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문제 정의
- 본 연구에서는 연안어선의 선형설계에 있어서 CFD방법을 적용하여 선형에 대한 저항성능을 고찰하는 것 또한 실용적으로 활용할 수 있다는 가능성을 제시하였다. 대상선이 고속형 어선이라는 특징에도 불구하고CFD계산결과의 오차는 모형시험에 비하여 대략 10% 크게 추정되는 것으로 파악된다.
- 본 연구에서는 전산유체역학을 활용하여 대상선의 저항을 해석하고 선형의 변경을 위한 체계적인 저항성능평가를 수행하여 조파저항의 영향이 적은 우수한 선형을 선정하였다. 기존선에 설치된 구상선수를 제거하고 저항성능을 개선한 선형에서 설계선속 기준으로 약 30%의 유효마력을 감소시킬 수 있다는 것을 보였다.
- 당초 활주형으로 설계된 선형에 유체역학적 고려 없이 구상선수를 설치하게 되면 저항의 급격한 증가로 비효율적인 어선으로 탈바꿈되는 것을 보였다. 이러한 구조변경에 따라 어선의 소요마력 증가를 확인하고, 본 연구에 활용된 대상선이 갖추어야 할 이상적인 선형을 저항성능의 관점에서 새롭게 제안하였다.
가설 설정
- 평균 침하량은 14노트에서는 선체가 전체적으로 가라앉고, 15노트에서는 변화가 거의 없으며, 16노트에서는 오히려 선체가 부상하며 항주한다는 것을 파악할 수 있다. 이는 선체가 설계선속 범위 내에서 불안정한 거동을 한다는 것을 보여주는 것으로, 조선소에서 탑재하는 엔진출력과 최대 선속을 15노트로 가정한다면 바람직한 침하량이라고 할 수 있다.
- 대상선의 항해 시 소요되는 유효마력 감소로 인한 유류비 절감효과를 고찰하였다. 일반적으로 연안어선의 연간 조업일수는 대략 200일이며, 조업대기 시간을 제외하고 항해와 조업을 위하여 주기관을 정상적으로 가동하는 시간을 4시간으로 가정하였다. 본선에 설치된 두산 인프라코어 MD96TI 모델의 320마력 해상용 엔진의 제원표에 나타난 연료소모량은 158 g/ps·h이다.
제안 방법
- 4.99톤급 연안어선의 저항성능을 개선하여 유류를 절감하기 위하여 전산유체역학 CFD계산과 모형시험을 이용하여 선형을 개선하였다. 대상선의 설계 선속을 고려하여 CFD해석을 통해 저항성능이 개선된 선형을 도출하였고, 모형선으로 제작하여 수조시험으로 기존선과 비교하고 성능을 검증하였다.
- 성능개량 대상선으로 선정한 어선의 선형과 추진효율에 대한 초기검토를 수행한 결과, 선미 트랜섬 형상이 지나치게 길고, 추진기로 유입되는 유선의 집중현상으로 인하여 추진효율이 상대적으로 낮은 것으로 추정되었다. 기본설계 단계를 거친 최적선형의 경우 수조 모형시험을 통한 저항계측으로 엔진의 유효마력 계산과 최대선속의 추정이 일반적이나, 본 대상선의 선형은 개선의 여지가 있는 선형에다 높은 선속으로 인해 전산유체역학 (CFD) 해석방법을 적용하였다. 즉 저항성능에 대한 CFD 시뮬레이션을 우선적으로 수행하고 이후 모형시험과 비교하는 것이 효율적이라는 판단을 하였다.
- 99톤급 연안어선의 저항성능을 개선하여 유류를 절감하기 위하여 전산유체역학 CFD계산과 모형시험을 이용하여 선형을 개선하였다. 대상선의 설계 선속을 고려하여 CFD해석을 통해 저항성능이 개선된 선형을 도출하였고, 모형선으로 제작하여 수조시험으로 기존선과 비교하고 성능을 검증하였다. 그 결과, 모형시험에서는 개선된 선형의 저항성능은 당초의 선형보다 유효마력으로 비교하였을 때 약 30%의 효율 증가를 보였다.
