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규필 엽
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1 대한조선학회논문집 Journal of the Society of Naval Architects of Korea 제42권제3호 2005년 6월 Vol. 42, No. 3, pp , June 2005 김문찬 *, 전호환 *, 박원규 **, 변태영 *, 김종현 ***, 서성부 **** 부산대학교조선해양공학과 *, 부산대학교기계공학부 ** ( 주 ) 로템 ***, 중소조선기술연구소 **** Design and Analysis for the POD Type Waterjet System Moon-Chan Kim *, Hohwan Chun *, Wonkyu Park **, Tae-Young Byun *** Jong-Hyun Kim **** and Sung Bu Suh ***** Department of Naval Architecture & Ocean Engineering, Pusan National University* School of Mechanical Engineering, Pusan National University** ROTEM Company *** Research Institute of Medium & Small Ship Building **** Abstract A study of design and analysis for the POD type waterjet is conducted. The analysis and design of waterjet system are more difficult than that of conventional propulsor because waterjet is complicatedly composed of many parts which are impeller, stator, inlet, nozzle, etc. The streamline method is traditionally used in the design of pump whose characteristics are similar to those of waterjet. This streamline method, however, has some limitation in analysis of a viscous flow as well as the interaction of inlet part of hull. In the present study, the developed CFD program is applied to the analysis of POD type waterjet. The developed program is first validated by comparing the existed experimental results. The designed waterjet system is also analyzed by the developed CFD program and analyzed results show that the performance of the present POD type waterjet is above the requirement. Keywords: POD type waterjet( 포드형워터제트 ), Design method( 설계방법 ), CFD program(cfd 프로그램 ), Amphibious wheel vehicle( 수륙양용차륜차량 ) 접수일 : 2004년 6월 3일, 승인일 : 2005년 6월 13일 주저자, kmcprop@pusan.ac.kr 주저자. Tel:

2 서론물분사추진은일반프로펠러와같이캐비테이션이쉽게발생되지않아선박의고속화에따라선박추진기의차세대주자로각광을받고있다. 이러한워터제트추진은선박뿐아니라단위면적당높은부하를요구하는도하용전투차량과같은경우에도효과적으로사용될수있다. 본연구에서다루고자하는차륜전투차량의경우선박에비하여무게가무겁고차체가유선형화되어있지못해큰추진력이필요하며일반프로펠러를적용할경우프로펠러직경이매우커져야하며또한손상의위험성이있기때문에워터제트추진이적합하다할수있다. 본차륜전투차량은전투차량중에서는비교적무게가가볍고폭에비해길이가큰형상으로저항성능이다른전투차량에비해우수하므로플러쉬형보다비교적부하가작게소요되는 POD 형워터제트를장착하는것이가장최적이라판단된다. 물분사추진을선박에도입하기위한첫번째시도는이미 17세기부터있어왔다. 하지만기술적인한계와추진원리에대한이해가없어실용화되지못하다가 19세기중반에이르러서야서서히물분사추진을도입한선박이출현하기시작하였다 년대까지는펌프기술의한계와추진효율이일반프로펠러에비해떨어진다는이론이지배적이어서본격적으로사용되지않았지만근래에이르러좀더합당한이론들 (Kim et al. 1993) 이발표되면서물분사추진의도입이본격화되었다. 부산대학교에서는소형플러쉬형물제트에대한연구 ( 전호환등 2001, 왕정용등 2001, 전종길등 2002, Chun et al. 2003, Kim et al. 2003) 를수행한바있으며이를토대로본연구를수행하게되었다. 워터제트및펌프의가장일반적인분류법은비속도 (specific speed) 에의한분류를들수있다. 이는유체량과압력에대한비라할수있는바이비속도가크면시간당유량이클수록유리하고반대의경우는압력차이를크게하여야효율적인워터제트가될수있다. 이비속도의크기에따라축류형, 혼합형, 사류형워터제트로분류하고있으며, 이는일반펌프에서의분류방법에따른것 이다. 즉축류형의경우압력차에의한추진보다는유체의유량을많이분사시켜추력을얻는개념의워터제트로써사류형에비하여짧고단순한덕트구조를하고있다. POD 형워터제트의경우는비속도가굉장히높아전형적인축류형이라할수있으며덕트가짧아일반배에서사용하는덕트형프로펠러와유사하다할수있다. 유량을많이송출하는형이므로인렛노즐비가커서제트효율은좋으나펌프효율은프러쉬형에비하여다소떨어진다. 또한유동의유입이매우용이하여인테이크부에서의손실및캐비테이션의위험성이없는장점을가지고있다. 본연구에서는 POD 형워터제트에대한설계개념과개발된프로그램을이용한해석을통하여효과적인 POD 형워터제트의개발이될수있는방향에대하여제시하였다. 개발된 POD형워터제트를위한점성해석프로그램을잘알려진터빈의기존실험결과와비교하여검증하였으며또한 POD 형워터제트에대한모형시험결과와비교하여타당성을확인하였다. 검증된프로그램을이용하여실선워터제의성능을추정하였다. 2. 워터제트설계군사용전투차량을위한도하용추진장치는다음과같은기본요건을충족시키는설계가되어야한다. - 악조건에서견딜수있는충분한강도유지 - 날개끝에서캐비테이션억제 - 입수및출수시를위한충분한마력흡수이와같은조건을만족하기위하여날개끝의두께및폭을키워강도및캐비테이션억제를할수있게하였으며날개수를 5개로결정하여충분한전개면적및마력흡수가될수있도록하였다. 또한날개끝에서의피치를감소시켜캐비테이션이억제되게하였으며 POD 형워터제트의특성상길이가짧아스테이터의날개수를 11개로하여노즐에서분사되는물의회전에너지를흡수하여제트가직진성을가질수있도록설계하였다. 워터제트와유사한펌프설계에서는통상적으로평균유선법에의한설계프로그램을사용하여왔으 대한조선학회논문집제 42 권제 3 호 2005 년 6 월

