[국내논문]CFRP 선체소재와 전기추진체계가 소형선박의 경량화에 미치는 효과 Effect of a Lightweight Hull Material and an Electric Propulsion System on Weight Reduction: Application to a 45ft CFRP Electric Yacht원문보기
CFRP는 경량화 소재로 각광받고 있으며, 해양산업에서도 고급요트와 특수목적 선박 등에 사용되고 있다. 전기추진체계 또한 친환경 추진 방법으로써, 요트와 소형 여객선 등의 주 추진계로 활용되고 있다. 본 연구에서는 소형선박의 선체소재와 추진계를 각각 CFRP와 전동기로 교체하였을 때의 경량화 효과를 정량적으로 비교분석하였다. 45ft GFRP 선박을 대상으로 사례연구를 수행하였으며, 선체소재를 설계원안과 동일 함침율 기준의 CFRP로 재설계하였고, 추진계는 설계원안의 동일 마력, 항해거리를 유지할 수 있도록 전동기와 배터리 시스템을 설계하였다. 연구결과 CFRP 소재는 선각을 45 % 정도 경량화 할 수 있었고, 전기추진체계는 기관부를 58 % 경량화 할 수 있음을 확인하였다. 다만 전기추진체계의 경우, 디젤 추진체계의 항해거리를 확보하기 위하여 상당한 양의 배터리 팩을 필요로 하기 때문에, 현실적인 수준에서의 경량화 실효성은 없는 것으로 확인되었다.
CFRP는 경량화 소재로 각광받고 있으며, 해양산업에서도 고급요트와 특수목적 선박 등에 사용되고 있다. 전기추진체계 또한 친환경 추진 방법으로써, 요트와 소형 여객선 등의 주 추진계로 활용되고 있다. 본 연구에서는 소형선박의 선체소재와 추진계를 각각 CFRP와 전동기로 교체하였을 때의 경량화 효과를 정량적으로 비교분석하였다. 45ft GFRP 선박을 대상으로 사례연구를 수행하였으며, 선체소재를 설계원안과 동일 함침율 기준의 CFRP로 재설계하였고, 추진계는 설계원안의 동일 마력, 항해거리를 유지할 수 있도록 전동기와 배터리 시스템을 설계하였다. 연구결과 CFRP 소재는 선각을 45 % 정도 경량화 할 수 있었고, 전기추진체계는 기관부를 58 % 경량화 할 수 있음을 확인하였다. 다만 전기추진체계의 경우, 디젤 추진체계의 항해거리를 확보하기 위하여 상당한 양의 배터리 팩을 필요로 하기 때문에, 현실적인 수준에서의 경량화 실효성은 없는 것으로 확인되었다.
CFRP is often used as lightweight hull material for luxury yachts or special-service ships. An electric propulsion system is also eco-friendly, and has been trialled to equip a small vessel as its main propulsion. In this study, replacing the hull materials and propulsion system with CFRP and electr...
CFRP is often used as lightweight hull material for luxury yachts or special-service ships. An electric propulsion system is also eco-friendly, and has been trialled to equip a small vessel as its main propulsion. In this study, replacing the hull materials and propulsion system with CFRP and electric motors, we made an estimate of the effect of weight reduction and compared it to the original design, for this purpose a case study was conducted on a 45-ft yacht. When redesigning structures with CFRP, we applied the reinforcement content of the carbon fiber in the same way as the original (GC = 0.4), and when changing to the electric propulsion system, we designed motors and battery packs to achieve the same performance as the original. The result showed that CFRP and the electric propulsion system could make the structural and machinery weights 45 % and 58 % lighter, respectively. However, in terms of efficiency, it was confirmed that the electric propulsion system is practically inefficient because it requires a huge amount of battery packs for the same navigation range with diesel engines.
CFRP is often used as lightweight hull material for luxury yachts or special-service ships. An electric propulsion system is also eco-friendly, and has been trialled to equip a small vessel as its main propulsion. In this study, replacing the hull materials and propulsion system with CFRP and electric motors, we made an estimate of the effect of weight reduction and compared it to the original design, for this purpose a case study was conducted on a 45-ft yacht. When redesigning structures with CFRP, we applied the reinforcement content of the carbon fiber in the same way as the original (GC = 0.4), and when changing to the electric propulsion system, we designed motors and battery packs to achieve the same performance as the original. The result showed that CFRP and the electric propulsion system could make the structural and machinery weights 45 % and 58 % lighter, respectively. However, in terms of efficiency, it was confirmed that the electric propulsion system is practically inefficient because it requires a huge amount of battery packs for the same navigation range with diesel engines.