- 대상선의 유효마력을 CFD로 추정하기 위하여 전체 저항을 해석하고 특히 조파저항에 영항을 미치는 파형에 대한 해석을 수행하였다. 항해선속이 14, 15, 16노트일 때 선체에 작용하는 압력을 분석하였다.
- 대상선의 항해 시 소요되는 유효마력 감소로 인한 유류비 절감효과를 고찰하였다. 일반적으로 연안어선의 연간 조업일수는 대략 200일이며, 조업대기 시간을 제외하고 항해와 조업을 위하여 주기관을 정상적으로 가동하는 시간을 4시간으로 가정하였다.
- 대상선의 유효마력은 CFD해석에 따른 추정치로 파악할 수 있으며, 기존에 설치된 구상선수로 인하여 전체저항이 증가할 것으로 선형검토 과정에서 예상되었다. 따라서 구상선수를 없애고 활주형 선형으로 변경할 경우의 저항성능을 모형시험을 통해 파악하고 이를 검증하였다. 저항시험의 예인속도는 항해선속을 기준으로 3개의 선속 14, 15, 16노트에 대응하는 속도로 끌어 전체저항과 선수미 트림 변화를 측정하였다.
- 모형선은 선체선도 (lines)를 기본으로 3차원 모델링을 적용하여 축척 (scale) 10.0로 정밀하게 제작하였고,저항계측의 정확도 향상을 위하여 선수부 9½ 위치에 난류발생 촉진장치 (stud)를 일정한 간격으로 설치하였다.
- 선미에 설치되는 방향타 지지대 (shoe-piece)와 방향타 (rudder)는 부가물 저항을 고려하지 않고 저항성능을 추정하고자 포함시키지 않았다. 모형시험은 예인수조에서 수행되었으며, 각종 계측값들은 전산화된 자료취득 장치를 통해 자동으로 얻어진 후 엄밀하게 분석하였다. 수조의 제원은 길이 85 m, 폭 10 m, 수심 3.
- 7 이상의 빠른 선속임에도 임 의로 설치한 구상선수가 과도한 조파저항을 유발시키는것으로 확인되었다. 본 대상선의 선형을 어선법 규정에 적합하게 배수량의 변화를 거의 없게 만들며, 활주형선형으로 변경시켜 저항성능을 향상을 CFD계산과 모형시험을 통해 평가하였다. 선수파의 현저한 감소와 이에 따른 조파저항의 감소는 유효마력 기준으로 평균 29%의 저항성능 향상을 보였다.
- 0×10-4m이고, 이는 y+=60에 해당된다. 본 수치해석을 수행하기 위한 좌표계의 정의는 유동방향을 X축, 폭 방향을 Y축 그리고 수직방향을 Z축으로 하였다. 수치해석에 적용된 경계조건으로 입구영역에서 속도에 대하여 Velocity inlet 조건을 사용하였고, 출구영역은 Pressure outlet 조건을 적용하였다.
- 본 연구에서는 동일한 FRP몰드를 이용하여 4.99톤급자망, 통발, 복합어선으로 건조되는 어선을 대상으로 전산유체역학 (Computational Fluid Dynamics: CFD) 해석 방법과 모형시험을 통해 저항성능을 확인하고 결과를 비교, 분석하였다. 당초 활주형으로 설계된 선형에 유체역학적 고려 없이 구상선수를 설치하게 되면 저항의 급격한 증가로 비효율적인 어선으로 탈바꿈되는 것을 보였다.
- 부가물이 없는 알몸선체의 모형선을 이용하여 4.99톤급 연안어선이 가지는 저항을 design load에서 수조시험을 통해 계측하였다. 모형시험 결과를 바탕으로 실선의 유효마력을 추정하기 위해서 International Towing Tank Conference에서 제시하는 ITTC Powering Performance Prediction Method (ITTC, 2011)의 2차원 외삽법을 사용하였다.
- 선체에 대한 도면자료와 유체정력학적 데이터는 조선소의 협조로 설계사로부터 입수하였다. 수조시험에 필요한 모형선 건조를 위하여 보다 정밀한 선체선도를 만들어 모형선 제작에 활용하였다. 대상선은 경상남도 사천시에 소재한 선경조선소가 제공한 것으로 연간 3~4척 건조되고 있다.
