[논문]쌍축 추진 선박의 단독 타 고장 상태에서의 조종성능에 대한 수치적 연구

유영준; 김현준

doi:10.3744/snak.2017.54.2.161

문제 정의

2, 3, 4를 살펴보면 사용된 수학모형으로 계산된 결과가 자유항주 모형시험 결과와 유사함을 확인할 수 있는데, 35° 선회시험 시 선박의 궤적, 10°/10° 지그재그시험, 20°/20° 지그재그시험 시 첫 번째, 두 번째 과도작동각(overshoot angle)의 크기와 시계열의 변화 양상이 거의 동일하게 나타났다. 따라서 본 연구에서 대상선박의 조종운동 시뮬레이션을 위해 사용된 정상상태 수학모형의 타당성을 검증하였다.
본 연구는 단독 타 고장 상태에서 쌍축 추진 컨테이너선의 조종성능을 수치적으로 계산하고, 그 특성을 분석하고자 하였다.이를 위해 기존의 수학모형을 기반으로 단독 타 고장상태에서 선박의 조종운동을 시뮬레이션을 하였다.
본 연구는 쌍축 추진 선박의 고장 모드 중에 조타장치 고장이 조종운동에 미치는 영향을 분석하는 연구로써, 단독 타 고장(single rudder failure) 상태에서 선박의 조종성능을 수치적으로 계산하고, 그 특성을 밝히는 것을 목표로 하였다. 먼저, 선주들이 쌍축 추진 선박으로 선호하는 대형 컨테이너선을 대상으로 연구를 수행하였다.
물론 이러한 연구는 쌍축 추진 선박의 조종특성 관점에서 고장 모드를 분석한 것은 아니었지만, 어떤 고장모드에 대한 검토가 필요할지 연구의 단초를 제공하고 있다. 이를 참고하여 조타장치 고장 상태에서의 조종운동을 시뮬레이션 하는 방안을 연구하고자 하였다.

가설 설정

RPM은 추진기의 분당회전수를 가리키며, 좌/우현에 설치된 추진기는 동일한 회전수를갖고 회전한다. 단독 타 고장상태만을 가정하였기 때문에, 하나의 타 고장에도 불구하고 두 개의 추진기 모두 동일한 회전수로 정상 작동하는 상태를 가정하였다.
어떠한 고장이나 문제가 발생하는 경우에도 조타기의 고장을 방지할 수 있도록 하겠다는 것인데, 그럼에도 불구하고 선박 운항 중에 조타장치고장으로 인한 사고는 발생하고 있다. 본 연구에서는 조타장치고장을 가정하기 위하여 고장난 타가 -35˚~35˚ 사이에 임의의 위치에서 고정된 상태를 가정하였다. 단독 타 고장 상태에서 IMO 표준 조종시험을 시뮬레이션 하는 과정은 두 개의 추진기가 정상 작동하는 조건에서 기존 표준 조종시험과 동일하지만, 하나의 타가 임의의 각도에 일정하게 고정된 상태에서 테스트가 시작한다는 점만 다르게 계산되었다.
식 (4)에서, t은 추력감소계수(thrust reduction coefficient), n_PORT, n_STBD는 각각의 Revolution Per Second (RPS), K_T는 추력계수(thrust coefficient)를 의미한다. 여기서 K_T는 J_{P, PORT}, J_{P, STBD}로 표기된 전진비만의 함수로 가정하였다. y_P, y_R는 추진기와 타가 선박의 중심축으로부터 횡 방향으로 떨어진 거리를 각각 가리킨다.

