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주영 문
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1 대한조선학회논문집 Journal of the Society of Naval Architects of Korea pissn: , Vol. 5, No. 6, pp , December 213 eissn: , 2 축 POD 여객선의조종운동수학모형특성연구 김연규 1, 윤근항 1 김선영 1 손남선 1 한국해양과학기술원선박해양플랜트연구소 1 Study of a Characteristics of Maneuvering Mathematical Model of Twin POD Cruise Ship Yeon-Gyu Kim 1, Kun-Hang Yun 1 Sun-Young Kim 1 Nam-Sun Son 1 Maritime & Ocean Engineering Research Institute/KIOST 1 This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License( which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Recently, to improve the safety and maneuverability at fairway around harbor the POD system has been equipped on a ship. And the interest about maneuvering characteristics of a cruise ship has been increasing. In this paper the mathematical model of maneuvering motion of a cruise ship with twin POD system in general speed and slow speed are presented. And the maneuvering coefficients of mathematical model are obtained from the captive model tests using CPMC(Computerized Planar Motion Carriage). Computer simulation using mathematical model in general speed and slow speed are carried out and compared with the results of free running model test with the same model ship. The differences between the mathematical models are compared and discussed. In this paper the mathematical models, the results of captive model test and simulation results are presented. Keywords : POD( 포드추진기 ), Cruise ship( 여객선 ), Maneuverability( 조종성능 ), Captive model test( 구속모형시험 ), Computer simulation( 시뮬레이션 ) 1. 서론 항만내에서의선박의안전성과조종성능을향상하기위해서 POD 추진기를갖는선박에대한관심이증가하고있고, 에너지절감등의관점에서전기추진선박에대한관심도증가하고있으며 (Lee, et al., 25; Kim, et al., 27), 고부가가치선박에대한설계기술확보차원에서여객선에대한관심도증가하고있는실정이다 (Jang, et al., 23). POD 추진기의경우전방향으로회전이가능하여부두에이 접안을할경우선수스러스터와연계하여자력으로이 접안을할수있다는이점이있어서이에대한연구도수행된바있으며 (Yeo, 212), POD 추진기를이용한횡동요제어시스템구성에대한연구도수행된바있다 (Lee, et al., 212). 이외에도 POD 추진기에대한연구는다수수행된바가있다 (Go, et al., 25; Kim, et al., 21). 이렇듯이 POD 추진기를설치한선박은항만내에서의조종제어성능이우수하지만, 바지형태의선미형상을갖는경우가많기때문에선형자체의직진성능은좋지않아서 IMO 조종성기준을만족시키지못한사례가보고되고있으며, 이에따라조종성능추정에대한연구가수행된바있다 (Kim, et al., 26). Kim, et al. (26) 은횡동요를포함한 4자유도수학모형에대해서 HPMM(Horizontal Planar Motion Mechanism) 시험을수행하여쌍축 POD 추진기선에대한조종성능을추정한바있으며, 모듈형수학모형과급수형수학모형에대해서검토한바있다. 본논문에서는 2축 POD 추진기를갖는여객선의조종성능을추정하였다. 일반적인중 고속에대한수학모형과저속에대한수학모형을이용하여추정한결과를비교하여수학모형에따른조종성능특성에대한검토를수행하였다. 조종성능추정을위한조종유체력계수는 2축 POD 여객선에대한 CPMC (Computerized Planar Motion Mechanism) 구속모형시험을수행하여구하였으며, POD 추진기에대한단독시험을별도로수행하여 POD 추진기에대한모델링을수행하였다. 본논문에는조종성능추정에사용된수학모형, 구속모형시험결과, 조종성능추정결과를정리하였다. 2. 수학모형 2축 POD 추진기선에대한 3자유도모듈형조종수학모형은다음과같다. 일반적인중 고속 (Kim, et al., 26; Kim, et al., 29) 및저속 (Yoshimura, 1988) 에대한수학모형은선체에작용하는힘과모멘트에대한수학모형만다르게적용하였다. 접수일 : 213 년 2 월 12 일 1 차수정일 : 213 년 9 월 3 일 게재확정일 : 213 년 11 월 4 일 Corresponding author : ygkim@kiost.ac,

