[논문]날개의 형상 변화에 따른 LNG선용 비대칭 전류고정날개 설계

이철민; 신용진; 김문찬; 최정은; 전호환

doi:10.3744/snak.2016.53.1.37

문제 정의

본 연구에서 연구할 에너지 저감 장치는 비대칭 전류고정날개로서 전류고정날개를 선박의 우현과 좌현에 동일하지 않은 날개 개수를 배치하는 것이다. 비대칭 전류고정날개를 에너지 저감 장치로 선택한 이유는 저속 비대선에서 에너지 저감 성능이 좋은 것이 검증되었고 이를 선박 특성이 유사한 중속 비대선인 LNG선에 적용하여 저속 비대선과 유사한 에너지 저감 효과를 기대하고자 함이다.
본 연구의 목표는 위에서 언급한 포텐셜 유동 해석 프로그램을 이용하여 전류고정날개의 형태, 몇 가지의 기하학적 형상에 변화를 주어 LNG선에 적합한 비대칭 전류고정날개를 설계 하고 상용 CFD를 사용하여 평가한 뒤, 최종적으로 모형시험을 통해 검증해보는 것이다.
본 연구에서 연구할 에너지 저감 장치는 비대칭 전류고정날개로서 전류고정날개를 선박의 우현과 좌현에 동일하지 않은 날개 개수를 배치하는 것이다. 비대칭 전류고정날개를 에너지 저감 장치로 선택한 이유는 저속 비대선에서 에너지 저감 성능이 좋은 것이 검증되었고 이를 선박 특성이 유사한 중속 비대선인 LNG선에 적용하여 저속 비대선과 유사한 에너지 저감 효과를 기대하고자 함이다.

가설 설정

프로펠러와 전류고정날개는 비점성, 비압축성인 무한 영역의 유체 중에서 있다고 가정한다. 또한 두 대상 모두 허브효과는 매우 작아 무시하고 캐비테이션은 발생하지 않는다고 가정한다. 양력면 이론에 의한 해석기법을 전류고정날개와 프로펠러 모두에 적용하고 상호 유기속도는 프로펠러 면과 전류고정날개 면의 원주방향의 시간 평균값(circumferentially time-averaged value)으로 근사하여 계산한다.
모형선과 고정날개의 축적비와 제원은 모형시험과 동일하게 사용하였다. 비대칭 전류고정날개가 조파저항에 영향을 미치지 않는다고 가정하고 이중모형을 사용하였다.
양력면 이론을 바탕으로 구성된 PASTA는 모형시험을 통해 획득한 반류데이터를 이용하여 전류고정날개와 회전하는 프로펠러간의 상호영향을 분석하는 프로그램이다. 프로펠러와 전류고정날개는 비점성, 비압축성인 무한 영역의 유체 중에서 있다고 가정한다. 또한 두 대상 모두 허브효과는 매우 작아 무시하고 캐비테이션은 발생하지 않는다고 가정한다.