제안 방법

선체 저항 및 추진 관련 계수는 대우조선해양에서 표준선 개발을 위하여 수행했던 컨테이너선의 모형시험 결과를 이용하였다. 경험식과 모형시험 결과를 기반으로 수행된 정상상태 시뮬레이션의 타당성을 검증하기 위하여, 시뮬레이션 결과와 자유항주시험을 통해 획득한 35˚ 선회시험, 10˚/10˚ 지그재그시험, 20˚/20˚ 지그재그시험 결과를 비교하였다. 정상상태에 대해서 검증된 수학모형을 이용하여 단독 타 고장 상태에서 IMO 표준 조종시험을 추가적으로 시뮬레이션 하였다.
앞의 단독 타 고장 상태에서 수행된 10°/10° 지그재그시험,20°/20° 지그재그시험 시뮬레이션을 통해, 단독 타 고장 상태가변침성능에 직접적인 영향을 주고 있음을 확인할 수 있었다. 단독 타 고장상태가 변침성능에 미치는 영향을 보다 구체적으로 확인하기 위하여, 최대 사용 타각이 n˚일 때 고정된 각도를 -35˚에서 1˚씩 증가시켜가면서 n˚/n˚ 지그재그시험을 계산하였다. 그 결과 최대 사용 타각에 따라 조타가 가능한 단독 타 고장상태의 최대 허용 타 고장 각도를 Fig.
앞의 단독 타 고장 상태에서 초기선회시험, 35° 선회시험 결과를 통해, 단독 타 고장 상태가 선박의 선회성능에 직접적인 영향을 주고 있음을 확인할 수 있었다. 단독 타 고장상태가 선회성능에 미치는 영향을 보다 구체적으로 확인하기 위하여, 타가 고정된 각도를 -35˚에서 35˚까지 1˚씩 증가시켜가면서 선회전진거리, 선회가로이동거리, 선회지름의 변화를 확인하였다. Fig.
단독 타 고장상태에서 35˚/35˚ 지그재그시험과 35° 선회시험을 추가적으로 시뮬레이션하여, 단독 타 고장상태에서 나타난 대상선박의 선회성능, 변침성능의 특징을 분석하였다.
이를 위해 기존의 수학모형을 기반으로 단독 타 고장상태에서 선박의 조종운동을 시뮬레이션을 하였다. 대상 선박의 유체력미계수와 타의 양력계수를 경험식을 통해 추정하였고, 추진기 추력계수 및 선체의 저항 계수는 모형시험 결과로부터 획득하였다. 정상운항 상태에서 IMO 표준 조종시험을 시뮬레이션하고 자유항주모형시험 결과와 비교함으로써 정상상태에서 수학모형의 타당성을 검증하였으며, 검증된 수학모형을 이용하여 단독 타 고장 상태에서 IMO 표준 조종시험을 포함한 조종운동을 시뮬레이션 하였다.
본 연구는 쌍축 추진 선박의 고장 모드 중에 조타장치 고장이 조종운동에 미치는 영향을 분석하는 연구로써, 단독 타 고장(single rudder failure) 상태에서 선박의 조종성능을 수치적으로 계산하고, 그 특성을 밝히는 것을 목표로 하였다. 먼저, 선주들이 쌍축 추진 선박으로 선호하는 대형 컨테이너선을 대상으로 연구를 수행하였다. 대상 선박의 조종운동을 시뮬레이션하는데 필요한 유체력미계수와 타 관련 계수는 경험식을 이용하여 추정하였다 (Kijima, et al.
모두 세 가지 시험을 모사하였으며, 각각 35° 선회시험, 10°/10° 지그재그시험, 20°/20° 지그재그시험이다.
단독 타 고장 상태에서 IMO 표준 조종시험을 시뮬레이션 하는 과정은 두 개의 추진기가 정상 작동하는 조건에서 기존 표준 조종시험과 동일하지만, 하나의 타가 임의의 각도에 일정하게 고정된 상태에서 테스트가 시작한다는 점만 다르게 계산되었다. 본 논문에서 가정한 수학모형의 특성상 좌현과 우현에 설치된 타의 각도가 같을 경우 각각의 타가 조종운동에 미치는 영향이 대칭하게 나타나기 때문에, 좌현방향의 타가 고정되는 경우를 기준으로 모든 시뮬레이션을 수행하였다. 즉, 좌현 방향의 타가 고정된 조건에서 초기선회시험,35˚ 선회시험, 10˚/10˚ 지그재그시험, 20˚/20˚ 지그재그시험을 시뮬레이션 하였고, 정상운항 상태의 계산 결과와 비교하였다.
