[논문]EEDI 개선을 위한 상반 회전 프로펠러 단독성능 분석용 수치해석과 모형시험에 대한 연구

김문찬; 송무석; 강현지; 김동언

doi:10.7846/jkosmee.2013.16.4.248

EEDI 개선을 위한 상반 회전 프로펠러 단독성능 분석용 수치해석과 모형시험에 대한 연구
A Numerical and Experimental Procedure for the Open Water Characteristics of Contra-Rotating Propellers for EEDI Improvement 원문보기

한국해양환경ㆍ에너지학회지 = Journal of the Korean Society for Marine Environment & Energy, v.16 no.4, 2013년, pp.248 - 254

김문찬 (부산대학교 조선해양공학과) , 송무석 (홍익대학교 조선해양공학과) , 강현지 (부산대학교 조선해양공학과) , 김동언 (STX조선해양)

초록
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IMO가 도입한 Energy Efficiency Design Index (EEDI)의 강제로 최근 관심이 증가되고 있는 상반회전 프로펠러(Contra-Rotating Propeller, CRP)의 단독 상태에서의 성능평가를 위한 보오텍스격자법(Vortex Lattice Method) 기반의 포텐셜 수치해법과 모형시험법을 확립하고 이를 특정 CRP에 적용하여 유용성을 검증하였다. 대상 CRP는 EEDI 개선을 목적으로 설계된 것으로 그 성능을 본 연구의 수치 및 실험 해석을 바탕으로 분석하였다. CRP의 설계점을 포함한 주 작동 영역에 대해 계산과 실험이 좋은 일치를 보임을 확인하였고, 본 연구를 통하여 제안된 기법은 향후 CRP 설계 및 성능해석에 유용하게 사용될 수 있으리라 생각된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, contra-rotating propellers (CRP) having higher efficiency draw much attention since the EEDI regulation of IMO has been enforced. In this paper a numerical method based on the vortex lattice potential theory with a wake model and an experimental procedure with a newly built measuring device, specifically focusing on CRPs, are introduced. And they are applied to a series of CRP known to be designed for the purpose of improving EEDI. The numerical and experimental results showed good agreement explaining the characteristics of the CRP properly. The proposed method is believed to be effectively used for various CRP related studies.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 향후 적용이 증대될 것으로 기대되는 CRP의 설계와 해석에 이용될 수 있는 포텐셜 기반 해석 프로그램과 프로펠러 성능 분석을 위한 실험 기법의 개발과, 이를 EEDI 개선을 위해 제안된 CRP에 대해 적용하여 그 유용성을 살펴본 것이다. 벌크선에 사용할 CRP의 단독상태 성능을 본 연구의 방법에 따라 수행하고 이론과 실험을 비교하였으며, 제안된 CRP의 동일한 하중 상태에서의 효율을 비교하였다.
CRP의 성능을 측정하기 위해서는 두 개의 프로펠러에 대하여 회전방향 및 회전속도를 제어할 수 있어야하며, 각 프로펠러의 성능을 간섭 없이 획득할 수 있어야한다. 본 연구에서는 일반프로펠러용 동력계가 아닌 CR 동력계를 새로 제작하여 모형시험을 수행하였다. CR 동력계의 주요 제원은 Table 3에 명시하였고 조합된 형상은 Fig.