제안 방법

실선 성능 예측을 위해 ITTC 1978 해석 방법을 사용하였다. ITTC 1999에서 포텐셜 영향이 큰 전류고정날개에 맞게 수정된 실선 반류 추정방법이 존재하기 때문에 두 해석 방법에 대해서 각각 수행하였고 두 결과를 비교하였다.
포텐셜유동 코드를 사용하여 PSS의 고정날개 형상을 결정하였고 모형시험을 하기 전에 상용 CFD tool을 사용하여 평가해보았다. 결정된 고정날개들과 모형선을 제작하여 전류고정날개의 형상에 따른 추진 성능을 모형시험을 통해 판단하였다. 실선 성능 예측을 위해 ITTC 1978 해석 방법을 사용하였다.
축적비와 제원은 CFD 해석과 동일하다. 모형시험은 bare hull, with constant pitch angle stator(이하 CPAS), with variable pitch angle stator(이하 VPAS)에 대해 진행하였다. 동일한 프로펠러를 사용하기 때문에 POW는 한번 수행하였다.
CFD 해석 결과는 모형의 전달동력과 추력감소계수에서 두 고정날개가 서로의 장단점을 가지고 있었고, 실선 성능 추정을 하지 못하여 우월함을 판단할 수 없었다. 모형시험의 경우 실선 성능 추정을 위해 기본적으로 사용하는 ITTC 1978 방법 외에 전류 고정날개에 맞춘 ITTC 1999 방법이 존재하고 이 두 가지 방법으로 실선 성능을 추정하였다. 모형시험과 CFD 결과를 비교하기 위해서, 실선으로 확장하지 않은 모형 시험에서의 결과와 CFD 해석 결과를 비교하였고 회전수, 추력, 토크의 값들에서 모두 유사한 패턴으로 변하는 것을 볼 수 있었다.
수치해석을 통하여 부가물의 전달동력 감소를 상대 비교를 하기 위해 CFD 상용 프로그램인 Fluent v15를 사용하여 비대칭 전류고정날개를 부착한 선박의 전달동력 감소 효과를 추정하였다. 모형선과 고정날개의 축적비와 제원은 모형시험과 동일하게 사용하였다.
앞서 설명하였듯이 전류고정날개를 설계하기 위해서 나선의 반류시험 자료가 필요하기 때문에 나선에 대해 모형시험을 우선적으로 시행하였고 그 반류 값을 이용하여 설계를 진행하였다.
저항 특성 추정을 위해서는 고정날개와 타가 부착되지 않은 이중 모형 나선의 예인조건에서 계산을 수행하였다. 자항 조건에서는 고정날개, 타 그리고 프로펠러가 부착된 이중 모형선에 대해 계산을 수행하였다.
전류고정날개 형상을 결정하기 위해 양력면 이론을 이용하여 전류고정날개의 기하학적 형상을 결정하는 설계를 진행하고 CFD를 통하여 전류고정날개 성능을 평가한 뒤 모형시험을 통해 검증하였다.
전류고정날개의 형상에 따른 전달동력 효율을 비교하기 위해 고정날개의 반경별로 피치각을 동일하게 주는 방법과 변화를 주는 방법을 나누어 설계하였다. 포텐셜유동 코드를 사용하여 PSS의 고정날개 형상을 결정하였고 모형시험을 하기 전에 상용 CFD tool을 사용하여 평가해보았다.
전류고정날개의 형상에 따른 전달동력 효율을 비교하기 위해 고정날개의 반경별로 피치각을 동일하게 주는 방법과 변화를 주는 방법을 나누어 설계하였다. 포텐셜유동 코드를 사용하여 PSS의 고정날개 형상을 결정하였고 모형시험을 하기 전에 상용 CFD tool을 사용하여 평가해보았다. 결정된 고정날개들과 모형선을 제작하여 전류고정날개의 형상에 따른 추진 성능을 모형시험을 통해 판단하였다.

대상 데이터

4. 모형시험

모형선과 프로펠러는 STX 조선해양(주)에서 제공한 프로펠러를 사용하였다. 축적비와 제원은 CFD 해석과 동일하다.

데이터처리

2개의 프로펠러 회전속도에 대한 수치해석 결과를 이용하여 자항점(self-propulsion point)에서 RVMSP, TM, QM, nM의 값을 구하였다. 단, 고정날개의 부착 여부에 따라 예인력(TF) 값에 침수표면적을 고려하여 사용하였다.
나선의 저항시험 결과와 CFD해석 결과를 비교하였다.
다음은 CFD해석을 통해 3가지의 상태(bare hull, with CPAS, with VPAS)에 대하여 자항 해석을 통한 결과를 비교해보았다. 이때 사용한 FD는 bare hull의 모형시험 결과를 사용하였다.
전류고정날개를 rudder나 bilge keel과 같은 부가물로서 생각함으로 부가물 부착 상태에 대한 저항시험은 하지 않았다. 해석에는 bare hull의 형상계수와 저항시험 값을 이용하고 고정날개의 면적을 고려하여 해석을 진행하였다. 면적증가에 따른 저항증가 외에 전류고정날개에 대한 또 다른 효과는 반류계수나 추력감소계수로 보상 및 영향을 고려한다고 판단하기로 한다.

