과 모멘트가 주로 나타나고 날개수가 다른 경우 횡방향 힘과 모멘트가 주로 나타남을 확인하였다.
수평방향 및 수직방향의 평균 모멘트는 각각 프로펠러 토오크의 약 25% 및 40%로 추정되었으며, 수직방향의 모멘트는 전후방 프로펠러가 서로 반대 방향으로 작용하기 때문에 축계 설계에 주의가 필요함을 확인하였다. 특히 날개수가 다른 경우 수평방향 및 수직방향 모멘트의 변동폭이 프로펠러 토오크의 20%까지 발생할 수 있고 기진력 성분이 다양한 차수에서 나타나기 때문에 휘둘림 진동 방지 및 공진 회피를 위한 축계 설계가 필요함을 확인하였다.

후속연구

향후 수치해석 결과를 모형시험을 통해 검증하는 연구를 수행할 예정이며, 특히 상반회전 프로펠러의 강건한 축계 설계를 위해 직진 상태뿐만 아니라 선회 상태에서의 축기진력 추정 연구도 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	프로펠러에 연결된 축에 대한 연구가 필요한 이유는 무엇인가?	(2000)이 포텐셜을 기저로 한 양력면 이론을 적용한 연구를 수행하였다. 하지만 프로펠러에 연결된 축은 종(axial) 진동, 비틀림(twisting) 진동 그리고 휘둘림(whirling) 진동에 의해 축을 지지하고 있는 베어링에 주기적인 하중을 전달하게 되는데, 특히 상반회전 프로펠러는 전후방 프로펠러의 상호작용에 의해 더욱 복잡한 진동 특성을 가지므로 축계 설계를 위해 보다 정확한 축기진력 추정을 위한 비정상 상태에서의 연구가 필요하다.
	상반회전 프로펠러의 특징은 무엇인가?	상반회전 프로펠러(Contra-Rotating Propeller, CRP)는 서로 반대 방향으로 회전하는 두 개의 프로펠러를 동일 축상에 배치한 복합추진장치로서 전방 프로펠러에서 손실되는 회전 에너지를 후방 프로펠러가 회수하여 통상 10% 이상의 연료를 절감할 수 있 으며, 현존하는 추진장치들 중 효율이 가장 높은 것으로 알려져있다 (Nishiyama, et al., 1990; Shuku, et al.
	프로펠러 주위의 비정상 상태에서의 연구에는 무엇이 있는가?	Miller (1976, 1981)는 균일류(uniform flow)와 불균일류(nonuniform flow)에서 상반회전 프로펠러에 대한 시험을 수행하여 비정상 상태에서의 축기진력을 추정하기 위한 이론적, 수치적 연구에 검증 자료를 제공하였다. 전후방 프로펠러의 프로펠러 날개수 조합에 따른 축방향 힘(axial force)과 횡방향 힘(side force)에 대한 영향을 연구하기 위해 Strasberg and Breslin (1976)은 이론적으로 접근하여 전후방 프로펠러의 상호작용에 의해 축방향 힘과 횡방향 힘의 변동이 날개수가 같을 때와 다를 때 각각 크게 됨을 유도하였고, 이 때의 진동 주파수를 찾을 수 있는 식을 제시하였다. Tsakonas, et al. (1983)과 Yang, et al. (1992)은 각각 선형화된 양력면 이론과 양력면 이론을 이용하여 모형시험 결과 (Miller, 1976)와 비교하였다. 두 결과 모두 힘과 모멘트의 평균값은 모형시험 결과와 유사하게 추정하였으나, 전후방 프로펠러의 상호작용에 의해 나타나는 힘과 모멘트는 모형시험 결과에 비해 작게 예측하였다. 반면, Hoshino (1994)는 양력면 이론, 모형시험 그리고 실선에서 계측된 힘과 모멘트를 직진 상태뿐만 아니라 선회상태에서 비교하였다. 하지만 수치해석은 전후방 프로펠러의 상호작용을 고려하지 않고 모형시험에서 계측된 반류분포를 사용 하였다.

참고문헌 (15)

Hoshino, T., 1994. Experimental and theoretical analsysis of propeller shaft forces on contrarotating propellers and correlation with full scale data. Propellers/Shafting '94 Symposium, Virginia Beach, U.S.A., September 1994.
Inukai, Y., 2010. A development of the electric propulsion vessels with contra-rotating propeller. International Propulsion Symposium, Okayama, Japan, April 2010.
Inukai, Y., 2011. Development of contra-rotating propeller with tip-raked fins. Second International Symposium on Marine Propulsors, Hamburg, Germany, June 2011.
Kim, H.T. Choi, S.K. Hong, C.B. & Kim, J.S., 2011. Development of analysis method for resistance and self-propulsion using CFD. Proceeding of the Society of Naval Architects of Korea, Busan, Korea, June 2011.
Miller, M.L., 1976. Experimental Determination of Unsteady Forces on Counterrotating Propellers in Uniform Flow. David Naval Ship Research and Development Center Report SPD-659-01.
Miller, M.L., 1981. Experimental Determination of Unsteady Forces on Counterrotating Propellers for Application to Torpedoes. David Naval Ship Research and Development Center Report SPD-659-02.
Nakamura, N., 1986. Apprication of Quasi-Continuous Method to Estimate Open-Water Characteristics of Unconventional Propellers. Transactions of the West-Japan Society of Naval Architects, 72, pp.165-175.
Nishiyama, S. et al., 1990. Development of Contrarotating- Propeller System for Juno - a 37000DWT Class Bulk Carrier. Transactions of Society of Naval Architects and Marine Engineers, 98, pp.27-52.
Paik, K.J. Seo, S.B. & Chun, H.H., 2000. Analysis of Contra-Rotating Propellers in Steady Flow by a Vortex Lattice Method. Journal of the Korean Society of Ocean Engineers, 14(2), pp.36-43.
Sasaki, N. & Nakatake, N., 1987. Study on Contrarotating Propeller (1st Report). Transactions of the West-Japan Society of Naval Architects, 74, pp.129-142.
Shuku, M. Ohta, T. Saki, K. & Hoshino, T., 1992. Development of a Contra-Rotating Propeller System for Large Ships. Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Technical Review, 29(1), pp.1-7.
Strasberg, M. & Breslin, J.P., 1976. Frequencies of the Alternating Forces due to Interactions of Contrarotating Propellers. Journal of Hydronautics, 10(2), pp.62-64.

상세보기
Tsakonas, S. Jacobs, W.R. & Liao, P., 1983. Prediction of Steady and Unsteady Loads and Hydrodynamic Forces on Counterrotating Propellers. Journal of Ship Research, 27(3), pp.197-214.

상세보기
Yang, C.-J. Tamashima, M. Wang, G. & Yamazaki, R., 1991. Prediction of the Steady Performance of Contra-Rotating Propellers by Lifting Surface Theory. Transactions of the West-Japan Society of Naval Architects, 82, pp.17-31.
Yang, C.-J. et al., 1992. Prediction of the Unsteady Performance of Contra-Rotating Propellers by Lifting Surface Theory. Transactions of the West-Japan Society of Naval Architects, 83, pp.47-65.

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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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