- 본 수치해석을 수행하기 위한 좌표계의 정의는 유동방향을 X축, 폭 방향을 Y축 그리고 수직방향을 Z축으로 하였다. 수치해석에 적용된 경계조건으로 입구영역에서 속도에 대하여 Velocity inlet 조건을 사용하였고, 출구영역은 Pressure outlet 조건을 적용하였다. 수치해석에 사용된 계산영역은 3차원 직육면체를 사용하였다.
- 우선 다양한 형태의 선수형상을 설계하여 CFD해석을 통해 저항성능이 현저하게 개선된 선형을 채택하였다. 선체의 주요치수와 배수량은 기존선과 동일하게 유지하되, 구상선수를 없애고 설계한 선형이므로 침수표면적은 43.
- 따라서 구상선수를 없애고 활주형 선형으로 변경할 경우의 저항성능을 모형시험을 통해 파악하고 이를 검증하였다. 저항시험의 예인속도는 항해선속을 기준으로 3개의 선속 14, 15, 16노트에 대응하는 속도로 끌어 전체저항과 선수미 트림 변화를 측정하였다.
- 대상선의 유효마력을 CFD로 추정하기 위하여 전체 저항을 해석하고 특히 조파저항에 영항을 미치는 파형에 대한 해석을 수행하였다. 항해선속이 14, 15, 16노트일 때 선체에 작용하는 압력을 분석하였다. 전반적으로 선수부에서 압력의 차이가 큰 것으로 나타났으며, 선속이 증가할수록 선수부의 압력이 증가하고, 최대압력도 선수부에서 나타났다.
대상 데이터
- 수조시험에 필요한 모형선 건조를 위하여 보다 정밀한 선체선도를 만들어 모형선 제작에 활용하였다. 대상선은 경상남도 사천시에 소재한 선경조선소가 제공한 것으로 연간 3~4척 건조되고 있다.
- 대상선인 4.99톤 어선을 해석하기 위한 격자수는 약 190만 개를 사용하였고, 벽면에서 수직한 최소격자는 1.0×10-4m이고, 이는 y+=60에 해당된다.
- 본 연구를 위하여 4.99톤급 어선을 대상선으로 선정하였고, 개정된 어선법에 따르는 톤수를 가지도록 설계한 선형이다. 선체에 대한 도면자료와 유체정력학적 데이터는 조선소의 협조로 설계사로부터 입수하였다.
- 99톤급 어선을 대상선으로 선정하였고, 개정된 어선법에 따르는 톤수를 가지도록 설계한 선형이다. 선체에 대한 도면자료와 유체정력학적 데이터는 조선소의 협조로 설계사로부터 입수하였다. 수조시험에 필요한 모형선 건조를 위하여 보다 정밀한 선체선도를 만들어 모형선 제작에 활용하였다.
- 선체의 주요제원은 수선간장 (LBP) 10.85 m, 폭 (B) 2.74 m, 만재흘수 (d) 0.66 m이며, 총톤수 (G/T)는 4.99톤이다. 선체의 제원과 유체정역학적 특성을 Table 1에 나타내었다.
- 모형시험은 예인수조에서 수행되었으며, 각종 계측값들은 전산화된 자료취득 장치를 통해 자동으로 얻어진 후 엄밀하게 분석하였다. 수조의 제원은 길이 85 m, 폭 10 m, 수심 3.5 m이며, 실험대상을 끄는 예인전차는 최고 3.0 m/s의 속도를 낼 수 있다.
- 수치해석에 적용된 경계조건으로 입구영역에서 속도에 대하여 Velocity inlet 조건을 사용하였고, 출구영역은 Pressure outlet 조건을 적용하였다. 수치해석에 사용된 계산영역은 3차원 직육면체를 사용하였다. 유체가 들어오는 입구 영역에서 유체가 빠져나가는 출구영역까지의 거리는-1.
이론/모형
- 대상선의 성능추정을 수치해석으로 접근하기 위한 전산유체역학 방법은 유한체적법 (Ferziger and Peric,2002)의 기반으로 제작된 상용프로그램 (STAR-CD)을 사용하였고, 3차원 비정상상태 비압축성 점성유동상태를 고려한 해석방법이다. 계산 프로그램의 지배방정식은 연속방정식과 RANSE (Reynolds Averaged NavierStokes Equation) 방정식인 식 (1)과 식 (2)로 각각 나타낼 수 있다.