이론/모형

전류고정날개와 프로펠러의 전후 간격 변화에 따른 전달동력 감소에 관한 연구와 직경에 따른 성능 연구는 Lee, et al. (1994)가 300K VLCC에 대해 공동수조에서 단독특성시험을 통한 검증한 자료를 바탕으로 결정하였다. 이 논문을 살펴보면 설계속도 주변에서 전후 간격을 0.
이는 Choi, et al. (2009)이 제시한 해석법을 참고하였다.
여기서 RVM은 이중모형에서 구한 선체에 작용하는 저항이다. CFM은 마찰저항계수로써 ITTC-1957 line을 이용하여 구하였다.
공간 이산화는 cell-center finite volume method를 사용하였다. 속도-압력 연성은 SIMPLEC(Semi-implicit Method for Pressure-linked Equations Consistent) algorithm을 적용 하였다.
또한 차후 모형시험 결과와 비교하기 위해서는 필요한 과정이다. 기존의 ITTC 1978 방법을 바탕으로 CFD 해석 상태에 맞게 식을 구성하였다. 이는 Choi, et al.
속도-압력 연성은 SIMPLEC(Semi-implicit Method for Pressure-linked Equations Consistent) algorithm을 적용 하였다. 대류항은 QUICK(Quadratic Upwind Interpolation for Convection Kinematics) scheme을 사용 하였고, 확산항은 central difference scheme을 사용하였다. 프로펠러 회전유동 모사는 MRF(Moving Reference Frame)를 사용하였고 프로펠러 후류를 관찰하기 위해 sliding mesh 기법을 사용하였다.
그러나 포텐셜유동 프로그램의 경우 고정날개의 제원만 입력하면 자동으로 격자를 생성하여 해석하기 때문에 수 십 가지의 경우를 빠르게 해석할 수 있다. 따라서 전류고정날개의 설계를 통한 제원 결정은 포텐셜유동 해석 프로그램인 PASTA (Lee, et al., 1992)를 이용하였다.
전류고정날개와 프로펠러 주위의 유동은 나선(bare hull)의 유동 보다 더 복잡하다. 복잡한 난류유동을 조금 더 정확히 유추하기 위해서 Reynolds stress 난류모형을 사용하였고 다음과 같이 표현한다.
공간 이산화는 cell-center finite volume method를 사용하였다. 속도-압력 연성은 SIMPLEC(Semi-implicit Method for Pressure-linked Equations Consistent) algorithm을 적용 하였다. 대류항은 QUICK(Quadratic Upwind Interpolation for Convection Kinematics) scheme을 사용 하였고, 확산항은 central difference scheme을 사용하였다.
결정된 고정날개들과 모형선을 제작하여 전류고정날개의 형상에 따른 추진 성능을 모형시험을 통해 판단하였다. 실선 성능 예측을 위해 ITTC 1978 해석 방법을 사용하였다. ITTC 1999에서 포텐셜 영향이 큰 전류고정날개에 맞게 수정된 실선 반류 추정방법이 존재하기 때문에 두 해석 방법에 대해서 각각 수행하였고 두 결과를 비교하였다.
실선확장에 대한 해석법은 ITTC 1978, ITTC 1999 방법을 사용한다. 두 방법은 실선의 반류추정에서 차이가 나며 각각의 실선 반류 추정식은 다음과 같다.
지배방정식은 연속방정식과 비압축성의 Navier-Stokes 식을 시간 평균하여 얻어지는 RANS 방정식을 사용하고 다음의 식으로 표현한다.
대류항은 QUICK(Quadratic Upwind Interpolation for Convection Kinematics) scheme을 사용 하였고, 확산항은 central difference scheme을 사용하였다. 프로펠러 회전유동 모사는 MRF(Moving Reference Frame)를 사용하였고 프로펠러 후류를 관찰하기 위해 sliding mesh 기법을 사용하였다. 해석은 unsteady상태이고 Δt는 프로펠러가 2°회전에 걸리는 시간 (0.

