선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구에서는 근해 오징어 채낚기 어업을 주로 하는 24톤급 어선을 대상으로 어선의 추진시스템 중에서 24톤급에 적합한 프로펠러로 인정받아 주문제작 형태로 장착되는 프로펠러를 신규로 설계하여 개선하는 과정을 보였다. 또한 모형시험을 통해 설계하여 제작한 신규 프로펠러를 대상 어선에 설치한 다음 해상시운전을 통해 엔진의 소요마력과 선속에 따른 성능을 기존에 사용되었던 프로펠러와 비교하였다.
- 특히 근해 채낚기 어선에 있어서는 장기간인 1항차당 항해일수와 활어보관을 위하여 어창에 물을 채우는 만재상태의 항해조건으로 인하여 유류소모가 많은 업종이므로 동일선속에서 마력감소와 선속증대는 조업경비 절감에 큰 영향을 끼친다. 본 연구에서는 소요마력 감소뿐만 아니라 선속 증가를 동시에 달성하였고 조선소 및 선주와 협력하여 어업현장에서 활용할 수 있는 연구결과를 보였다.
제안 방법
- 건조가 완료되어 부산 남항에 정박 중인 동아호에 기존에 사용되는 추진기와 신규로 제작된 추진기를 설치하여 성능비교를 위한 시운전을 만재상태로 실시하였다. 해상시운전에서 얻을 수 있는 각종 특성값의 정밀한 계측을 위하여 시운전 전담팀을 운영하는 중소조선연구원 전문가의 협조를 받아 부산 영도 인근 해상에서 수행하였다.
- 근해 오징어 채낚기 어선의 유류를 절감하기 위하여 기존의 프로펠러를 대체할 수 있는 신형 추진기를 수조에서의 모형시험을 통해 설계하고 실선에 적용하였다. 프로펠러를 신규로 제작하여 대상선에 설치하고 해상시 운전으로 그 성능을 검증하였다.
- 시운전 전용으로 제작된 GPS 장비를 대상선에 설치하였고, 진행방향과 선속을 측정하며 1마일을 왕복하는 코스에서 시운전을 진행하였다. 더불어 엔진과 축계의 회전수와 축마력을 계측하였고 엔진의 부하에 따른 소요마력과 선속을 기록하였다. Fig.
- 동아호의 항해 시 소요마력 감소로 인한 유류비 절감효과를 고찰하였다. 선주를 통해 확인한 연간 조업일수는 대략 250일로, 1항차는 약 1개월이며 경상북도에서 서해까지 다양한 해역에서 조업하며 위판을 위해 부정기적으로 어장 인근의 항구에 입항한다.
- 본 연구에서는 근해 오징어 채낚기 어업을 주로 하는 24톤급 어선을 대상으로 어선의 추진시스템 중에서 24톤급에 적합한 프로펠러로 인정받아 주문제작 형태로 장착되는 프로펠러를 신규로 설계하여 개선하는 과정을 보였다. 또한 모형시험을 통해 설계하여 제작한 신규 프로펠러를 대상 어선에 설치한 다음 해상시운전을 통해 엔진의 소요마력과 선속에 따른 성능을 기존에 사용되었던 프로펠러와 비교하였다.
- 0%만을 프로펠러 설계에 반영하였다. 또한 어선 선저에 추가로 설치한 keel box에 따른 선형변화로 인한 저항증가를 고려하여 프로펠러 추력마진을 10% 가량 고려한 상태에서 설계를 수행하여 프로펠러의 주요치수를 결정하였으며, 그 결과를 Table 5에 나타내었다.
-
모형시험
모형선을 이용한 저항시험으로 전체저항을 계측하고 선수와 선미의 트림 변화량을 확인하였다. 수조시험용 모형선은 선주가 제공한 대상선의 선체선도 (lines)를 이용하여 축척 (scale) 11.
- 모형시험과 추정을 통해 결정된 프로펠러의 주요치수를 기초로 프로펠러의 전진계수에 따른 추력과 토크, 프로펠러 효율을 계산하여 프로펠러 단독성능 특성을 Fig. 3과 같이 나타내었다. 추력일치 (thrust identity) 방법을 통해 엔진의 출력에 따라 추정된 전달마력과 선속을 Table 6에 나타내었다.