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문제 정의
CFRP 소재와 전기추진이 경량화에 유리하고 친환경적이라는 것은 널리 알려진 사실이지만 실제로 적용 시 경량화 효과에 대한 정량적 평가 연구는 미진한 실정이다. 본 연구에서는 GFRP 소재의 선체를 경량화 소재인 CFRP를 선체 소재로 대체하고, 디젤 추진체계를 전기추진체계로 대체하였을 때의 경량화 효과를 정량적으로 평가함으로써 그 효과를 확인해보고자 한다.
가설 설정
45의 디젤엔진을 전동기로 변경해 기관부를 재설계하였다. 그리고 실제 항해를 고려했을 시 기관부 중량을 확인하기 위해 항해 조건을 가정하여 디젤유와 배터리 시스템의 중량을 추정하였다. 항해 조건 중 속도는 서비스속도(10노트)와 최대 속도(30노트)로 가정하였으며, 항해 거리는 30NM로 가정하였다.
디젤 기관계와 전기추진계의 기관부 중량에 대한 효율을 비교하기 위해 동일한 기관부 중량으로 항해 가능한 거리를 추정했다. 기관부 중량은 45ft 동급 크기 선박의 평균 기관부 중량인 3.172톤을 사용하여, 이 중 엔진과 추진기의 중량을 제외한 나머지 중량을 디젤유의 중량으로 가정하였다. 디젤유의 중량은 1.
디젤유의 중량은 2장에서 정의한 항해 조건과 시간당 연료소비량을 통해 추정할 수 있다. 시간당 연료소비량을 추정하기 위해서는 엔진의 속도별 출력을 알아야 하는데, 본 연구에서는 서비스 속도인 10노트로 주행 시 MCR의 33.3 %,최대 속도인 30노트로 주행 시에는 MCR의 100 %인 것으로 가정하였다. 그리고 이러한 가정 사항을 통해 시간당 연료 소비량은 Table 2와 같이 추정했다.
는 Ws(선각 중량), Wo(의장 중량), Wm(기관부 중량)으로 구분되어 있다. 여기서 비교의 대상인 선각 중량과 기관부 중량을 제외한 의장 중량은 두 선박의 규모가 동일하고 배치가 유사하기 때문에 동일하다고 가정하였다.
그리고 실제 항해를 고려했을 시 기관부 중량을 확인하기 위해 항해 조건을 가정하여 디젤유와 배터리 시스템의 중량을 추정하였다. 항해 조건 중 속도는 서비스속도(10노트)와 최대 속도(30노트)로 가정하였으며, 항해 거리는 30NM로 가정하였다. 또한 디젤유와 배터리 시스템의 효율을 비교하기 위해서 동일한 기관부 중량으로 항해할 수 있는 거리를 추정했다.
제안 방법
MMU-GD.45 의 소재를 변경하여 CFRP 소재 선박을 재설계하였다. CFRP소재의 특성으로 선형의 차이가 있기 때문에 전형적인 CFRP 선박의 실적선을 참고하였다.
디젤 기관계와 마찬가지로 중량 대비 효율을 확인하기 위해 디젤기관과 동일한 기관부 중량과 조건으로 항해 가능한 거리를 추정하였다. 기관부 중량 3.
디젤 기관계와 전기추진계의 기관부 중량에 대한 효율을 비교하기 위해 동일한 기관부 중량으로 항해 가능한 거리를 추정했다. 기관부 중량은 45ft 동급 크기 선박의 평균 기관부 중량인 3.
항해 조건 중 속도는 서비스속도(10노트)와 최대 속도(30노트)로 가정하였으며, 항해 거리는 30NM로 가정하였다. 또한 디젤유와 배터리 시스템의 효율을 비교하기 위해서 동일한 기관부 중량으로 항해할 수 있는 거리를 추정했다.
소재의 변경과 기관부 종류의 변경이 선각 중량과 기관부 중량에 미치는 영향을 각각 비교할 수 있도록 두 가지 중량을 따로 구분하여 확인하였다.
추진체의 변경이 기관부 중량에 미치는 영향을 확인하기 위해 MMU-GD.45의 디젤엔진을 전동기로 변경해 기관부를 재설계하였다. 그리고 실제 항해를 고려했을 시 기관부 중량을 확인하기 위해 항해 조건을 가정하여 디젤유와 배터리 시스템의 중량을 추정하였다.
대상 데이터
MMU-CE.45의 항해 조건을 만족하는 요구 전력량을 추정하기 위해서 탑재한 전동기의 제조사에서 전류와 동작전압 데이터를 제공받았다. 전동기의 동작전압은 660V로 배터리 모듈을 15개 이상을 사용하면 충족할 수 있다.