성능/효과

CFD 해석 결과는 모형의 전달동력과 추력감소계수에서 두 고정날개가 서로의 장단점을 가지고 있었고, 실선 성능 추정을 하지 못하여 우월함을 판단할 수 없었다. 모형시험의 경우 실선 성능 추정을 위해 기본적으로 사용하는 ITTC 1978 방법 외에 전류 고정날개에 맞춘 ITTC 1999 방법이 존재하고 이 두 가지 방법으로 실선 성능을 추정하였다.
전달동력을 보면 전류고정날개를 장착하여 얻어진 효율 증가는 프로펠러 회전속도(nM) 감소에 의한 효과가 큰 것을 알 수 있다. 두 전류고정날개를 비교해보면 VPAS가 모형선의 전달동력이 작고 CPAS가 추력감소계수가 낮아 서로 저항과 자항의 성분에서 장단점을 가지고 있는 것을 확인하였다. 자유수면을 고려하지 않았기 때문에 CFD 결과를 이용하여 실선의 성능을 예측할 수 없어 추진성능의 우월함을 비교할 수 없었다.
모형시험 결과를 이용하여 실선의 성능을 추정하였을 때, 회전수가 약 4~6%의 감소하여 다른 요소들과 비교하여 볼 때 가장 큰 영향을 주게 되고 추력이 약간 증가하며 토크의 변화는 크지 않았다. 실선의 전달동력을 기준으로 두 고정날개의 성능을 비교 하였을 때, ITTC 1978 방법으로 해석하였을 때 CPAS가 3.
모형시험의 경우 실선 성능 추정을 위해 기본적으로 사용하는 ITTC 1978 방법 외에 전류 고정날개에 맞춘 ITTC 1999 방법이 존재하고 이 두 가지 방법으로 실선 성능을 추정하였다. 모형시험과 CFD 결과를 비교하기 위해서, 실선으로 확장하지 않은 모형 시험에서의 결과와 CFD 해석 결과를 비교하였고 회전수, 추력, 토크의 값들에서 모두 유사한 패턴으로 변하는 것을 볼 수 있었다.
모형시험 결과를 이용하여 실선의 성능을 추정하였을 때, 회전수가 약 4~6%의 감소하여 다른 요소들과 비교하여 볼 때 가장 큰 영향을 주게 되고 추력이 약간 증가하며 토크의 변화는 크지 않았다. 실선의 전달동력을 기준으로 두 고정날개의 성능을 비교 하였을 때, ITTC 1978 방법으로 해석하였을 때 CPAS가 3.08%, VPAS가 3.15%로 두 값의 차이가 0.07%로 아주 미비한 것으로 보이고 있다. 하지만 ITTC 1999 방법으로 해석하였을 때 CPAS가 5.
아울러 전류고정날개의 우월 성능 비교 시 해석법에 따라 평가되지 않을 수도 있기 때문에 전류고정날개에 맞는 해석법을 이용하여 평가하는 것을 추천한다.
위의 식을 보면 ITTC 1999 방법은 기존의 ITTC 1978 방법에서 모형선의 유효반류 계수의 차이만큼을 더해 주는 것을 확인 할 수 있다. 이는 전류고정날개에 의해 변하게 되는 반류는 포텐셜의 영향이 지배적이기 때문이라고 가정하게 되고, 전류고정날개를 장착한 후 유효반류의 변화량을 실선으로 그대로 가져오게 되기 때문이다.
(1994)가 300K VLCC에 대해 공동수조에서 단독특성시험을 통한 검증한 자료를 바탕으로 결정하였다. 이 논문을 살펴보면 설계속도 주변에서 전후 간격을 0.5R을 기준으로 미세한 간격변화를 주더라도 전달동력의 변화는 거의 없는 것으로 나타났고 고정날개 직경의 경우 1.0D를 기준으로 작거나 커지면 효율이 떨어지는 것으로 나타났다. 또한 간격과 직경의 변화를 매우 크게 가져가게 되면 영향이 미비하거나 저항의 증가와 캐비테이션 발생 및 가속의 측면에서 불이익이 발생 할 가능성이 있기 때문에 다른 변화는 고려하지 않았다.
17%의 비교적 큰 차이를 보이는 것으로 나타나고 있다. 최종적으로 반경별로 피치각을 조절하여 전류고정날개를 설계하는 VPAS가 우수한 것으로 생각된다.
07%로 아주 미비한 것으로 보이고 있다. 하지만 ITTC 1999 방법으로 해석하였을 때 CPAS가 5.96%, VPAS가 8.13%로 2.17%의 비교적 큰 차이를 보이는 것으로 나타나고 있다. 최종적으로 반경별로 피치각을 조절하여 전류고정날개를 설계하는 VPAS가 우수한 것으로 생각된다.

후속연구

CFD 해석 결과를 비교하기 위해 모형시험 해석방법과 동일하게 하는 것이 필요하다. 또한 차후 모형시험 결과와 비교하기 위해서는 필요한 과정이다. 기존의 ITTC 1978 방법을 바탕으로 CFD 해석 상태에 맞게 식을 구성하였다.

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