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문제 정의
- 개선 선형에 대한 모형시험은 설계 흘수와 발라스트 흘수에서 저항시험과 자항시험을 통해 저항추진성능을 평가하고자 하였다. Fig.
- 본 연구에서는 일반해역 운항용 PSV 개발을 위한 설계 기본 계획을 수립하여 PSV 선박설계의 중요한 기본 인자들을 정립하고 이에 따른 개념설계를 수행하는 과정을 보인다. 개념설계는 PSV의 기본적인 임무로 여겨지는 물자 및 인원 수송에 초점을 맞추고 해상작업에 용의한 갑판공간과 지원 장비를 갖추도록 일반배치를 고려해 설계하는 것이다.
- 우선 PSV 선박에 대한 개념설계와 기본설계를 통해 선형개발 단계에서 고려되어야 하는 여러 가지 요인들 중 작업, 운송, 및주요임무 등을 정리하여 설계에 반영함으로써 중소조선소의 선형설계 능력 향상에 기여하고자 하였다.
제안 방법
- 개념설계는 PSV의 기본적인 임무로 여겨지는 물자 및 인원 수송에 초점을 맞추고 해상작업에 용의한 갑판공간과 지원 장비를 갖추도록 일반배치를 고려해 설계하는 것이다. PSV의 운용개념을 정립하기 위해 해외 실적선 사례를 조사한 후 시스템을 분석하고 운용개념을 파악하여 설계 기본계획을 수립하였다. 특히 본 연구에서는 선박개발의 시발점이 되는 설계 기본계획과 개념설계를 통하여 기본설계를 진행하는 과정을 보인다.
- 구조설계는 각 구역의 구조강도와 화물창의 작업성 및 경제성을 고려하여 Cement/Mud 화물창을 Corrugated 형의 선체구조 일체형으로 설계하였고 Cement 화물창 하부는 경사형 구조를 채택하여 하역이 용이하도록 설계하였으며, 중앙횡단면도는 Fig.2 에 보인다.
- 그 다음은 세 가지 선형에 대한 수치계산을 통해 우열을 비교 하여 최종선형을 결정하는 과정인데, 선미부 형상은 동일한 선형을 대상으로 하였고 WAVIS ver1.3의 Rankine method를 이용한 조파저항 계산을 수행하였다. 여기서 선체표면 격자는 1,922개의 패널로 구성하였고 자유수면 격자는 1,596개로 구성하였으며, 계산 선속은 14 노트로 Froude 수는 0.
- 우선 갑판 하부에 선수로부터 선수창, 기관실, 화물창, bow thruster room, 화물 펌프실, 연료유창, chemical tank, 평형수 탱크, 청수창, 추진기실 등을 배치하였고, 갑판 상부는 선수부에 거주구 및 조타실을 배치하였다. 그리고 선미부 갑판면적을 최대한 확보하여 파이프, 컨테이너 등을 적재할 수 있도록 하였다. 갑판 하부의 cement tank는 corrugated형의 선체구조 일체형으로 하고 chemical tank는 선체구조 일체형에 IBC code를 만족할 수 있도록 주위에 평형수 탱크로 배치하였다.
- 이 초기 선형의 저항추진 성능 평가 결과를 바탕으로 문제점을 분석하고 개선점을 찾아서 세 척의 후보 개선 선형을 설계하였고, 이들에 대한 조파 저항계산을 통하여 최종 선수 선형을 선정하였으며, 선미는 잉여 저항을 줄일 수 있도록 개선을 하였다. 그리고 추진시스템으로는 현재 생산되고 있는 Azimuth 추진시스템 사양을 고려하여 프로 펠러 직경이 작지만 추진효율이 불리하지 않도록 덕트가 있는 Azimuth 추진시스템을 적용하였다.