복합소재 설계에 섬유는 CFRP Woven Roving 400 g/m2, 수지는 Polyester, 중심재는 Wood Balsa를 사용하였으며, 이 때 섬유와 수지의 중량비율인 함침율은 해양 복합소재로 흔히 사용하는 40 %를 사용하였다.
비교를 위해 GFRP 선체 소재에 디젤 기관을 탑재한 대상 선박(이하 MMU-GD.45)을 설계하였으며, MMU-GD.45에서 선체 소재를 CFRP로 변경한 선박(이하 MMU-CE.45)을 재설계 하였다. MMU-CD.
사용한 선박의 중량은 국제표준(ISO, 2002a)에 정의된 개념으로 연료, 청수 등 부가 질량을 제외한 경하 시의 중량인 mLCC이고, mLCC는 Ws(선각 중량), Wo(의장 중량), Wm(기관부 중량)으로 구분되어 있다. 여기서 비교의 대상인 선각 중량과 기관부 중량을 제외한 의장 중량은 두 선박의 규모가 동일하고 배치가 유사하기 때문에 동일하다고 가정하였다.
요구 마력인 610마력 이상의 전동기로는 LGMarines사의 I-330 2기로 선정하였다. 이 전동기는 대상 선박 MMU-GD.
이론/모형
CFRP소재의 특성으로 선형의 차이가 있기 때문에 전형적인 CFRP 선박의 실적선을 참고하였다. 대상선박과 동일한 선체길이에 따라 주요 요목을 추정하였으며 이때 추가 중량물은 국제규정 ISO 12217(ISO, 2002b)에 따라 추정하였다. 이 때 MMU-CE.
복합소재를 설계하여 선각 중량을 추정할 수 있는데, 이때 Oh et al.(2018)에 정리된 RINA에 기반한 복합소재 설계 알고리즘을 적용하였다. 이 알고리즘은 구조별로 가장 큰 압력이 가해지는 설계 면적을 기준으로 요구 두께를 산정하여 복합소재를 설계를 하는 방법이다.
선체 구조설계는 국제표준 ISO 12215(ISO, 2008)와 국제선급 RINA(이탈리아 선급협회, Registro Italiano Navale)의 플레져요트 규정(RINA, 2009)을 사용하였다.
선형 설계는 Maxsurf Modeler(Bentley, 2018)를 사용하였으며,저항 및 유효마력 추정에는 Maxsurf Stability(Bentley, 2018)를 사용했다. 저항 추정은 활주형 고속선에 널리 사용되는 Savitsky Planing 알고리즘(Savitsky, 2012)을 사용하였다.
선형 설계는 Maxsurf Modeler(Bentley, 2018)를 사용하였으며,저항 및 유효마력 추정에는 Maxsurf Stability(Bentley, 2018)를 사용했다. 저항 추정은 활주형 고속선에 널리 사용되는 Savitsky Planing 알고리즘(Savitsky, 2012)을 사용하였다. 그 결과 선박의 최대 속도인 30노트의 경우, 엔진의 효율을 55 %로 가정하였을 때 약 610마력이 요구될 것으로 추정할 수 있었다.
성능/효과
구조안전성을 확인하기 위하여 RINA의 플레져요트 규정에 따라 종강도 평가를 수행하였으며 선박의 구조강도에 대한 문제는 없는 것으로 확인하였다.
선체 소재를 GFRP에서 CFRP로 변경했을 때, 선각 중량은 45 %가량 경량화 되었다. 구조의 중량이 경감되었지만 선체구조강도에 문제가없어 소재의 변경은 효율적인 경량화 방법으로 판단된다. 하지만 GFRP 소재의 가격과 대비해 CFRP 소재의 가격은 10배 이상이 차이가 난다고 알려져 있어 경제적인 문제가 해소되어야 실제로 경량화 실효성이 있을 것으로 사료된다.
저항 추정은 활주형 고속선에 널리 사용되는 Savitsky Planing 알고리즘(Savitsky, 2012)을 사용하였다. 그 결과 선박의 최대 속도인 30노트의 경우, 엔진의 효율을 55 %로 가정하였을 때 약 610마력이 요구될 것으로 추정할 수 있었다. 요구마력에 따라 엔진의 조건은 305마력 이상의 엔진2기로 정의했다.
45와 mLCC를 Table 9에 정리하였다. 대상 선박인 MMU-GD.45과 비교하여 CFRP 소재를 적용한 MMU-CE.45의 선각 중량은 45 %가량 경량화 되었음을 알 수 있었다.