- 모형의 크기가 상대적으로 작으므로 저항계측의 정도향상을 위하여 선수부 9½ 위치에는 난류발생 촉진장치 (stud)를 일정한 간격으로 설치하였고, 선미의 부가물인 방향타지지대 (shoe-piece)와 방향타 (rudder)를 제작하여 실선과 동일한 조건을 구현하였다.
- 저항시험에 적용된 예인 속도는 어선의 속력이 11~18노트로 항해하는 것에 대응하는 속도로 끌며 예인저항을 측정하였다. 본 연구의 모형시험은 국립수산과학원 3차원 조파수조에서 수행되었으며, 각종 계측값들은 전산화된 자료취득장치를 통해 자동으로 얻어진 후 엄밀하게 분석하였다. 국립수산과학원 조파수조의 제원은 길이 85 m, 폭 10 m, 수심 3.
- 해상시운전에서 얻을 수 있는 각종 특성값의 정밀한 계측을 위하여 시운전 전담팀을 운영하는 중소조선연구원 전문가의 협조를 받아 부산 영도 인근 해상에서 수행하였다. 시운전 전용으로 제작된 GPS 장비를 대상선에 설치하였고, 진행방향과 선속을 측정하며 1마일을 왕복하는 코스에서 시운전을 진행하였다. 더불어 엔진과 축계의 회전수와 축마력을 계측하였고 엔진의 부하에 따른 소요마력과 선속을 기록하였다.
- 모형의 크기가 상대적으로 작으므로 저항계측의 정도향상을 위하여 선수부 9½ 위치에는 난류발생 촉진장치 (stud)를 일정한 간격으로 설치하였고, 선미의 부가물인 방향타지지대 (shoe-piece)와 방향타 (rudder)를 제작하여 실선과 동일한 조건을 구현하였다. 저항시험에 적용된 예인 속도는 어선의 속력이 11~18노트로 항해하는 것에 대응하는 속도로 끌며 예인저항을 측정하였다. 본 연구의 모형시험은 국립수산과학원 3차원 조파수조에서 수행되었으며, 각종 계측값들은 전산화된 자료취득장치를 통해 자동으로 얻어진 후 엄밀하게 분석하였다.
- 프로펠러를 신규로 제작하여 대상선에 설치하고 해상시 운전으로 그 성능을 검증하였다. 주기관의 출력을 5단계로 구분하여 각 출력에 대한 전달마력과 항해선속을 계측하고 두 종류의 프로펠러를 장착하였을 때의 성능을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 근해 오징어 채낚기 어선의 유류를 절감하기 위하여 기존의 프로펠러를 대체할 수 있는 신형 추진기를 수조에서의 모형시험을 통해 설계하고 실선에 적용하였다. 프로펠러를 신규로 제작하여 대상선에 설치하고 해상시 운전으로 그 성능을 검증하였다. 주기관의 출력을 5단계로 구분하여 각 출력에 대한 전달마력과 항해선속을 계측하고 두 종류의 프로펠러를 장착하였을 때의 성능을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 시운전을 수행하는 동안 엔진의 출력은 엔진 회전수 (RPM)로 조절하였다. 회전수를 출력기준 70% 부하에서부터 80%, 90%, 100% (MCR), 최대 (MAX) 출력까지 5단계로 구분하여 선속과 축마력을 계측하였다. Table 8에 엔진의 부하에 따른 RPM과 기존선과 변경선의 프로펠러 전단부 축계에서 계측한 전달마력의 측정값을 나타내었고 Fig.
대상 데이터
- 또한 모형시험을 실시하고 프로펠러를 설계한 이후 제작기간을 고려한다면 해상 진수까지 최소한 3개월 이상의 시간이 남아 있어야 하는 조건이 충족되어야 한다. 경상남도 남해군에 소재한 창남조선에서 시험연구에 적합한 어선을 건조중이며, 프로펠러 교체를 통한 해상시험에 선주가 협조하는 것에 동의한 근해 오징어 채낚기 어선 창남호를 대상선으로 선정하였다.