, 1990; Fujii & Tsuda, 1961; 1962). 선체 저항 및 추진 관련 계수는 대우조선해양에서 표준선 개발을 위하여 수행했던 컨테이너선의 모형시험 결과를 이용하였다. 경험식과 모형시험 결과를 기반으로 수행된 정상상태 시뮬레이션의 타당성을 검증하기 위하여, 시뮬레이션 결과와 자유항주시험을 통해 획득한 35˚ 선회시험, 10˚/10˚ 지그재그시험, 20˚/20˚ 지그재그시험 결과를 비교하였다.
본 연구는 단독 타 고장 상태에서 쌍축 추진 컨테이너선의 조종성능을 수치적으로 계산하고, 그 특성을 분석하고자 하였다.이를 위해 기존의 수학모형을 기반으로 단독 타 고장상태에서 선박의 조종운동을 시뮬레이션을 하였다. 대상 선박의 유체력미계수와 타의 양력계수를 경험식을 통해 추정하였고, 추진기 추력계수 및 선체의 저항 계수는 모형시험 결과로부터 획득하였다.
본 연구에서 단독 타 고장 상태에서 선박의 조종성능을 확인하기 전에, 사용된 수학모형을 통한 정상상태에서 조종운동의 시뮬레이션 결과의 타당성을 검증할 필요가 있었다. 이를 위해 정상운항 상태에서 대상 선박의 IMO 표준 조종시험을 시뮬레이션 하였고, 계산된 결과와 자유항주 모형시험 결과를 비교하였다.모두 세 가지 시험을 모사하였으며, 각각 35° 선회시험, 10°/10° 지그재그시험, 20°/20° 지그재그시험이다.
경험식과 모형시험 결과를 기반으로 수행된 정상상태 시뮬레이션의 타당성을 검증하기 위하여, 시뮬레이션 결과와 자유항주시험을 통해 획득한 35˚ 선회시험, 10˚/10˚ 지그재그시험, 20˚/20˚ 지그재그시험 결과를 비교하였다. 정상상태에 대해서 검증된 수학모형을 이용하여 단독 타 고장 상태에서 IMO 표준 조종시험을 추가적으로 시뮬레이션 하였다. 결과 분석과정에서 단독 타 고장 상태에서 나타난 조종운동의 특성이 선회성능, 변침성능과 연관되어 있음을 유추할 수 있었다.
대상 선박의 유체력미계수와 타의 양력계수를 경험식을 통해 추정하였고, 추진기 추력계수 및 선체의 저항 계수는 모형시험 결과로부터 획득하였다. 정상운항 상태에서 IMO 표준 조종시험을 시뮬레이션하고 자유항주모형시험 결과와 비교함으로써 정상상태에서 수학모형의 타당성을 검증하였으며, 검증된 수학모형을 이용하여 단독 타 고장 상태에서 IMO 표준 조종시험을 포함한 조종운동을 시뮬레이션 하였다. 본 연구를 통해 다음과 같은 두 가지 결론을 얻을 수 있었다.
본 논문에서 가정한 수학모형의 특성상 좌현과 우현에 설치된 타의 각도가 같을 경우 각각의 타가 조종운동에 미치는 영향이 대칭하게 나타나기 때문에, 좌현방향의 타가 고정되는 경우를 기준으로 모든 시뮬레이션을 수행하였다. 즉, 좌현 방향의 타가 고정된 조건에서 초기선회시험,35˚ 선회시험, 10˚/10˚ 지그재그시험, 20˚/20˚ 지그재그시험을 시뮬레이션 하였고, 정상운항 상태의 계산 결과와 비교하였다.
γ는 정류계수를, l_R는 Lever의 길이를 의미하는데, 통상 2_xR이라고 가정한다. 지금까지 설명한 수학모형을 이용하여 쌍축 추진 컨테이너선의 조종운동을 시뮬레이션 하고자 하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 쌍축 추진기를 갖는 대형 컨테이너선을 대상으로 연구를 수행하였다. Table 1에서는 대상 선박의 선체, 추진기, 타의 주요 제원을 보여주고 있다.