- 특히 본 연구에서는 선박개발의 시발점이 되는 설계 기본계획과 개념설계를 통하여 기본설계를 진행하는 과정을 보인다. 그리고 해외에서 운용되고 있는 실적선 검토를 통하여 두 척의 후보 선형을 도출하였고, 이들에 대한 조파저항계산을 통하여 초기 선형을 선정하였으며, 모형시험을 통하여 저항추진성능을 평가하였다. 이 초기 선형의 저항추진 성능 평가 결과를 바탕으로 문제점을 분석하고 개선점을 찾아서 세 척의 후보 개선 선형을 설계하였고, 이들에 대한 조파 저항계산을 통하여 최종 선수 선형을 선정하였으며, 선미는 잉여 저항을 줄일 수 있도록 개선을 하였다.
- 또한 선수벌브는 배의 길이를 증가시키고 선수 Cp-curve를 완만하게 함으로써 조파저항과 쇄파저항을 감소시키고 내항성도 개선시킬 수 있도록 하였다. F1 선형은 중간 벌브형으로, F2 선형은 높은 벌브형으로 각각 설계하였다.
- 모형선에 쌍축의 Azimuth thruster 축과 hub를 부착하여 부가 물로 간주하여 저항시험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 PSV의 설계 기본계획과 개념설계를 통하여 기본설계를 진행하였다. 초기 설계 검토를 통하여 초기 선형을 도출하였고, 모형시험 결과를 바탕으로 선형개선 방안을 도출하 고, 선형을 수정하여 개선된 최종 선형을 설계하였다.
- 본 연구에서는 설계 기본계획에 따라 선박의 일반배치를 계획하였다. 우선 갑판 하부에 선수로부터 선수창, 기관실, 화물창, bow thruster room, 화물 펌프실, 연료유창, chemical tank, 평형수 탱크, 청수창, 추진기실 등을 배치하였고, 갑판 상부는 선수부에 거주구 및 조타실을 배치하였다.
- 앞에서 도출한 개선안으로부터 선미부 선형을 개선하였고, 선수부 형상 개선을 위해 도출된 세 가지 형태의 벌브형상에 대한 파형계산을 수행하였다. 특히 선수 벌브형상은 high bulb와 low bulb, Ax bow 형태의 middle bulb 형상으로 설계하여 비교・검 토하였다.
- 앞에서 선정된 기본 선형 A의 모형선을 제작하였고, 설계 흘수와 발라스트 흘수 대하여 저항시험과 자항시험을 통해 저항추진성능을 평가하였다. 시험에 사용된 모형선은 축적비가 1/14로서 길이 약 5.
- 여기서 Cp-curve 형상은 전체적으로 완만하면서 선수 끝단부 에서는 부드러운 선수 도입부를 갖는 형상으로 설계를 하였다.특히 설계 흘수 형상과 늑골선 형상은 서로 연관되어 있어 설계 흘수 형상에 따라 늑골선 형상도 같이 변하게 되는데, 본 개발선의 설계 흘수 형상과 늑골선 형상은 만재계획흘수에서 선수의 반유입각(half-entrance각)을 감소시켜 늑골선의 형상을 UV 형태로 설계하였다.
- 본 연구에서는 설계 기본계획에 따라 선박의 일반배치를 계획하였다. 우선 갑판 하부에 선수로부터 선수창, 기관실, 화물창, bow thruster room, 화물 펌프실, 연료유창, chemical tank, 평형수 탱크, 청수창, 추진기실 등을 배치하였고, 갑판 상부는 선수부에 거주구 및 조타실을 배치하였다. 그리고 선미부 갑판면적을 최대한 확보하여 파이프, 컨테이너 등을 적재할 수 있도록 하였다.