2 2 축 POD 여객선의조종운동수학모형특성연구 2.1 기본수학모형임의의점에원점을가진선박의 3자유도조종운동에대한방정식은다음과같다. 단좌표계와부호규약은 Fig.1 과같다. (1) : 흘수, : 선체길이 : Crabbing Test 에서구해지는유체력계수, : Still Turn Test 에서구해지는유체력계수 2.3 POD 의프로펠러에의한유체력 x o x 2축 POD 추진기의프로펠러에의한유체력은다음과같이표현한다. n O r v u y U cos (4) sin sin cos O o Fig. 1 Coordinates system y o 식 (1) 에서아래첨자 은각각선체, POD 의프로펠러, POD 의스트럿에의한유체력을나타내고, 위첨자 는시간에대한미분을나타내며, 아래첨자 는무게중심의위치를의미한다. 식 (1) 의각항을나타내는자세한운동방정식은다음에나타나있다., exp 2.2 선체에작용하는힘과모멘트 : POD 위치의 좌표 - 일반적인중 고속의경우 (2) : 직진시선체저항 - 저속의경우 (3) 위식에서위첨자 는좌현을, 는우현을의미하며, 수학모형에서는 POD 위치에서의유속의방향과 POD 의각도를고려하였다. 단, 좌현과우현의 POD 는같은각도로작동하는것으로하였다. 2.4 POD 의스트럿에의한유체력 2축 POD 추진기의스트럿에의한유체력은스트럿에작용하는직압력 을이용하여다음의식과같이구한다. sin (5) cos cos sin 43 대한조선학회논문집제 5 권제 6 호 213 년 12 월

김연규 윤근항 김선영 손남선 sin (6) Table 1 Principal dimensions of a cruise ship Item Ship Model 243.m 4.

의간섭계수들을이용해서다음과같이구할수있다. 에서의 에서의 (7) POD 여객선에대한조종성능을추정하기위해서 POD 각이있는상태에서 POD 추진기에대한단독시험을수행하였다. Fig.

POD 는선체설치깊이와동일한깊이에설치후수행되었으며, POD 각 -3 o ~18 o 에대해서수행하여항내에서의운항상태를묘사할수있도록하였으며, POD

4에는 POD 각이 도인경우에대한추력계수의해석결과가나타나있고, Fig. 5에는 POD 각에대한추력계수를해석한결과가나타나있다. Table 2에는해석된계수가실려있다. 계수의경우 가 POD 각에해당한다.

3 김연규 윤근항 김선영 손남선 sin (6) Table 1 Principal dimensions of a cruise ship Item Ship Model 243.m 4.673m K T PS J exp Breadth 36.m.692m Draft 8.3m.16m Design Speed 22.5kts 1.65m/s Test Speed 8.kts.571m/s 3.2 POD 각이있는상태에서의 POD 단독시험 축선형의대칭특성을이용한관계식 2축선형의 POD 와선체의간섭계수는 2축선형의선체, POD 의대칭특성에의해서좌현 POD 에대한선체 -POD 간섭계수들을우현 POD 의선체-POD 의간섭계수들을이용해서다음과같이구할수있다. 에서의 에서의 (7) POD 여객선에대한조종성능을추정하기위해서 POD 각이있는상태에서 POD 추진기에대한단독시험을수행하였다. Fig. 3 에단독시험준비중인사진이실려있다. POD 는선체설치깊이와동일한깊이에설치후수행되었으며, POD 각 -3 o ~18 o 에대해서수행하여항내에서의운항상태를묘사할수있도록하였으며, POD 의프로펠러가한쪽으로회전하기때문에좌우비대칭특성이있지만, 시험조건이너무많아지는것을방지하고, 좌우비대칭특성을어느정도고려하기위하여이와같은시험조건을선정하였다. Fig. 4에는 POD 각이 도인경우에대한추력계수의해석결과가나타나있고, Fig. 5에는 POD 각에대한추력계수를해석한결과가나타나있다. Table 2에는해석된계수가실려있다. 계수의경우 가 POD 각에해당한다. 3. 구속모형시험및해석결과 3.1 대상선형 구속모형시험에사용된대상선형은여객선으로선박의제원은 Table 1 에자세히나와있고, Fig. 2 에는모형선사진이실려있다. 모형선의축척비는 52. 이었으며, 시험은한국해양과학기술원선박해양플랜트연구소가보유하고있는해양공학수조에서수행되었다 (Kim, et al., 29). Fig. 3 Photograph of POD open water test with POD angles K_T Fig. 2 Photographs of a model ship and POD J Fig. 4 POD open water test with = JSNAK, Vol. 5, No. 6, December

2 축 POD 여객선의조종운동수학모형특성연구.7.6 POD 의스트럿에의한직압력은 Fujii 식에의하여다음과같이구하였다. K_T.5.4.3.2.1 speed =.285 m/s speed =.285 m/s speed =.428 m/s speed =.428 m/s speed =.571 m/s speed =.571 m/s speed =.713 m/s speed =.

