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유선형 스텝 선형을 적용한 35 knot급 고속활주선의 성능평가에 대한 고찰
A Review on the Performance Test of a High-Speed Planing Hull with 35 knot Speed by Appling the Streamlined Step of Hull Form 원문보기

한국해안·해양공학회논문집 = Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, v.30 no.3, 2018년, pp.95 - 102  

문병영 (군산대학교 조선공학과) ,  고호남 ((주)군장조선 기술연구소) ,  이기열 (군산대학교 조선해양전문인력양성사업단)

초록

고속 주행시 마찰저항을 감소시키기 위해 선체의 선저부분의 모양을 변화시키는 등 최근 관련 분야의 개발이 이루어지고 있는 바, 본 개발에서는 기하학적으로 고속활주선의 스텝 단면을 유선형(streamlined type) 구조로 제작해 침수 표면적에 의한 마찰저항의 최소화를 목적으로 준비하였다, 본 개발의 목적은 어업의 각종 위급상황 및 안전성을 고려한 고속활주선의 구조설계를 기반으로 하여 어업의 특수성 및 작업특성(어군 추적 및 어획물 출하)을 고려한 최적선형으로서 유선형 마찰저감형 고속활주선을 제작하는데 그 목표가 있으며, 이 과정에서 제작된 성과물에 대한 성능평가를 수행하여 정량적 목표치를 확보하고자 함에 본 기술개발 논문의 소개 배경이 있다.

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As a recent technical approach, a high-speed planing hull was tried to realize a friction reducing system by simultaneously actuating the triple streamlined step hull form in association with optimum speed of 35 knot planing for fishing boat. In this approach, the streamlined step hull form with tri...