제안 방법

EEDI 개선을 목적으로 최근 관심이 고조되고 있는 상반회전 프로펠러의 분석을 위한 수치해법과 실험법을 정립하고 벌크선에 대해 제안된 두 세트의 CRP에 적용하여 그 유용성을 확인하였다. 수치해법은 포텐셜 기반의보오텍스격자법을 바탕으로 한 것으로 낮은 전진비를 제외한 설계점을 포함하는 영역에서는 대체로 실험 결과와 일치하는 것을 확인 하였다.
본 연구는 향후 적용이 증대될 것으로 기대되는 CRP의 설계와 해석에 이용될 수 있는 포텐셜 기반 해석 프로그램과 프로펠러 성능 분석을 위한 실험 기법의 개발과, 이를 EEDI 개선을 위해 제안된 CRP에 대해 적용하여 그 유용성을 살펴본 것이다. 벌크선에 사용할 CRP의 단독상태 성능을 본 연구의 방법에 따라 수행하고 이론과 실험을 비교하였으며, 제안된 CRP의 동일한 하중 상태에서의 효율을 비교하였다.
본 연구에서는 개발한 프로그램을 이용한 이론 해석과 모형시험을 통하여 도출된 결과를 비교 검증하였다. 모든 모형시험 자료는 ITTC 78 방법(15th ITTC Performance Committee[1978])을 이용하여 실선으로 확장된 결과이다.
본 연구에서는 허브를 경계 요소(panel)로 처리하고 프로펠러의 날개 주위의 유동은 Greely & Kerwin[1982]의 양력면 이론을 적용하여 적절한 반류모델과 함께 해석하는 것으로 하였고, 각각의 프로펠러의 반경 및 코오드를 따른 하중 계산이 가능하게 하여 CRP의 종합적 성능과 전후방 날개의 특성을 구분하여 확인 할 수 있도록 하였다.
식 (7)은 Morino & Kuo[1974]에 의해 제안된 포텐셜을 기저로 하는 방정식으로써, Lee[1987]와 Hoshino[1989]에서 성공적으로 적용 된 바 있다. 이를 보오텍스격자법에 적합한 적분방정식으로 치환하기 위해 보오텍스와 다이폴 분포 사이의 관계식을 이용하여 정리하고 앞서 언급한 CRP 특성인 허브 효과를 적용하면 다음과 같다.
모든 모형시험 자료는 ITTC 78 방법(15th ITTC Performance Committee[1978])을 이용하여 실선으로 확장된 결과이다. 전진비의 범위는 설계점(J=0.45)을 포함하도록 정하였으며, 모형시험 결과와 비교하기 위해 모형시험을 수행하였을 때의 전진비와 동일한 값으로 수치해석을 수행하였다.
추진기단독성능 시험은 부산대학교 예인수조에서 이루어 졌으며, 새로 제작한 CR Dynamometer를 사용하여 그 성능을 계측하였다.

대상 데이터

본 해석에는 Jang et al.[2012]에서 벌크선용으로 설계 되어진 1차 및 2차 CRP를 사용하여 해석을 수행하였다. 해석에 사용되어진 프로펠러의 제원은 Table 2에 명시하였으며, 격자계는 Fig.
2.1 예인수조 및 예인전차
예인수조는 길이가 100 m, 폭이 8 m, 깊이는 3.5 m이며, 전차의 최대속도는 5 m/s이다.

이론/모형

Kerwin & Lee[1978]는 관찰에 의한 slipstream과 축 방향 피치변화를 고려한, 실제에 근접한 roll-up 반류모델을 제시하였고 본 연구에서는 실제 후연반류의 영향을 보다 정확하게 고려한 Greeley & Kerwin[1982]의 반류모형을 채택하였다.
본 연구에서는 개발한 프로그램을 이용한 이론 해석과 모형시험을 통하여 도출된 결과를 비교 검증하였다. 모든 모형시험 자료는 ITTC 78 방법(15th ITTC Performance Committee[1978])을 이용하여 실선으로 확장된 결과이다. 전진비의 범위는 설계점(J=0.
본 연구에서는 CRP 날개에 대하여 Paik, Suh & Chun[2000]의 정의를 따랐고, 허브 단면의 형상은 타원형으로 정의하였다.