이론/모형

식 (3)은 선체에 작용하는 동유체력을 정리한 것이다. 각 유체력미계수는 경험식을 이용하여 추정하였다 (Kijima, et al.,1990). 식 (4)는 추진기가 발생시키는 추력을, 식 (5)는 타가 발생시키는 타력을 추정하는 식을 보여주고 있다.
대상 선박의 조종운동을 시뮬레이션하는데 필요한 유체력미계수와 타 관련 계수는 경험식을 이용하여 추정하였다 (Kijima, et al., 1990; Fujii & Tsuda, 1961; 1962).

성능/효과

2, 3, 4를 살펴보면 사용된 수학모형으로 계산된 결과가 자유항주 모형시험 결과와 유사함을 확인할 수 있는데, 35° 선회시험 시 선박의 궤적, 10°/10° 지그재그시험, 20°/20° 지그재그시험 시 첫 번째, 두 번째 과도작동각(overshoot angle)의 크기와 시계열의 변화 양상이 거의 동일하게 나타났다.
정상상태에 대해서 검증된 수학모형을 이용하여 단독 타 고장 상태에서 IMO 표준 조종시험을 추가적으로 시뮬레이션 하였다. 결과 분석과정에서 단독 타 고장 상태에서 나타난 조종운동의 특성이 선회성능, 변침성능과 연관되어 있음을 유추할 수 있었다. 단독 타 고장상태에서 35˚/35˚ 지그재그시험과 35° 선회시험을 추가적으로 시뮬레이션하여, 단독 타 고장상태에서 나타난 대상선박의 선회성능, 변침성능의 특징을 분석하였다.
마찬가지로 -5˚로 고정된 타를 갖는 선박의 좌현 방향의 초기진출거리와 5˚로 고정된 타를 갖는 선박의 우현 방향의 초기진출거리도 거의 유사하게 나타난다. 고정된 타의 각도가 -5˚에서 +5˚로 증가함에 따라 좌현 방향의 초기진출거리는 증가하는 경향을, 우현 방향의 초기진출거리는 감소하는 경향을 보여주고 있다. 또한 고장 난 타가 중립타각인 0˚에 고정되었을 경우에는 좌현과 우현방향의 선회 결과가 정상상태의 결과에 비해 각각 42%, 41% 증가된 초기진출거리를 갖는 것으로 추정되었다.
첫째, 단독 타 고장 상태가 대상선박의 선회성능, 변침성능에 직접적인 영향을 주고 있음을 알 수 있었다. 고정된 타의 방향과 크기에 따라 선회 궤적, 첫 번째, 두 번째 과도작동각과 각각의 정점에 도달하는 시간에 영향을 주고 있음을 확인하였다. 또한 고정되는 타각의 크기가 커질수록 선회 시 선박의 궤적이 전진방향으로 편향되는 특징도 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 조타장치고장을 가정하기 위하여 고장난 타가 -35˚~35˚ 사이에 임의의 위치에서 고정된 상태를 가정하였다. 단독 타 고장 상태에서 IMO 표준 조종시험을 시뮬레이션 하는 과정은 두 개의 추진기가 정상 작동하는 조건에서 기존 표준 조종시험과 동일하지만, 하나의 타가 임의의 각도에 일정하게 고정된 상태에서 테스트가 시작한다는 점만 다르게 계산되었다. 본 논문에서 가정한 수학모형의 특성상 좌현과 우현에 설치된 타의 각도가 같을 경우 각각의 타가 조종운동에 미치는 영향이 대칭하게 나타나기 때문에, 좌현방향의 타가 고정되는 경우를 기준으로 모든 시뮬레이션을 수행하였다.
둘째, 대상 선박의경우 고정된 타가 절대값 31° 이하에서 고정되는 경우에만 좌,우현으로의 선회와 지그재그 조종운동이 가능함을 알 수 있었다.
고정된 타의 각도가 -5˚에서 +5˚로 증가함에 따라 좌현 방향의 초기진출거리는 증가하는 경향을, 우현 방향의 초기진출거리는 감소하는 경향을 보여주고 있다. 또한 고장 난 타가 중립타각인 0˚에 고정되었을 경우에는 좌현과 우현방향의 선회 결과가 정상상태의 결과에 비해 각각 42%, 41% 증가된 초기진출거리를 갖는 것으로 추정되었다.
고정된 타의 방향과 크기에 따라 선회 궤적, 첫 번째, 두 번째 과도작동각과 각각의 정점에 도달하는 시간에 영향을 주고 있음을 확인하였다. 또한 고정되는 타각의 크기가 커질수록 선회 시 선박의 궤적이 전진방향으로 편향되는 특징도 확인할 수 있었다. 둘째, 대상 선박의경우 고정된 타가 절대값 31° 이하에서 고정되는 경우에만 좌,우현으로의 선회와 지그재그 조종운동이 가능함을 알 수 있었다.
따라서 단독 타 고장상태에서 타 고정 각도가 커질수록 전진방향으로의 궤적이 더 편향되었음을 알 수 있다. 또한 좌현 방향의타가 고정되는 본 연구의 계산 조건에서는 좌현방향의 선회결과에서 더 뚜렷하게 편향성이 나타남을 알 수 있다. Figs.
앞의 단독 타 고장 상태에서 수행된 10°/10° 지그재그시험,20°/20° 지그재그시험 시뮬레이션을 통해, 단독 타 고장 상태가변침성능에 직접적인 영향을 주고 있음을 확인할 수 있었다.
앞의 단독 타 고장 상태에서 초기선회시험, 35° 선회시험 결과를 통해, 단독 타 고장 상태가 선박의 선회성능에 직접적인 영향을 주고 있음을 확인할 수 있었다.
본 연구를 통해 다음과 같은 두 가지 결론을 얻을 수 있었다. 첫째, 단독 타 고장 상태가 대상선박의 선회성능, 변침성능에 직접적인 영향을 주고 있음을 알 수 있었다. 고정된 타의 방향과 크기에 따라 선회 궤적, 첫 번째, 두 번째 과도작동각과 각각의 정점에 도달하는 시간에 영향을 주고 있음을 확인하였다.