주제어

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문제 정의

  • 3D 모델링 작업시 고속활주선 선저 부위에 장착되는 유선형 스텝에 주안점을 두면서 고속활주선의 주된 형상을 구현하고자 하였다(Lee, 1999; Lee, 1995). 모델링 작업 후에는 자체적으로 역설계를 시행하여 고속활주선 상세설계에 명시된 제원 규격에 대한 치수검토를 실시하였다(Fig.
  • 고속 주행시 마찰저항을 감소시키기 위해 선체의 선저부분의 모양을 변화시키는 등 최근 관련 분야의 개발이 이루어지고 있는 바, 본 개발에서는 기하학적으로 고속활주선의 스텝 단면을 유선형(streamlined type) 구조로 제작해 침수 표면적에 의한 마찰저항의 최소화를 목적으로 준비하였다. 이 과정에서 바람을 잘 통하게 제작하여 주행시 선체가 수면위로 부상하고 순간적으로 높은 양력을 발생시키면서 선체의 속도가 증가하도록 하였다.
  • 본 개발에서는 3톤급 고속활주선 어선(high speed planing hull for shipping)에 적용이 가능하면서 조업 주행시 발생하는 마찰저항의 문제를 해결하기 위해 스텝 부분의 단면을 익형 구조(wing type structure)로 설계하여 시제품을 제작하고자 하였다. 고속활주선의 실제주행 시 수면의 양력을 받는 스텝 선형을 개발하여 활주시작을 앞당기고 침수표면적에 의한 마찰저항을 최소화하고자 하였다(The Society of Naval Architects of Korea, 2009).
  • 본 개발에서는 3톤급 고속활주선 어선(high speed planing hull for shipping)에 적용이 가능하면서 조업 주행시 발생하는 마찰저항의 문제를 해결하기 위해 스텝 부분의 단면을 익형 구조(wing type structure)로 설계하여 시제품을 제작하고자 하였다.
  • 본 개발에서는 고속활주선에 신공법으로 유선형 스텝(streamlined step) 기법을 적용하기 위해 주관기관과 참여기관이 상호 협력하는 기술개발 과정을 통해 시제품을 제작하고자 하였다. 이 과정에서 기존의 활주선을 개선하여 안정성, 신뢰성을 확보하면서 최신 공법을 적용한 ‘유선형 마찰저감형 활주선’ 제작을 목표로 하면서 시제품에 대한 설계, 품질 공정, 시운전 및 성능평가 등을 수행하였다.
  • 본 개발에서는 기존의 마찰저감형 고속활주선에 유선형의 신규개념을 접목하여 스텝을 적용한 마찰저감형 활주선을 제작하는데 주된 목적이 있다(Fig. 3 참조). 특히 주행 속도 및 연비 등의 항목과 관련하여 성능시험을 외부 전문기관 입회 하에 수행하여 안정성 및 신뢰성을 확보하고자 하는데 주안점을 두었다.
  • 본 개발에서는 기존의 마찰저감형 활주선을 더욱 개선하여 안정성 및 복원성을 확보하면서 고속활주선의 기능을 나타낼 수 있는 최신 공법을 적용하여 ‘유선형 트리플 스텝부가 장착된 스텝 헐’에 대한 시제품 설계, 품질 및 제작공정, 시운전 및 성능평가 등을 수행하고자 하였다.
  • 본 개발의 목적은 어업의 각종 위급상황 및 안전성을 고려한 고속활주선의 구조설계를 기반으로 하여 어업의 특수성 및 작업특성을 고려한 최적선형으로서 유선형 마찰저감형 고속 활주선을 제작하는데 그 목표가 있으며, 이 과정에서 제작된 성과물에 대한 성능평가를 수행하여 정량적 수치 및 개발 목표치를 확보하고자 함에 본 기술개발 의 소개 배경이 있다.
  • 본 기술개발의 경우 주요한 성능시험의 주요한 평가항목으로 최대 주행 속도(knot), 연료 소모량(L/hr) 및 연비(km/L) 등을 대상으로 하였으며, 상기 평가항목에 대해 당사 제조 고속활주선(유선형 트리플 스텝)의 결과치를 타사 제조 고속활주선(각형 트윈 스텝)과 비교 검토함으로써 유선형 트리플 스텝선형의 적정성을 분석하고자 하였다. 제작된 성과물의 성능 및 특성을 비교하기 위해서는 동일한 선형조건에서 타사 제품과 비교하는 것이 원칙이나, 본 유선형 트리플 스텝선형(triple step hull)의 경우 “국내에서 최초로 시도되는 시작품” 인 연유로 비교 대상이 없어 기존의 각형 트윈 스텝선형(twinstep hull)과 비교 결과치를 검토하고자 하였다.
  • 제작된 성과물의 성능 및 특성을 비교하기 위해서는 동일한 선형조건에서 타사 제품과 비교하는 것이 원칙이나, 본 유선형 트리플 스텝선형(triple step hull)의 경우 “국내에서 최초로 시도되는 시작품” 인 연유로 비교 대상이 없어 기존의 각형 트윈 스텝선형(twinstep hull)과 비교 결과치를 검토하고자 하였다.
  • 연료소모량(L/hr)의 경우 기존 개발치와 비교시, 목표치를 높게 설정하였으며(157 L/hr < 90 L/hr), 최고속도(knot)에 대해서도 기존(30 knot)보다 증가된 35 knot의 수치를 목표로 하였다. 특히 연비(km/L)와 관련하여, 성과물의 신뢰성 확보를 위해 목표치(0.43 km/L)에 근접한 수치를 확보하고자 하였다. 최종평가 시에는 외부 공인 인증기관 감독관 입회하에 본 기술개발에서 제작된 시제품에 대한 성능평가를 시행하였다.
  • 3 참조). 특히 주행 속도 및 연비 등의 항목과 관련하여 성능시험을 외부 전문기관 입회 하에 수행하여 안정성 및 신뢰성을 확보하고자 하는데 주안점을 두었다.
  • 상기 설계 및 모델링 작업 후, 구조적 안정성을 검증하기 위해 범용 구조해석 툴(ANSYS)을 이용하여 자체적으로 구조해석을 하였으며, 이후 CFD 유동해석(ANSYS Fluent)을 수행하여 35 knot 고속주행시 예상되는 마찰저항에 대한 동적 거동 해석을 수행하였다. 해석 검토 결과, 특이 사항은 나타나지 않았으며 고속활주선의 구조적 안정성 및 복원성에 대한 상세한 해석 검증 및 고찰은 지면의 제약상 생략하고자 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
어선의 역할 및 제작 시 요구사항은? 어선은 어구를 장착하면서 해상에서 조업 중 주로 어군을 추적하게 되며, 동시에 바다위에서 하역작업을 수행하게 되는 바 이를 위해서 고속, 중속 및 저속 등 다양한 속도에서 선박을 주행할 수 있도록 조종성능 및 복원성을 고려하여 제작하는 것이 요구된다. 아울러 어선이 해상에서 어군을 찾거나 추적을 할 때, 그리고 어획물을 어시장에 출하하기 위해서는 무엇보다도 빠른 선속이 필요하다.
고속활주선의 승선감이 갖는 문제를 해결하기 위한 방법은? 고속활주선은 잔잔한 수면에서는 대체로 승선감이 좋은 반면, 파도가 있는 수면에서는 승선감이 저하되고 선체 구조에도 대단히 큰 힘이 가해진다는 결점이 있다. 이러한 현상은 선체를 V자 모양으로 깊게 제작함으로써 일부 해결되지만 선체를 부상시키기 위해서는 선체 크기에 비해 고마력 엔진(실례, 250~350HP 등)을 장착하는 것이 실제 제작시 요구된다. 고속활주선은 동일한 크기의 배수형선에 비해 큰 출력의 엔진을 필요로 하기 때문에 선박의 크기가 제한되는 반면, Fig.
어선 하부구조에 유선형 스텝을 장착함으로 얻는 이점은? 주행 안정성 및 연료 효율성을 고려하여 어선 하부구조에 유선형 스텝을 장착할 경우 중속 내지 고속 시에 마찰저항의 감소를 통해 엔진부하를 줄여주게 되어 그 결과, 연료사용량은 줄고 선속은 증가하게 된다. Fig.
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참고문헌 (11)