성능/효과

낮은 전진비에서는 날개의 받음각이 커지는 관계로 단 추진 프로펠러에서도 포텐셜 해석이 실험결과와 차이를 보이기도 하지만, 본 연구에서 적용되어진 반류모델이 단 추진 프로펠러에 적용되는 반류모델이기 때문에 발생하는 차이로도 생각되어지며, 개선이 필요한 부분이다. 결과적으로 효율은 전 영역에서 다소 크게 계산 값이 주고 있음을 확인 할 수 있고, 설계점(J=0.45)을 포함하는 대부분의 영역에서는 모형시험과 잘 일치함을 알 수 있다.
전 절에서 상세히 비교된 두 CRP의 성능 특성을 명확히 구별하자면 동일한 하중 조건 하에서 검토하는 것이 필요하다. 동일한 K_T/J²에서, 즉 0.7156인 점에서의 추력, 토오크 및 효율을 Table 7과 Fig. 10에 보였는데, 두 번째 CRP에서 3.43%의 효율 개선이 이루어졌음을 확인 할 수 있다. 두 CRP의 오차는 다음과 같이 정의 한다.
EEDI 개선을 목적으로 최근 관심이 고조되고 있는 상반회전 프로펠러의 분석을 위한 수치해법과 실험법을 정립하고 벌크선에 대해 제안된 두 세트의 CRP에 적용하여 그 유용성을 확인하였다. 수치해법은 포텐셜 기반의보오텍스격자법을 바탕으로 한 것으로 낮은 전진비를 제외한 설계점을 포함하는 영역에서는 대체로 실험 결과와 일치하는 것을 확인 하였다. 효율 개선을 목표로 제안된 것으로 알려진 두 CRP간의 동일한 하중 조건에서의 비교를 통해 2차 CRP 가 약 3.
8에 보였다. 수치해석 결과가 모형시험 결과보다 전체적으로 추력은 약간 크게, 토오크는 전진비가 0.4이상에서는 약간 작게 나타나고 있고, 특히 전진비가 0.3이하 낮은 영역에서 오차가 다소 큼을 볼 수 있다. 오차는 다음과 같이 정의 한다.
수치해법은 포텐셜 기반의보오텍스격자법을 바탕으로 한 것으로 낮은 전진비를 제외한 설계점을 포함하는 영역에서는 대체로 실험 결과와 일치하는 것을 확인 하였다. 효율 개선을 목표로 제안된 것으로 알려진 두 CRP간의 동일한 하중 조건에서의 비교를 통해 2차 CRP 가 약 3.43% 효율 증가를 보이는 것으로 파악되었다. 다양한 CRP 연구에 본 기법을 적용하여 반류모델 등의 개선을 포함하는 발전이 필요하다고 판단된다.

후속연구

43% 효율 증가를 보이는 것으로 파악되었다. 다양한 CRP 연구에 본 기법을 적용하여 반류모델 등의 개선을 포함하는 발전이 필요하다고 판단된다.
9에 두 번째 CRP에 대한 계산과 실험 결과를 보였는데, 첫 번째 CRP와 유사한 경향을 보이고 있다. 설계점(0.45)을 기준으로 효율을 비교해 보았을 때는 1차 CRP가 2차 CRP보다 좀 더 높게 나타났으나 보다 명확한 성능 비교가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	상반회전프로펠러는 무엇인가?	상반회전프로펠러(Contra Rotating Propeller, CRP)는 고효율 추진 장치를 대표하는 프로펠러로서 서로 반대 방향으로 회전하는 두 개의 프로펠러를 동심 축 상에 전후 방향으로 설치하여 추력을 발생시키는 복합 추진 장치이다. 프로펠러의 회전은 하류로 밀치는 유동에 상당한 양의 회전 에너지를 남기며 이에 따라 약 8%의 효율 손실이 발생한다고 알려져 있는데, CRP는 서로 반대 방향으로 회전하는 두 후류의 중첩으로 회전 에너지 유실을 최소화함으로써 전체적인 추진효율을 증대시키는 장점을 가지며, 선박의 직진 성능을 개선하고 단위 프로펠러에 작용하는 하중을 줄임으로써 축기진력 및 소음, 진동 등의 감소 효과도 얻는 것으로 알려져 있다(SNAK[2009]).
	상반회전프로펠러의 장점은 무엇인가?	상반회전프로펠러(Contra Rotating Propeller, CRP)는 고효율 추진 장치를 대표하는 프로펠러로서 서로 반대 방향으로 회전하는 두 개의 프로펠러를 동심 축 상에 전후 방향으로 설치하여 추력을 발생시키는 복합 추진 장치이다. 프로펠러의 회전은 하류로 밀치는 유동에 상당한 양의 회전 에너지를 남기며 이에 따라 약 8%의 효율 손실이 발생한다고 알려져 있는데, CRP는 서로 반대 방향으로 회전하는 두 후류의 중첩으로 회전 에너지 유실을 최소화함으로써 전체적인 추진효율을 증대시키는 장점을 가지며, 선박의 직진 성능을 개선하고 단위 프로펠러에 작용하는 하중을 줄임으로써 축기진력 및 소음, 진동 등의 감소 효과도 얻는 것으로 알려져 있다(SNAK[2009]). Fig.
	EEDI은 무엇인가?	대기 중 온실가스(GHGs, greenhouse gases) 농도의 증가에 따른 것으로 이해되는 기후변화의 문제가 전 지구적인 관심의 중심에 놓인 가운데, 국제해사기구(IMO, International Maritime Organization) 는 교토의정서(Kyoto Protocol)의 온실가스 감축과 관련하여 국제적인 산업의 영역에서 법적인 효력을 갖는 최초의 규정으로 에너지효율설계지수(EEDI, Energy Efficiency Design Index)의 도입을 결정하였다(IMO[2011]). 이는 2013년부터 신조되는 선박에 대하여, 건조, 항해 및 관리에 대하여 에너지 효율에 대한 지표들을 제시하여 단계적으로 적용하도록 하고 있는데, 건조 시 적용하는 에너지효율지수인 EEDI (Energy Efficiency Design Index for new ships)는 1톤의 화물을 1해상마일 거리를 운송하는 데 발생되는 이산화탄소(CO2) 배출량을 나타내며, 2013년 1월 10% 저감을 시작으로 단계적으로 2025년까지 30%를 저감하여야 한다(Jung[2011]). EEDI는 방법을 규정하지 않고 최종적인 결과로 나타나는 CO2 배출량의 저감을 요구하는 체제로, 해양 운송체의 추진과 저항에 관련된 다양한 영역에서 다양한 형식으로의 효율 증대를 요구한다.