후속연구

본 연구에서 단독 타 고장 상태에서 선박의 조종성능을 확인하기 전에, 사용된 수학모형을 통한 정상상태에서 조종운동의 시뮬레이션 결과의 타당성을 검증할 필요가 있었다. 이를 위해 정상운항 상태에서 대상 선박의 IMO 표준 조종시험을 시뮬레이션 하였고, 계산된 결과와 자유항주 모형시험 결과를 비교하였다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	선박의 조종성능은 어떻게 평가하는가?	일반적으로 선박의 조종성능 평가는 국제해사기구(IMO) MSC.137(76)에서 제시하고 있는 규정 (IMO, 2002)을 따라 수행되는데, 설계속도에서의 초기선회시험(initial turning test), 35˚선회시험(Turning test), 10˚/10˚ 지그재그시험(zigzag test), 20˚/20˚ 지그재그시험을 수행하여 평가된 시험값과 IMO 규정을 비교함으로써 설계된 선박의 조종성능을 평가한다. 단축과 쌍축 추진기를 갖는 컨테이너선의 조종성능을 모형시험을 통해 평가하고, 그 특징을 밝히는 연구가 수행된 바 있다 (Kim, et al.
	쌍축(twin-screw) 추진 선박의 특징은?	쌍축(twin-screw) 추진 선박은 조종성능이 단축(single-screw) 추진 선박에 비해 우수하여, 운항 안전성 측면에서 보다 안전한 항해가 가능하다고 알려져 있다. 또한 Fuel Oil Consumption(FOC) 측면에서 경제적이기 때문에 건조 비용보다는 운항 안전성과 Operating expenses(OPEX) 절감을 중요시하는 선주들이 선호하고 있다.
	어떠한 선주들이 쌍축(twin-screw) 추진 선박을 선호하는가?	쌍축(twin-screw) 추진 선박은 조종성능이 단축(single-screw) 추진 선박에 비해 우수하여, 운항 안전성 측면에서 보다 안전한 항해가 가능하다고 알려져 있다. 또한 Fuel Oil Consumption(FOC) 측면에서 경제적이기 때문에 건조 비용보다는 운항 안전성과 Operating expenses(OPEX) 절감을 중요시하는 선주들이 선호하고 있다. 따라서 대형 컨테이너선(container ship)과 LNG선(Liquefied natural gas carrier(LNGC))을 중심으로 쌍축 추진선박이 건조되고 있다.

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