- 99톤급 연안어선이 가지는 저항을 design load에서 수조시험을 통해 계측하였다. 모형시험 결과를 바탕으로 실선의 유효마력을 추정하기 위해서 International Towing Tank Conference에서 제시하는 ITTC Powering Performance Prediction Method (ITTC, 2011)의 2차원 외삽법을 사용하였다. 2차원 외삽법은 W.
성능/효과
- 그 결과, 모형시험에서는 개선된 선형의 저항성능은 당초의 선형보다 유효마력으로 비교하였을 때 약 30%의 효율 증가를 보였다. CFD해석 결과에서는 개선된 선형의 저항성능이 기존선보다 유효마력으로 비교하였을 때 약 40%의 효율 증가를 보였다. 이는 선수 부분의 폭을 약간 줄이고 선수 길이를 증가시킴으로써 고속형으로 활주에 적합한 선형으로 설계함으로 인해 마찰 면적이 줄어들었고, 적합한 항해 자세를 가지게 되므로 효율이 증가한 것으로 판단된다.
- 10에 나타내었다. Fig. 10을 분석한 결과, 개선 전 선형의 CFD프로그램으로 계산된 선수파의 최대높이는 1.72미터이지만, 실제 모형시험에서 관찰된 파고는 1.8미터의 결과를 보여주었다. 개선 후 선형에서는 CFD결과는 1.
- 8미터의 결과를 보여주었다. 개선 후 선형에서는 CFD결과는 1.21미터이며, 연속되는 선수파의 끝단을 실제로 관찰한 파고는 약 1.3미터였다.
- 대상선의 설계 선속을 고려하여 CFD해석을 통해 저항성능이 개선된 선형을 도출하였고, 모형선으로 제작하여 수조시험으로 기존선과 비교하고 성능을 검증하였다. 그 결과, 모형시험에서는 개선된 선형의 저항성능은 당초의 선형보다 유효마력으로 비교하였을 때 약 30%의 효율 증가를 보였다. CFD해석 결과에서는 개선된 선형의 저항성능이 기존선보다 유효마력으로 비교하였을 때 약 40%의 효율 증가를 보였다.
- 본 연구에서는 전산유체역학을 활용하여 대상선의 저항을 해석하고 선형의 변경을 위한 체계적인 저항성능평가를 수행하여 조파저항의 영향이 적은 우수한 선형을 선정하였다. 기존선에 설치된 구상선수를 제거하고 저항성능을 개선한 선형에서 설계선속 기준으로 약 30%의 유효마력을 감소시킬 수 있다는 것을 보였다. 이를 통해 어선의 항해에 소요되는 유효마력의 감소로 극단적인 경우에는 면세유 가격을 1리터당 670원으로 계산하였을 때 연간 707만원의 유류절감을 기대할 수 있다.
- 본 연구에서 대상선으로 선정한 당초의 선형은 조선소에서 해상조건이 좋지 않을 경우의 항해 시 예비부력 확보를 위해 자체적으로 선수부를 부분적으로 변경하여 구상선수를 설치한 선형이라는 특징이 있다. 기존선의 성능은 선형검토과정에서 확인할 수 있었던 바와 같이 선속 15노트, Froude수 0.7 이상의 빠른 선속임에도 임 의로 설치한 구상선수가 과도한 조파저항을 유발시키는것으로 확인되었다. 본 대상선의 선형을 어선법 규정에 적합하게 배수량의 변화를 거의 없게 만들며, 활주형선형으로 변경시켜 저항성능을 향상을 CFD계산과 모형시험을 통해 평가하였다.
- 대상선의 유효마력은 CFD해석에 따른 추정치로 파악할 수 있으며, 기존에 설치된 구상선수로 인하여 전체저항이 증가할 것으로 선형검토 과정에서 예상되었다. 따라서 구상선수를 없애고 활주형 선형으로 변경할 경우의 저항성능을 모형시험을 통해 파악하고 이를 검증하였다.
- 이는 전체저항에서 차지하는 조파저항이 급속히 증가한다는 것을 의미한다. 더불어 선미트림이 나타날 것으로 예측할 수 있으며, 기존선과 개선된 선형 모두동일한 현상을 보인다는 것이 실험에서도 확인되었다. Table 5에는 정지상태의 선체를 기준으로 항해 시 나타나는 선체의 상하운동을 통해 트림 (trim) 변화를 계측하였고, 선체의 침하량 (sinkage)도 함께 나타내었다.