3 구속모형시험및해석결과 모형시험은설계흘수에서실선속도 8. Knots( 모형선속도.571 m/sec) 에서실선자항점에해당하는프로펠러회전수 (7.78 rps) 로 POD 를구동시켜서모형선에작용하는힘과 POD 에작용하는힘을계측하였다. Fig. 6은구속모형시험사진이다. = 1.

4 2 축 POD 여객선의조종운동수학모형특성연구.7.6 POD 의스트럿에의한직압력은 Fujii 식에의하여다음과같이구하였다. K_T speed =.285 m/s speed =.285 m/s speed =.428 m/s speed =.428 m/s speed =.571 m/s speed =.571 m/s speed =.713 m/s speed =.713 m/s Delta (deg.) Fig. 5 POD open water test with variation of : : : : Table 2 Coefficients of POD open water test 구속모형시험및해석결과 모형시험은설계흘수에서실선속도 8. Knots( 모형선속도.571 m/sec) 에서실선자항점에해당하는프로펠러회전수 (7.78 rps) 로 POD 를구동시켜서모형선에작용하는힘과 POD 에작용하는힘을계측하였다. Fig. 6은구속모형시험사진이다. = (9) : 타의 Aspect ratio Table 3 Test conditions Hull Hull + POD Test Item Resistance Test Drift Test Crabbing Test Still Turn Test CMT (Circular Motion Test) CMT with Drift Propulsion Test POD Test POD with Drift Test POD with Turn Test Test Conditions =-8, -6, -3, 3, 6, 8, 1kts =8kts =-6 o, -4 o, -2 o, o, 2 o, 4 o, 6 o, 1 o, 15 o, 2 o =.2,.3,.4m/s, =9o =m/s, =2, 4, 6o/s =8kts =.1,.2,.3,.45,.6,.8, 1. =5kts =, 1, 2, -1, -2 = o, 1 o, 2 o, 3 o =8kts, rps 변화 =4, 6, 8kts =-3 o, -2 o, o, 1 o, 2 o =8kts =-3 o, -2 o, -1 o, o, 1 o, 2 o, 3 o, 4 o 변화 =8kts =.2,.45,.6,.8, 변화 Pure Sway Test =8kts, =-.2, -.3, -.4 Fig. 6 Photographs of captive model test Pure Yaw Test =8kts, =-.7, -1., -1.6, -2.2 POD 여객선에대해서정적시험과동적시험을포함한 CPMC 구속모형시험을수행하였으며, Table 3에수행된시험항목과시험조건이정리되어있다. 선체및 POD 에작용하는힘과모멘트는다음과같이무차원화하였다., (8) Fig. 7에는 Drift test 해석결과가실려있고, Fig. 8에는 CMT 해석결과가실려있다. Fig. 7과 Fig. 8의해석결과는선체에대해서수행된구속모형시험으로부터얻어진해석결과이다. 저속수학모형을위한해석결과는 Fig. 9에나타나있다. Crabbing test 로부터 를구한후에, 구해진 와제자리에서선회하는 Still turn test 결과로부터 와 을구하였다. Table 4에구해진조종유체력계수들이정리되어있다. 432 대한조선학회논문집제 5 권제 6 호 213 년 12 월