- 그리고 해외에서 운용되고 있는 실적선 검토를 통하여 두 척의 후보 선형을 도출하였고, 이들에 대한 조파저항계산을 통하여 초기 선형을 선정하였으며, 모형시험을 통하여 저항추진성능을 평가하였다. 이 초기 선형의 저항추진 성능 평가 결과를 바탕으로 문제점을 분석하고 개선점을 찾아서 세 척의 후보 개선 선형을 설계하였고, 이들에 대한 조파 저항계산을 통하여 최종 선수 선형을 선정하였으며, 선미는 잉여 저항을 줄일 수 있도록 개선을 하였다. 그리고 추진시스템으로는 현재 생산되고 있는 Azimuth 추진시스템 사양을 고려하여 프로 펠러 직경이 작지만 추진효율이 불리하지 않도록 덕트가 있는 Azimuth 추진시스템을 적용하였다.
- 특히 개선 선형은 세 가지 벌브형태로 설계되었고, 계산 결과에서는 high-bulb 형상의 선형 (F3A2)이 가장 낮은 선수파를 보이므로 조파저항 관점에서 가장 우수한 것으로 판단된다. 이에 high-bulb 형상의 선형을 최종 개선 선형으로 선정하였다.
- 자항시험은 재고 프로펠러 KP811/812를 이용한 쌍축의 Azimuth thruster로 설계 흘수와 발라스트 흘수에서 시험이 실시 되었다. 자항시험에서 계측된 선속별 프로펠러 회전수와 토크 및추력 값들로부터 해석한 결과를 Fig.
- 본 연구에서는 PSV의 설계 기본계획과 개념설계를 통하여 기본설계를 진행하였다. 초기 설계 검토를 통하여 초기 선형을 도출하였고, 모형시험 결과를 바탕으로 선형개선 방안을 도출하 고, 선형을 수정하여 개선된 최종 선형을 설계하였다. 본 연구를 통해 얻어진 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 앞에서 도출한 개선안으로부터 선미부 선형을 개선하였고, 선수부 형상 개선을 위해 도출된 세 가지 형태의 벌브형상에 대한 파형계산을 수행하였다. 특히 선수 벌브형상은 high bulb와 low bulb, Ax bow 형태의 middle bulb 형상으로 설계하여 비교・검 토하였다. Figs.
- 여기서 Cp-curve 형상은 전체적으로 완만하면서 선수 끝단부 에서는 부드러운 선수 도입부를 갖는 형상으로 설계를 하였다.특히 설계 흘수 형상과 늑골선 형상은 서로 연관되어 있어 설계 흘수 형상에 따라 늑골선 형상도 같이 변하게 되는데, 본 개발선의 설계 흘수 형상과 늑골선 형상은 만재계획흘수에서 선수의 반유입각(half-entrance각)을 감소시켜 늑골선의 형상을 UV 형태로 설계하였다.
- 또한 연료 유창은 선박 손상 시 오염 사고를 최소화시키고자 이중저 상부의 이중선체 내부로 배치하였다. 하역 작업의 편의를 위해 화물펌프 실을 화물창 중앙부에 오도록 설계하였다. 이러한 개념으로 설계된 PSV의 일반배치도 일부를 Fig.
대상 데이터
- 5 정도이다. 본 연구에서는 PSV 시장 현황을 감안하여 향후 수요량이 클 것으로 판단되는 재화중량 3,800 톤급을 설계 목표 크기로 선정하였다.
- 상기 여러 추진시스템의 장・단점을 고려해 본 연구에서는 가성비가 우수한 Azimuth thruster를 추진기로 채택하였다.
- 앞에서 선정된 기본 선형 A의 모형선을 제작하였고, 설계 흘수와 발라스트 흘수 대하여 저항시험과 자항시험을 통해 저항추진성능을 평가하였다. 시험에 사용된 모형선은 축적비가 1/14로서 길이 약 5.7 m 정도이다.
- 3의 Rankine method를 이용한 조파저항 계산을 수행하였다. 여기서 선체표면 격자는 1,922개의 패널로 구성하였고 자유수면 격자는 1,596개로 구성하였으며, 계산 선속은 14 노트로 Froude 수는 0.244이다. Fig.