- 다만, 전체저항의 관점에서 볼 때 실험에서 얻은 측정치로 저항을 해석하는 것이 정확도가 높으므로 CFD결과보다 실험결과를 좀 더 신뢰할 수 있다. 본 모형시험에서 관찰된 바에 따르면, 기존선의 경우 항해선속에서 구상선수와 선수선형의 부조화로 인하여 선수파가 과도하게 발생하고 이것이 저항에 부정적으로 영향을 끼친다는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 선수파는 10노트 이하의 저속구간에서도 발생하며 저항을 증가시키는 원인으로 작용한다.
- 선체의 제원과 유체정역학적 특성을 Table 1에 나타내었다. 본 어선의 설계 선속은 16노트로 파악되었으나, 해상 시운전을 통한 정확한 결과가 없이 설계사에서 추정한 것으로 확인되었다. 본선의 주기관으로 두산인프라코어에서 제작한 출력 320마력의 해상용 디젤엔진과, 동이공업의 감속기 (감속비 2.
- 어선의 선형설계에 있어서 초기에 Froude수를 확인하여 고속형 어선인 경우에는 조파저항의 영향이 크므로 조업안전에 지장이 없는 범위에서 조파저항을 저감시키는 설계와 개조를 추진해야 한다. 본 연구를 통해 고속형 어선의 경우 저항성능 평가를 위한 CFD계산과 해석방법의 정확도는 모형시험에 비해 상대적으로 떨어지지만, 선형변경과 개조를 위한 체계적인 계산에 있어서 CFD해석의 유용함을 입증하였다.
- 본 어선의 설계 선속은 16노트로 파악되었으나, 해상 시운전을 통한 정확한 결과가 없이 설계사에서 추정한 것으로 확인되었다. 본선의 주기관으로 두산인프라코어에서 제작한 출력 320마력의 해상용 디젤엔진과, 동이공업의 감속기 (감속비 2.57:1)를 설치하는 것으로 파악되었다. 프로펠러의 제원은 날개수 (Z) 3, 직경(D) 0.
- 39 m이다. 선속 15노트 기준으로 저항시험 결과로부터 추정된 유효마력은 147 kW로 나타났으며, 10%의 실해상여유 (sea margin)를 고려한다면 유효마력 132 kW이다.
- 6에 나타낸 선체를 따라 흐르는 유선을 살펴보면 구상선수로 인하여 유선의 흐름이 급격히 내려가는 것을 확인할 수 있다. 선속이 증가할수록 구상선수 근처의 압력 차이와 트림으로 인하여 구상선수 상부 부근으로의 흐름은 다소 감소된 것을 확인할 수 있다.
- 본 대상선의 선형을 어선법 규정에 적합하게 배수량의 변화를 거의 없게 만들며, 활주형선형으로 변경시켜 저항성능을 향상을 CFD계산과 모형시험을 통해 평가하였다. 선수파의 현저한 감소와 이에 따른 조파저항의 감소는 유효마력 기준으로 평균 29%의 저항성능 향상을 보였다. 이러한 결과를 바탕으로 조선소에는 선주들의 유류비 절감을 위해서는 구상선수의 제거와 부분적인 선형 변경을 권유하였다.
- 성능개량 대상선으로 선정한 어선의 선형과 추진효율에 대한 초기검토를 수행한 결과, 선미 트랜섬 형상이 지나치게 길고, 추진기로 유입되는 유선의 집중현상으로 인하여 추진효율이 상대적으로 낮은 것으로 추정되었다. 기본설계 단계를 거친 최적선형의 경우 수조 모형시험을 통한 저항계측으로 엔진의 유효마력 계산과 최대선속의 추정이 일반적이나, 본 대상선의 선형은 개선의 여지가 있는 선형에다 높은 선속으로 인해 전산유체역학 (CFD) 해석방법을 적용하였다.
- CFD해석 결과에서는 개선된 선형의 저항성능이 기존선보다 유효마력으로 비교하였을 때 약 40%의 효율 증가를 보였다. 이는 선수 부분의 폭을 약간 줄이고 선수 길이를 증가시킴으로써 고속형으로 활주에 적합한 선형으로 설계함으로 인해 마찰 면적이 줄어들었고, 적합한 항해 자세를 가지게 되므로 효율이 증가한 것으로 판단된다.
