[논문]CPP 설계기법 연구

송인행; 이태구; 한재문

문제 정의

본 연구에서는 기보유의 프로펠러 성능해석 기법을 활용하여 CPP 설계에 필요한 피치각 변화에 따른 offest 생성 프로그램과 연결시켰으며, face 캐비테이션 추정 기법을 개발하였다. 그리고 피치각 변경시 소요되는 spindle torque 추정 기법을 메이커의 자문을 거쳐 개발하였다.
이러한 문제는 CPP 설계를 메이커에 의존하는 동안에는 회피할 수 없을 것이다. 본 연구에서는 향후 메이커와의 공동 설계를 전제로 CPP 설계기술의 자립을 독 표로 하여 CPP 설계기법 개발 및 성능 향상에 관한 연구를 수행하였다. 개발된 CPP 설계기법 중 날개 구동 관련 기술은 일본의 CPP 메이커인 KHI의 검토를 받았으며, CPP의 성능을 확인하기 위하여 Shuttle tanker선을 대상으로 프로펠러 설계를 수행하고, 모형시험을 수행하였다.

가설 설정

- Shaft geneiator의 사용시 일정한 RPM의 유지 가능.

제안 방법

따라서 CPP 성능 향상 및 설계 자립을 기대하려면 현실적으로 일본 메이커와의 우호적인 관계 정립이 필요하다고 본다. CPP 설계요소기술이 확보된 후 대상선을 선정하였으며, CPP의 설계 및 모형시험을 통하여 CPP 관련 설계요소기술 및 설계기술을 검증하였다.
본 연구에서는 향후 메이커와의 공동 설계를 전제로 CPP 설계기술의 자립을 독 표로 하여 CPP 설계기법 개발 및 성능 향상에 관한 연구를 수행하였다. 개발된 CPP 설계기법 중 날개 구동 관련 기술은 일본의 CPP 메이커인 KHI의 검토를 받았으며, CPP의 성능을 확인하기 위하여 Shuttle tanker선을 대상으로 프로펠러 설계를 수행하고, 모형시험을 수행하였다. 비교 대상은 기존 Rolls-royce 및 KI네에서 설계된 프로펠러들이다.
추정 기법을 개발하였다. 그리고 피치각 변경시 소요되는 spindle torque 추정 기법을 메이커의 자문을 거쳐 개발하였다.
저속에서 운항할 경우에는 피치를 감소시켜야 하기 때문에 face 캐비테이션의 발생을 고려하여야 한다. 본 연구에서 설계한 프로펠러인 SP306의 피치는 tip에서 과도한 부하감소를 피하도록 함으로써 저속에의 face 캐비테이션 성능을 확보하도록 하였다. 각 피치각에 대하여 수행한 CPP 단독시험 결과를 추정값과 함께 Fig.
본 연구에서는 CPP 설계시 필요한 설계기법을 개발하였으며, 개발된 프로그램에는 피치변화에 대한 offset 생성 및 성능 추정 그리고 face 캐비테이션 추정 기법이 포함되어 있다. 개발된 프로그램은 모형실험결과와 비교한 결과 정도가 우수한 것으로 나타났다.
즉, 피치가 양이면 음의 피치 방향으로, 피치가 음이면 양의 피치방향으로 작용한다. 상기 요소에 의한 성분을 계산할 수 있는 프로그램을 작성하였으며, CPP 메이커인 일본의 K네의 검토를 받았다. 한편 일본 CPP 메이커의 경우 유럽 메이커와는 달리 조선소에서 CPP blade 설계를 하기도 하며, 이 경우 blade 성능에 대해서는 조선소가 책임을 지며 machinery 부분은 메이커 가책임을 지는 사례가 많다.
설계된 CPP의 캐비테이션 성능을 검증하기 위하여 당사의 대형공동수조에서 SP161과 함께 비교실험을 수행하였으며, 각각 피치각이 -5°에 대하여도 캐비테이션 시험을 수행하였다. Fig.
따라서, CPP의 설계 단계에서의 face cavitation 특성 추정은 필수적으로 검토되어야 할 중요사항이다. 이를 위해 본 연구에서는 비정상 유동 중의 작동하는 프로펠러 날개의 유체역학적 특성은 보오텍스 격자법을 이용하여 해석하였으며, 여러 반경에서 cavitation bucket 게agram을 계산하여 프로펠러의 face cavitation 발생 유무를 추정할 수 있는 기법을 개발하였다. 이러한 재래식 캐비테이션 추정 방법은 face 캐비테이션 성능의 상대적 향상을 목적으로 충분히 활용 가능할 것으로 본다.
피치각 변화에 대한 offest 생성은 프로펠러 날개를 반경 및 코오드 방향으로 각 400개씩 fine mesh로 분할한 후 스핀들 축을 중심으로 피치각 만큼 회전한 후에 새 반경으로 interpolation함으로써 새로운 offset를 생성하도록 하였다. 프로펠러 새 형상은 기존의 성능해석프로그램을 사용하여 성능추정을 하도록 하였다.
성능 추정이 필수적이다. 피치각 변화에 대한 offest 생성은 프로펠러 날개를 반경 및 코오드 방향으로 각 400개씩 fine mesh로 분할한 후 스핀들 축을 중심으로 피치각 만큼 회전한 후에 새 반경으로 interpolation함으로써 새로운 offset를 생성하도록 하였다. 프로펠러 새 형상은 기존의 성능해석프로그램을 사용하여 성능추정을 하도록 하였다.
한편 저속에서의 face 캐비테이션 성능을 확인하기 위하여 -5°에서의 face 캐비테이션 초생시험을 수행하였다. 프로펠러는 SP306 및 SP1610I 사용되었다.