- 특히 본 초기 선형은 twin Azimuth thruster 장착이 용이하도록 conventional U type의 선미 늑골선 형상을 선정하였으며, 직진안정성에 유리하도록 선미 중앙부에 스케그를 설치하였다.
이론/모형
- 저항추진시험 해석은 1978 ITTC 해석법을 근간으로 KRISO에서 개발한 전산프로그램을 이용하였다 (Kim & Yang, 1987).
성능/효과
- 개선 선형은 저항의 관점에서 초기 선형 결과와 비교 시 잉여 저항의 경우, 초기 선형 대비 약 70% 정도 대폭 개선된 결과를 얻었고, 설계흘수의 14 노트에서 준추진효율도 기본 선형에 비해 5% 정도 개선된 결과를 얻었다. 따라서 개선 선형은 초기 선형보다 18% 정도 속도성능이 향상된 것으로 판단된다.
- 17에 보인다. 개선된 선형의 저항성능이 대폭 개선되었고 준추진효율도 초기 선형보다 약간 개선됨에 따라서 전반적으로 속도가 크게 향상되었다. 즉, 5,000 kW의 동력으로 15%의 sea margin을 고려한 해상상태에서 설계 흘수에서 14.
- 또한 조파저항계산이 여전히 선형개선에 효과적인 역할을 할수 있음을 확인하였다.
- 9와 같이 속도-마력 곡선으로 보인다. 설계흘수, 설계속도 14 노트에서 준추진 효율은 0.46 정도로서 예상했던 것보다 효율이 작게 나왔으며, 설계흘수에서 설계속도 14 노트보다 낮은 약 12.7 노트로 추정되었고, 발라스트 흘수에서는 약 13.3 노트로 추정되었다. 따라서 대폭적인 선형개선 검토가 필요한 것으로 판단되었다.
- 실적선의 외형을 바탕으로 설계된 PSV의 초기 선형에 대한 모형시험을 수행하였으나, 저항추진성능 평가 결과가 초기에 목표로 한 성능에 많이 미치지 못하는 것을 확인하였고 이에 대한 원인분석을 통하여 선형을 개선하였다.
- 이 개선 선형과 추진시스템을 적용한 설계 선형에 대한 저항 추진 모형시험을 KRISO에서 수행하여 동력 5,000 kW로 sea margin 15%를 고려한 해상상태에서 설계 목표인 선속 14노트 이상이 가능한 결과를 얻을 수 있었다.
- 저항시험 결과로서 잉여저항(CR)을 Fig. 16에 보이는데, 설계 흘수 14노트에서 개선 선형의 잉여저항이 1.337x10-3로서 초기 선형의 4.5x10-3에 비하여 약 70% 정도 개선되었다.
- 개선된 선형의 저항성능이 대폭 개선되었고 준추진효율도 초기 선형보다 약간 개선됨에 따라서 전반적으로 속도가 크게 향상되었다. 즉, 5,000 kW의 동력으로 15%의 sea margin을 고려한 해상상태에서 설계 흘수에서 14.9 노트, 발라스트 흘수에서 대략 16.1 노트의 속도가 도달 가능한 것으로 추정되었다.
- 14에서 보이는 바와 같이 개선 선형은 선수부에서 시작되는 1차 선측 파고가 초기 선형 (F1A1)에 비하여 대폭 낮은 것을 보인다. 특히 개선 선형은 세 가지 벌브형태로 설계되었고, 계산 결과에서는 high-bulb 형상의 선형 (F3A2)이 가장 낮은 선수파를 보이므로 조파저항 관점에서 가장 우수한 것으로 판단된다. 이에 high-bulb 형상의 선형을 최종 개선 선형으로 선정하였다.
후속연구
- 끝으로, 본 연구 과정과 결과는 일반해역 운항용 PSV 표준선 기본 설계에 유용하게 참고가 될 수 있을 것으로 판단된다.
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