- 저항시험 결과를 통한 유효마력 추정 결과, 최적화선형의 저항 성능은 기존선에 비해 평균 29% 개선된 것을 확인하였다. 이는 선수부에서 발생하는 과도한 선수파를 줄이기 위해 구상선수를 제거하여 조파저항이 감소한 것을 나타낸다.
- 항해선속이 14, 15, 16노트일 때 선체에 작용하는 압력을 분석하였다. 전반적으로 선수부에서 압력의 차이가 큰 것으로 나타났으며, 선속이 증가할수록 선수부의 압력이 증가하고, 최대압력도 선수부에서 나타났다. 항해선속 15노트에서 선체표면의 압력분포를 N/m2의 단위로 Fig.
- 이는 선수부에서 발생하는 과도한 선수파를 줄이기 위해 구상선수를 제거하여 조파저항이 감소한 것을 나타낸다. 즉 선수 부의 수선 각을 줄여 어선에 보다 적합한 항해 자세를 만들어 주어 저항 성능을 개선시킬 수 있음을 보여주고 있다.
- 기본설계 단계를 거친 최적선형의 경우 수조 모형시험을 통한 저항계측으로 엔진의 유효마력 계산과 최대선속의 추정이 일반적이나, 본 대상선의 선형은 개선의 여지가 있는 선형에다 높은 선속으로 인해 전산유체역학 (CFD) 해석방법을 적용하였다. 즉 저항성능에 대한 CFD 시뮬레이션을 우선적으로 수행하고 이후 모형시험과 비교하는 것이 효율적이라는 판단을 하였다.
- 특히 대상선의 CFD계산과 모형시험에서 공통적으로 나타난 과도한 선수파는 항해속도가 높아질수록 저항성능에 부정적인 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 기상여건이 좋지 않을 때 조업안정성을 담보하기 위한 예비부력 증대의 필요성이 있다면 구상선수의 형태를 더욱 날씬하게 만들고 수선면의 선체형상을 유선형으로 설계하는 것도 대안이 될 수 있을 것으로 판단된다.
- Table 5에서 확인할 수 있는 것처럼 모든 선속에서 선미 트림이 발생한다는 것을 알 수 있다. 평균 침하량은 14노트에서는 선체가 전체적으로 가라앉고, 15노트에서는 변화가 거의 없으며, 16노트에서는 오히려 선체가 부상하며 항주한다는 것을 파악할 수 있다. 이는 선체가 설계선속 범위 내에서 불안정한 거동을 한다는 것을 보여주는 것으로, 조선소에서 탑재하는 엔진출력과 최대 선속을 15노트로 가정한다면 바람직한 침하량이라고 할 수 있다.
후속연구
- 특히 대상선의 CFD계산과 모형시험에서 공통적으로 나타난 과도한 선수파는 항해속도가 높아질수록 저항성능에 부정적인 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 기상여건이 좋지 않을 때 조업안정성을 담보하기 위한 예비부력 증대의 필요성이 있다면 구상선수의 형태를 더욱 날씬하게 만들고 수선면의 선체형상을 유선형으로 설계하는 것도 대안이 될 수 있을 것으로 판단된다.
- 향후 추진기 개선을 통한 선체의 항해성능 향상을 위해 체계적인 연구가 필요하며, 대상선의 선주 또는 조선소의 협조를 받아 선형개조와 해상 시운전을 수행하여 결과를 검증할 필요성이 있다. 본 연구로 확인된 저항성능 개선효과를 확산시키기 위하여 연구결과를 정리하여 선형을 제공해 준 조선소에 기술을 보급할 예정이다.
- 향후 추진기 개선을 통한 선체의 항해성능 향상을 위해 체계적인 연구가 필요하며, 대상선의 선주 또는 조선소의 협조를 받아 선형개조와 해상 시운전을 수행하여 결과를 검증할 필요성이 있다. 본 연구로 확인된 저항성능 개선효과를 확산시키기 위하여 연구결과를 정리하여 선형을 제공해 준 조선소에 기술을 보급할 예정이다.
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