디젤 기관계는 엔진과 추진기가 기관부 중량에서 90%가량을 차지했지만, 전기추진계는 20 %에도 못 미치는 비율을 차지했다. 동일 기관부 중량 대비 항해거리에 대한 효율을 비교한 결과를 Table 16에 정리하였다.
선체 소재를 GFRP에서 CFRP로 변경했을 때, 선각 중량은 45 %가량 경량화 되었다. 구조의 중량이 경감되었지만 선체구조강도에 문제가없어 소재의 변경은 효율적인 경량화 방법으로 판단된다.
전기추진계를 적용함으로써 기관부 중량은 약 58 % 경량화 되었다. 하지만 실제 항해를 고려해 연료(디젤과 배터리)를 포함한 기관부 중량은 서비스 속도 일 때 3.
추진체계를 디젤 기관계에서 전기추진계로 변경함으로써 기관부 중량은 58 %가량 경감되어 실제로 경량화에 효과적으로 보여질 수도 있다. 하지만 실제 항해 시 디젤기관과 동일한 조건으로 항해하려면 배터리의 중량이 약 5톤 더 적용되어야 하므로 최종적으로 그 중량이 380 %가량 증가함을 알 수 있었다.
추진체계를 디젤 기관계에서 전기추진계로 변경함으로써 기관부 중량은 58 %가량 경감되어 실제로 경량화에 효과적으로 보여질 수도 있다. 하지만 실제 항해 시 디젤기관과 동일한 조건으로 항해하려면 배터리의 중량이 약 5톤 더 적용되어야 하므로 최종적으로 그 중량이 380 %가량 증가함을 알 수 있었다. 이는 배터리의 중량 대비 효율의 문제로 추후 극복해야 하는 과제로 판단된다.
후속연구
따라서 전기추진계는 항해 거리, 속도와 배수량 등 제약이 있으므로 소형 선박으로의 적용은 선박의 목적이나 규모에 제한적일 것으로 사료된다. 추후 전기추진계를 소형선박에 적용하는데 선박의 규모와 항해조건의 효율적인 범위에 대한 연구를 진행하면 전기추진선박의 초기설계에 적용할 수 있을 것으로 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
CFRP가 사용되는 곳은?
현재 경량화 소재로 각광받고 있는 CFRP(탄소섬유강화플라스틱, Carbon Fiber Reinforced Plastic)는 우수한 비강도로 여러 산업분야에서 경량화를 위한 대체재와 고급 내외장재로써 사용되고 있다(Oh et al., 2014). 항공분야에서는 탄소복합체의 사용을 항공기 구조의 절반까지 사용한 사례가 있고,자동차 산업에서는 구조재의 전체에 사용된 바 있다.
기관부 중량을 추정하기 위해 포함되어야 하는 것은?
하지만 실제 항해를 할 때를 고려한 기관부 중량을 추정하기 위해서는 선박의 항해 조건에 맞는 디젤유의 중량이 기관부 중량에 포함되어야 한다.
RINA에 기반한 복합소재 설계 알고리즘이란?
(2018)에 정리된 RINA에 기반한 복합소재 설계 알고리즘을 적용하였다. 이 알고리즘은 구조별로 가장 큰 압력이 가해지는 설계 면적을 기준으로 요구 두께를 산정하여 복합소재를 설계를 하는 방법이다. Fig.
ISO(2002a), International Organization for Standardization, ISO 8666 Small Craft - Principal data, ISO.
ISO(2002b), International Organization for Standardization, ISO 12217 Small craft - Stability and bouyancy assessment and categorization, ISO.
ISO(2008), International Organization for Standardization, ISO 12215 Small craft - Hull construction and scantlings, ISO.
LG Marines(2017), I-330, http://www.lgmarines.com/page/?pid-inboard.
Oh, D. K., D. K. Lee, G. M. Kang, C. H. Ryu and J. K. Noh(2014), Comparative Study on Rules of ISO 12215 and International Classification Society for Structural Design of CFRP Cruise Boat, Journal of Ocean Engineering and Technology, Vol. 28, No. 1, pp. 77-84.
Oh, D. K., Z. Q. Han and J. K. Noh(2018), Light-Weight Structure Design for a 11m CFRP (Carbon Fiber-Reinforced Plastics) High Speed Craft with Optimum Fiber Mass Content.
RINA(2009), Registro Italiano Navale, Rules for the Classification of Pleasure Yacht Part B Hull and Stability.
Savitsky, D.(2012), The Effect of Bottom Warp on the Performance of Planing Hulls. Proceedings of 3rd Cheasapeake Powerboat Symposium, pp. 1-40.
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