- 또한 선체의 진동과 소음을 고려하여 프로펠러와 선체는 일정한 간극 (clearance)을 가져야 한다. 본 연구에서는 프로펠러 직경은 1680 ㎜, 프로펠러 상부에서 간극 (top clearance)은 프로펠러 직경의 12.5% (약 210 ㎜), 하부간극 (low clearance)은 3.57% (약 60 ㎜)로 선정하였다.
- 모형선을 이용한 저항시험으로 전체저항을 계측하고 선수와 선미의 트림 변화량을 확인하였다. 수조시험용 모형선은 선주가 제공한 대상선의 선체선도 (lines)를 이용하여 축척 (scale) 11.5로 정밀하게 제작하였다. 모형의 크기가 상대적으로 작으므로 저항계측의 정도향상을 위하여 선수부 9½ 위치에는 난류발생 촉진장치 (stud)를 일정한 간격으로 설치하였고, 선미의 부가물인 방향타지지대 (shoe-piece)와 방향타 (rudder)를 제작하여 실선과 동일한 조건을 구현하였다.
- 신규로 설계하는 추진기는 제작의 편의를 위하여 날개단면의 형상변화가 없는 MAU section을 적용하는 고정피치 프로펠러를 우선적으로 고려하였다. 지금까지 사용된 24톤급 채낚기 어선의 추진기는 직경 (D) 1600 ㎜, 날개수 (Z) 3개에 피치 (P) 1300 ㎜이다.
- 어선의 프로펠러를 개선하여 성능을 향상시키기 위하여 24톤급 근해 오징어 채낚기 어선을 대상선으로 선정하였다. 추진기를 교체하여 해상시험을 수행하기 위해서는 대상선이 건조되는 과정에 있어야 한다.
- 건조가 완료되어 부산 남항에 정박 중인 동아호에 기존에 사용되는 추진기와 신규로 제작된 추진기를 설치하여 성능비교를 위한 시운전을 만재상태로 실시하였다. 해상시운전에서 얻을 수 있는 각종 특성값의 정밀한 계측을 위하여 시운전 전담팀을 운영하는 중소조선연구원 전문가의 협조를 받아 부산 영도 인근 해상에서 수행하였다. 시운전 전용으로 제작된 GPS 장비를 대상선에 설치하였고, 진행방향과 선속을 측정하며 1마일을 왕복하는 코스에서 시운전을 진행하였다.
성능/효과
- 1. 대상선에 적합한 기존 프로펠러를 대체할 수 있는 우수한 성능을 가진 신형 프로펠러를 설계하였고, 기존 프로펠러에 비해 저속과 고속구간에서 항해선속을 최대 0.6노트 증대시킬 수 있다는 것을 보였다.
- 2. 신형 추진기를 설치했을 경우, 동일한 선속으로 항해하기 위해서는 최대 9.06%의 소요마력이 감소하는 것으로 나타났으며, 최대연속출력 (MCR)에서도 소요 마력이 감소하는 것을 확인하였다.
- 3. 신규 추진기로 교체하여 최대연속출력의 90% 운용을 가정했을 때 일상적인 조업과 항해 시의 소요마력은 43마력이 줄어들고, 시간당 연료소모량 147 g/ps·h 기준으로 매 시간당 6.32리터의 연료를 절감할 수 있다.
- 4. 일일 유류 절감량은 151리터로 연간 37,926리터 (약 190드럼)를 줄일 수 있으며, 금액으로 환산하면 2,541만원의 유류비가 절감된다. 절감액이 연간 유류비에서 차지하는 비중은 17%로 추진시스템의 개선 효과가 우수하다는 것을 확인하였다.
- 5. 추진성능 향상으로 따른 조업경비 절감의 가능성을 확인하였으며, 어업분야의 온실가스 배출량도 줄일 수 있다.
- 06% 감소하였음을 알 수 있다. 70% 및 80% 부하를 사용하는 저속구간과 최대출력에서는 변화가 없으며, 최대연속출력에서 미소하나마 소요마력의 감소를 확인할 수 있다.
- 각 단계의 엔진출력에서 시운전을 수행하며 계측된 항해선속을 비교해 보면 저속구간에서 최대속도 구간까지 최대 0.6노트의 선속이 증가한 것을 알 수 있다. 특히 최대연속출력 90%에서 엔진의 소요마력은 줄어들어도 선속을 그대로 유지할 수 있다는 것을 보였다.