참고문헌 (14)

Cha, D.-R., 1992, "A Study on the Performance Prediction of Contra-Rotating Propellers", M.S. Thesis, Department of Naval Architecture and Ocean Engineering, Chungnam National University, Dajeon, Korea
Greeley, D.S. and Kerwin, J.E., 1982, "Numerical methods for propeller design and analysis in steady flow", Trans. SNAME, Vol. 90.
Hoshino, T., 1989, "Hydrodynamic analysis of propellers in steady flow using a surface panel method", J. of Soc. of Naval Arch. of Japan, Vol. 165, 55-70.
IMO, 2011. Mandatory energy efficiency measures for international shipping adopted at IMO environment meeting. [online] Available at: [Accessed 10 July 2013].
ITTC, 1978, "Report of the Performance Committee", Proceedings of 15th ITTC, Hague.
Jang, J.-Y., Kim, M.-C., Lee, W.-J., Mun, W.-J., Kim, D.-U., Kim, D.-J., 2012, "Study on the Self Propulsion Performance for the Contra-Rotating Propeller", Proceedings of the Annual Autumn Meeting, SNAK, Changwon, 15-16 November, 704-708.
Jung, R.-T., 2011, "Recent International Development on the Technical and Operational Measures of IMO's $CO_2$ Emission Control From Ships", J. of KOSMEE, Vol. 14, No. 1, 65-71.
Kerwin, J.E., 1973, "Computer Techniques for Propeller Blade Section Design", International Shipbuilding Progress, Rotterdam, The Netherlands, Vol. 20, No. 227, 227-251.
Kerwin, J.E. and Lee, C.-S., 1978, "Prediction of steady and unsteady marine propeller performance by numerical lifting surface theory", Trans. SNAME, Vol. 86, 218-258.
Lee, J.-T., 1987, "A potential-based panel method for the analysis of marine propellers in steady flow", Ph.D. Thesis, Department of Ocean Engineering, M.I.T., Cambridge, Mass.
Min, K.-S., Chang, B.-J. and Seo, H.-W., 2009, "Study on the Contra-Rotating Propeller system design and full-scale performance prediction method", Inter J. of NAOE, Vol. 1, No. 1, 29-38.
Morino, L. and Kuo, C.-C., 1974, "Subsonic potential aerodynamic for complex configurations: a general theory", AIAA Journal, Vol. 12, No. 2, 191-197.

상세보기
Paik, K.-J., Suh, S.-B. and Chun, H.-H., 2000, "Analysis of Contra-Rotating Propellers in Steady Flow by a Vortex Lattice Method", KSOE, Vol. 14, No. 2, 36-43.
SNAK, 2009, "Resistance and Propulsion of Ships", Jisungsa, 347-348.

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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