  1. Hwang, A.R., Joo, Y.S. and Yoo, H.S. (2013). Principles of Offshore Plant and Equipment. GS Intervision, Korea. 

  2. Lee, C.S., Seo, J.C., Hyun, B.S., Kim, M.C., Seo, S.B. and Moon, I.S. (2007). Ship Propulsion and Propeller Design. Moon Woon Dang, Korea. 

  3. Lee, S.J. (1999). Fluid Dynamics from History. GS Intervision, Korea. 

  4. Lee, S.G. (2012). Ship Calculation and Stability. GS Intervision, Korea. 

  5. Lee, Y.K. (1995). Hull Form Development and CFD of High Speed Planing Hull. Journal of the SNAK, 32(5), 33-35. 

  6. Newman, J.N. (1997). Marine Hydrodynamics. The MIT Press, Cambridge, MA, USA. 

  7. Niwa, S. (2002). Engineering of High Speed Boat. A Foundation of Ship and Ocean, Japan. 

  8. Shin, C.I. (2014). Shipbuilding Geometry. Dong Myung Sa, Korea. 

  9. The Society of Naval Architects of Korea (2009). Resistance and Propulsion of Ship. Ji Sung Sa, Korea. 

  10. The Society of Naval Architects of Korea (2012). Introduction to Naval Architecture and Ocean Engineering. GS Intervision, Korea. 

  11. Yoon, G.H., Oh, S.J., Jung, J.A., Lee, H.G., Bae, B.D., Kim, J.S., Lee, Y.S., Park, Y.S., Lee, S.D., Lee, S.I., Jung, E.S. and Lee, J.W. (2009). Ship Fundamental Safety. Sang Hak Dang, Korea. 

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