5 김연규 윤근항 김선영 손남선 Linear for Y v :H Uc =.571 m/s Linear H Nonlinear for Y v :H Uc =.571 m/s Nonlinear H Linear for N v :H Uc =.571 m/s Linear H Nonlinear for N v :H Uc =.571 m/s Nonlinear H Fig. 7 Results of drift test : Y Forces & N Moments -.2 Uc =.571m/s L HP -.2 Uc =.571m/s L HP Table 4 Hydrodynamic coefficients 조종성능추정결과 Uc =.571m/s NL HP Uc =.571m/s NL HP Fig. 8 Results of CMT : Y forces & N moments C_D v'*v' C_rN r*r C_rY r*r Fig. 9 Results of crabbing & still turn test : Y forces & N moments 이상과같이해석되어진결과를이용하여실선속도 8kts 에해당하는모형선속도 1.11kts 에대해서시뮬레이션을수행하였으며, 일반적인중 고속에대한수학모형을이용한시뮬레이션결과와저속수학모형에대한결과를비교하였다. Fig. 1 은좌현 35 o POD 각에대한선회시험을시뮬레이션한그림이고, Fig. 11 은 1 o /1 o Zig-Zag 시험을, Fig. 12는 2 o /2 o 지그재그시험을시뮬레이션한것이다. Fig. 1 을보면저속수학모형에의한시뮬레이션의선회각속도가일반중 고속수학모형에의한결과보다크게계산되어서전반적으로선회반경이작아지는특성을보여주고있다. 하지만사항각과선속에있어서의차이는그다지크지않은것으로보아수학모형의차이가선회각속도에미치는영향이상대적으로크다고판단된다. Fig. 11 과 Fig. 12 의지그재그시험의결과도비슷한경향을보여주고있다. 즉, 저속수학모형에의한선회각속도가피크부분에서일반중 고속수학모형에의한결과보다크게계산되고있다. 이에따라시간적으로도저속수학모형에의한결과가약간앞서고있는현상을볼수있다. Fig. 11 의 1 o /1 o Zig-Zag 시험결과에서선회각속도의변화는 Fig. 12 의 2 o /2 o Zig-Zag 시험결과와다른특성을보여주고있다. 1 o /1 o Zig-Zag 시험에서는선회각속도가완만하게감소하다가선수각이 1 o 가되면서 POD 가반대방향 1 o 로바뀌면서선수각속도가급격하게반대방향으로증가하는특성을보이고있다. 그이후에는같은특성을보이면서 POD 각도의변화에따라선수각속도가완만함과급격한변화를보여준다. 이러한특성은 2 o /2 o Zig-Zag 시험에서는나타나지않는것을보면 POD 각도 1 o 근처에서보이는특성으로생각된다. JSNAK, Vol. 5, No. 6, December

6 2 축 POD 여객선의조종운동수학모형특성연구 Advance (Lpp) General Speed Slow Speed Heading Angle(deg.) Heading Angle(General) Yaw Velocity(General) Heading Angle(Slow) Yaw Velocity(Slow) Yaw Velocity(deg/sec) Transfer (Lpp) time(sec) Fig. 11 Simulation results of 1 o /1 o zig-zag test Drift Angle(deg.) Heading Angle(deg.) -1-2 Drift Angle(General) Speed(General) Drift Angle(Slow) Speed(Slow) time (sec) -2-4 Heading Angle(General) Yaw Velocity(General) Heading Angle(Slow) Yaw Velocity(Slow) time (sec) Fig. 1 Simulation results of 35 o port turning test Speed (knots) Yaw Velocity(deg/sec) 그리고시뮬레이션결과를실선속도 16kts 에해당하는모형선속도 2.22kts 에대한자유항주시험결과와도비교한결과가 Table 5에정리되어있다. 자유항주시험은구속모형시험과마찬가지로한국해양과학기술원선박해양플랜트연구소가보유하고있는해양공학수조에서구속모형시험과같은모형선을이용하여수행되었다. 단, 구속모형시험은실선속도 8kts 에대해서수행되었다. Table 5의시뮬레이션결과는자유항주시험결과와비교하기위하여모형선속도 2.22kts 에대해서수행한결과이다. 시뮬레이션결과는좌현과우현에대해서대칭이므로같은값이나오지만, 자유항주시험은시험특성상좌현과우현에대한결과가 Heading, Rudder Angles(deg.) Heading Angle(General) Yaw Velocity(General) Heading Angle(Slow) Yaw Velocity(Slow) time(sec) Fig. 12 Simulation results of 2 o /2 o zig-zag test Yaw Velocity(deg/sec) 약간의차이를보인다. 따라서본비교결과에서는자유항주시험결과의경우좌현과우현에대한값의평균값을이용하였다. 자유항주시험의경우횡동요가포함된시험이어서횡동요가포함되지않은시뮬레이션결과에비하여선회성능은우수하고, 지그재그성능은나쁘게추정할수가있다. 모든것을감안해도일반중 고속수학모형에의한결과가저속수학모형에의한결과보다자유항주시험결과에근사하고있는것을알수있다. Table 5 Simulation results ( =2.22kts) Parameter 35 o Turning Advance Tact. Diam. 1 o /1 o zig-zag 1st overshoot angle 2nd overshoot angle 2 o /2 o zig-zag 1st overshoot angle 2nd overshoot angle General Speed 2.28 L 2.44 L Slow Speed 1.93 L 1.98L Free Running 2.25 L 2.2 L 8.24 o 8.58 o 5. o 9.22 o 1.2 o 7.25 o 7.35 o 8.8 o 9.95 o 7.14 o 8.74 o 9.95 o 434 대한조선학회논문집제 5 권제 6 호 213 년 12 월

김연규 윤근항 김선영 손남선 5. 결언 본논문에서는 2축 POD 추진기를갖는여객선의조종성능을추정하였다. 일반적인중 고속에대한수학모형과저속에대한수학모형을이용하여추정한결과를비교하여수학모형에따른조종성능특성에대한검토를수행하였다.