대상 데이터

대상선은 147.5k Shuttle Tanker선으로, L7B = 5.70, B/T=2.90이며, 엔진은 NCR에서 20, 630 psX 87.9 RPM이다. CPP에서는 피치를 조정할 수 있기 때문에 일반 프로펠러 설계시 고려하는 RPM 마진은 보통 전혀 고려하지 않고 았다.
본 연구에서 설계된 프로펠러(SP306)의 기본제원은 기존 프로펠러들과 함께 Table 1에보였다. Table 1로부터 Rolls-royce 설계는 SHI 설계 대비 캠버가 크며, 피치의 tip unloading이 큼을 알 수 있다.
개발된 CPP 설계기법 중 날개 구동 관련 기술은 일본의 CPP 메이커인 KHI의 검토를 받았으며, CPP의 성능을 확인하기 위하여 Shuttle tanker선을 대상으로 프로펠러 설계를 수행하고, 모형시험을 수행하였다. 비교 대상은 기존 Rolls-royce 및 KI네에서 설계된 프로펠러들이다.
수행하였다. 프로펠러는 SP306 및 SP1610I 사용되었다. 시험 결과 SP306은 SP161 대비 100% NCR 회전수에서 약 2°만큼 face 캐비테이션 초 생이 향상되었다.

데이터처리

CPP를 장착하여 수행한 각 피치각에 대한 자항시험 결과는 Rollsroyce에서 설계한 CPP(SP161) 그리고 KHI에서 설계한 CPP(SP251)와 함께 Table 2에 비교하였다. 본 연구에서 설계한 프로펠러인 SP306의 추진효율은 SP161 대비 3.

성능/효과

7에 보인 Vs-BHP—RPM 곡선은 피치를 0°, -5°, -10° 회전시켜 수행한 자항시험 결과를 사용하여 작성한 것이다. 0°의 피치각에서 추진효율이 가장 우수하며, 피치각이 감소할수록 성능이 감소하도록 자항요소가 변화하고 있음을 알 수 있다.
본 연구에서 설계한 프로펠러인 SP306의 피치는 tip에서 과도한 부하감소를 피하도록 함으로써 저속에의 face 캐비테이션 성능을 확보하도록 하였다. 각 피치각에 대하여 수행한 CPP 단독시험 결과를 추정값과 함께 Fig. 5에 보였으며, 대체로 프로펠러 단독성능은 추정값과 잘 일치함을 알 수 있다.
추정 기법이 포함되어 있다. 개발된 프로그램은 모형실험결과와 비교한 결과 정도가 우수한 것으로 나타났다. 또한 FPP 설계시 확보된 경험을 바탕으로 CPP 설계에 적용한 결과 메이커 설계의 CPP 보다 back 캐비테이션은 유사한 반면 추진효율 및 face 캐비테이션 성능이 모두 향상된 결과를 얻었다.
개발된 프로그램은 모형실험결과와 비교한 결과 정도가 우수한 것으로 나타났다. 또한 FPP 설계시 확보된 경험을 바탕으로 CPP 설계에 적용한 결과 메이커 설계의 CPP 보다 back 캐비테이션은 유사한 반면 추진효율 및 face 캐비테이션 성능이 모두 향상된 결과를 얻었다. 또한 메이커의 협조를 받아 완성한 스핀들 토오크 추정기법으로 스핀들 토오크를 해석한 결과 메이커의 그것보다 감소함을 알 수 있었다.
또한 FPP 설계시 확보된 경험을 바탕으로 CPP 설계에 적용한 결과 메이커 설계의 CPP 보다 back 캐비테이션은 유사한 반면 추진효율 및 face 캐비테이션 성능이 모두 향상된 결과를 얻었다. 또한 메이커의 협조를 받아 완성한 스핀들 토오크 추정기법으로 스핀들 토오크를 해석한 결과 메이커의 그것보다 감소함을 알 수 있었다.
비교하였다. 본 연구에서 설계한 프로펠러인 SP306의 추진효율은 SP161 대비 3.2% 그리고 SP251 대비 2.1%가 향상되었다.
선체변동압력도 계측하였으나, 두 프로펠러 모두에서 1차 날개주파수에서 약 1 kPa 정도로 진동 측면에서 문제가 없는 수준으로 나타났다.
프로펠러는 SP306 및 SP1610I 사용되었다. 시험 결과 SP306은 SP161 대비 100% NCR 회전수에서 약 2°만큼 face 캐비테이션 초 생이 향상되었다. 이는 약 23%의 마력에 해당된다.

후속연구

본 연구에서 개발된 CPP의 설계기법 및 성능 향상은 향후 CPP 설계 자립화 및 실선 적용에 기여할 것으로 기대된다.
이를 위해 본 연구에서는 비정상 유동 중의 작동하는 프로펠러 날개의 유체역학적 특성은 보오텍스 격자법을 이용하여 해석하였으며, 여러 반경에서 cavitation bucket 게agram을 계산하여 프로펠러의 face cavitation 발생 유무를 추정할 수 있는 기법을 개발하였다. 이러한 재래식 캐비테이션 추정 방법은 face 캐비테이션 성능의 상대적 향상을 목적으로 충분히 활용 가능할 것으로 본다.

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