- 대상선의 모형시험과 실선의 해상시운전의 결과를 비교했을 때, 실선 시운전에서 파악한 저항은 모든 선속구간에서 모형시험 대비 약 40마력이 증가한다는 것을 확인하였다. 그 이유로 당초 선저에 부가물이 없었으나 선주의 요구로 박스 킬 (box keel)이 추가로 설치되었고, 복원성 향상을 위하여 선측의 흘수부에도 선수에서 선미에 걸쳐 추가 부력재가 설치되어 마찰저항이 증가했기 때문으로 추정된다.
- 그 이유로 당초 선저에 부가물이 없었으나 선주의 요구로 박스 킬 (box keel)이 추가로 설치되었고, 복원성 향상을 위하여 선측의 흘수부에도 선수에서 선미에 걸쳐 추가 부력재가 설치되어 마찰저항이 증가했기 때문으로 추정된다. 또한 모형시험과 해상시운전에서 공통적으로 선수부에 발생하는 과도한 선수파로 인하여 항해속도가 높아질수록 저항이 급격하게 증가한다는 것을 파악하였다. 조파저항 감소를 위해서는 구상선수를 더욱 날씬하게 만들고 수선면의 선체를 유선형으로 설계한다면 항해 시에 발생하는 조파저항을 현저하게 줄일 수 있을 것으로 판단된다.
- 선체에 설치되는 프로펠러의 직경은 사용되는 FRP어선 제작몰드에 설치된 방향타 지지대와 선미부력부로 인하여 제한이 있으며 몰드를 측정한 결과 1700 ㎜가 설치 가능한 최대직경으로 나타났다. 또한 선체의 진동과 소음을 고려하여 프로펠러와 선체는 일정한 간극 (clearance)을 가져야 한다.
- 84 m이다. 설계선속 15노트를 기준으로 저항시험 결과로부터 추정된 유효마력은 741.2 hp, 10%의 실해상 여유 (sea margin)를 고려한다면 815.3 hp로 나타났다.
- 일일 유류 절감량은 151리터로 연간 37,926리터 (약 190드럼)를 줄일 수 있으며, 금액으로 환산하면 2,541만원의 유류비가 절감된다. 절감액이 연간 유류비에서 차지하는 비중은 17%로 추진시스템의 개선 효과가 우수하다는 것을 확인하였다.
- 6에 그래프로 보였다. 최대연속출력(MCR)의 90% 엔진 부하에서 신규로 제작한 추진기의 소요마력은 9.06% 감소하였음을 알 수 있다. 70% 및 80% 부하를 사용하는 저속구간과 최대출력에서는 변화가 없으며, 최대연속출력에서 미소하나마 소요마력의 감소를 확인할 수 있다.
- 6노트의 선속이 증가한 것을 알 수 있다. 특히 최대연속출력 90%에서 엔진의 소요마력은 줄어들어도 선속을 그대로 유지할 수 있다는 것을 보였다. 시운전에서 엔진의 출력에 따른 선속의 변화에 대한 측정결과를 Table 9에 보였고, 그 결과를 Fig.
후속연구
- 또한 모형시험과 해상시운전에서 공통적으로 선수부에 발생하는 과도한 선수파로 인하여 항해속도가 높아질수록 저항이 급격하게 증가한다는 것을 파악하였다. 조파저항 감소를 위해서는 구상선수를 더욱 날씬하게 만들고 수선면의 선체를 유선형으로 설계한다면 항해 시에 발생하는 조파저항을 현저하게 줄일 수 있을 것으로 판단된다.
- 향후 선형개선을 통한 선체의 저항성능 향상을 위해 추가적인 연구가 필요하며, 이를 위한 다양한 규모의 선형을 확보하고 선주의 협조를 통한 시운전을 수행하여 보다 정밀한 해석과 결과검증을 추진할 필요성이 있다. 아울러 프로펠러의 직경과 피치 조절을 통해 24톤급 오징어 채낚기 어선에 적용되는 엔진에 가장 적합한 추진기에 대한 설계를 개발하고 실선에 설치하여 비교검증을 수행한 후 보급할 필요성이 있다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.