자유항주시험결과와비교한결과일반적인중 고속조종운동수학모형에의한결과보다저속수학모형에의한결과가선회각속도를크게추정해주는경향을알수있었다. 추후다른형태의저속수학모형에대한연구와중 고속조종운동뿐만아니라저속조종운동에대한상호비교가필요하다고생각된다.

Journal of Ships and Ocean Technology, 9(1), pp.1-1. Jang, H.S. Lee, H.J. Joo, Y.R. & Chun, H.H., 23. Review on the Hull Form Characteristics of a High-Speed Passenger Ferry.

Comparative study on the performance of POD type waterjet by experiment and computation. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, 2(1), pp.1-13. Kim, S.Y. Youn, Y.D. & Sul, S.

7 김연규 윤근항 김선영 손남선 5. 결언 본논문에서는 2축 POD 추진기를갖는여객선의조종성능을추정하였다. 일반적인중 고속에대한수학모형과저속에대한수학모형을이용하여추정한결과를비교하여수학모형에따른조종성능특성에대한검토를수행하였다. 이를위하여 CPMC (Computerized Planar Motion Mechanism) 구속모형시험을수행하여수학모형을구성하는조종유체력계수들을구하였으며, POD 추진기에대한단독시험을별도로수행하여 POD 추진기에대한모델링을수행하였다. 자유항주시험결과와비교한결과일반적인중 고속조종운동수학모형에의한결과보다저속수학모형에의한결과가선회각속도를크게추정해주는경향을알수있었다. 추후다른형태의저속수학모형에대한연구와중 고속조종운동뿐만아니라저속조종운동에대한상호비교가필요하다고생각된다. 후기 본논문의내용은지식경제부에서지원한 차세대고부가가치선박의기반기술개발 과제와한국해양과학기술원의주요사업인 제한수역에서의선박운항시뮬레이션기술고도화 과제의연구결과의일부이다. References Go, S.C. Seo, H.W. & Chang, B.J., 25. On the Model Tests for POD Propulsion Ships. Journal of Ships and Ocean Technology, 9(1), pp.1-1. Jang, H.S. Lee, H.J. Joo, Y.R. & Chun, H.H., 23. Review on the Hull Form Characteristics of a High-Speed Passenger Ferry. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 4(4), pp.1-7. Kim, M.C. Park, W.G. Chun, H.H. & Jung, U.H., 21. Comparative study on the performance of POD type waterjet by experiment and computation. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, 2(1), pp Kim, S.Y. Youn, Y.D. & Sul, S.K., 27. Suppression of the Thrust Loss for the Maximum Thrust Operation in the Electric Propulsion Ship. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 44(3), pp Kim, Y.G. Kim, S.Y. Park, Y.H. Yu, B.S. & Lee, S.W., 26. Prediction of Maneuverability of a Ship with POD Propulsion System. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 43(2), pp Kim, Y.G. Yeo, D.J. Kim, S.Y. Yun, K.H. & Oh, B.I., 29. Prediction of Maneuverability of KCS by CPMC Captive Model Test. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 46(6), pp Lee, S.K. Lee, J.H. Rhe, K.P. & Choi, J.W., 212. The Effect of the Turning Rate of the Pod Propeller on the Roll Control System of the Cruise Ship. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 49(1), pp Lee, Y.Y. Van, S.H. Lee, C.J. Park, J.S. & Park, N.J., 25. A study on design and resistance performance of a trimaran with POD. Proceedings of the Annual Spring Meeting of the Society of Naval Architects of Korea, pp Yeo, D.J., 212. On the Crabbing Tests of Cruise Vessel Equipped with Bow Thrusters and POD System. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 49(4), pp Yoshimura, Y., Mathematical Model for the Manoeuvring Ship Motion in Shallow Water (2nd Report) - Mathematical Model at Slow Forward Speed. Journal of the Kansai Society of Naval Architects, Japan, 21, pp 김연규윤근항김선영손남선 JSNAK, Vol. 5, No. 6, December

<313220BDC5C7F6B0E628BFCF292E687770>

<313220BDC5C7F6B0E628BFCF292E687770> 대한조선학회논문집 Journal of the Society of Naval Architects of Korea Vol. 48, No. 5, pp. 465-472, October 2011 http://dx.doi.org/10.3744/snak.2011.48.5.465 구속모형시험을이용한 KCS 선형의조종성능추정 신현경 1, 최시훈 1 울산대학교조선해양공학부 1