292 김문찬, 전호환, 박원규, 변태영, 김종현, 서성부 나그정도에있어서점성을고려하지못하고있기때문에특히워터제트시스템을설계하기에는부적절하다할수있다. 본연구에서는개발된 CFD 프로그램을사용하여반복적인방법으로설계를시도하였으며먼저전체적인효율및필요마력등을기존의유사모형시험결과및모우멘텀이론에의해간략하게추정하여보았다.

3 292 김문찬, 전호환, 박원규, 변태영, 김종현, 서성부 나그정도에있어서점성을고려하지못하고있기때문에특히워터제트시스템을설계하기에는부적절하다할수있다. 본연구에서는개발된 CFD 프로그램을사용하여반복적인방법으로설계를시도하였으며먼저전체적인효율및필요마력등을기존의유사모형시험결과및모우멘텀이론에의해간략하게추정하여보았다. 추정된결과를토대로덕트형프로펠러에대한자료 (Van Manen 1962) 를이용하여기본제원 ( 평균피치, 전개면적비, 날개수 ) 을참조하였다. 초기설계된 POD 형워터제트는개발된상세해석프로그램에의해해석되어주어진마력과조건에부합할때까지반복설계되게된다. 본논문에서는지면상전과정을자세히다보여주기어려워최종설계에대하여보였다. 본연구에서사용한설계과정도를 Fig. 1에보였다. Preliminary ship geometry LBP = 6.62m B = 2.7m 흘수 = 1.7m = 16tons Preliminary design of pod type waterjet NCR Power = 100 ps per unit RPM = 2200 Required speed = 10km/h Diameter = 330mm, Impeller 설계조건을도출하기위하여아래변수들을참고자료 (Allison 1993) 를통해결정하였다. 설계속도 10km/h 에서기타성능들에대한가정치 Wake Factor, Pump Efficiency, Inlet Recovery Factor, Relative Rotative Efficiency, Fig. 1 Design procedure Height of Nozzle, Ratio of Nozzle and Inlet Area Nozzle Efficiency, Density of fresh water, 선속 10 km/h 에서펌프조건도출 Nozzle Area, where Th is predicted from resistance test results Journal of SNAK, Vol. 42, No. 3, June 2005

4 293 Jet Velocity, Flow Rate, Actual Jet efficiency, Where, OPC 여기서 OPC 는 Overall Performance Coefficient 이다. 여기서펌프효율은앞에서언급한바와같이 0.65 로일반적인워터제트의펌프효율보다다소낮게추정하였으나제트효율이인렛, 노즐비가다소큼에따라높아서로상쇄되는면이있다. 모우멘텀이론으로구한효율과모형시험의저항값을이용하여추정한전달마력을 Table 1에정리하였다. Table 1에보인바와같이펌프의효율이 0.65 정도만되면속도가약 10km/h 이상달성될수있으리라생각된다. Table 1 Estimation of full-scale required power per a unit based on resistance test results OPC EHP SHP DHP t (prediction) (km/h) (ps) ( ) (ps) (SHP/ ) 이와같은성능을달성하기위한필요수두를계산해보면다음과같다. Pump developed Head 즉필요한수두가노즐에서의수두와인렛에서의수두차이인 6.68m 이다. 끝으로펌프의특성을결정하는비속도를계산하면다음과같다. 비속도, 통상비속도가 1500 이넘으면축류형으로분류되는바현재계산된비속도는 2700 을상회하므로 POD 형은축류형중에서도극단적으로치우친축류형임을알수있다. 계산된설계점에서설계된임펠러의피치및코오드분포를 Fig. 2에서보였다. Fig. 2에보인바와같이팁에서의캐비테이션을억제하기위하여임펠러팁에서의피치를줄이고코오드를비교적크게하였다. 최종적으로설계된형상을 Fig. 3에보였다. 스테이터의설계는통상의워터제트에서사용하는아크형단면을사용하여유동이빨리직진화되도록하였으며비교적 POD 특성상코오드길이가짧아날개수를 11개로충분히많게하였으며덕트의경우는입구면적대출구면적의비를 0.56 으로하여설계하였다. 3. 성능해석 점성을고려한성능해석을위하여비압축성 Navier-Stokes 방정식을이용하여문제를정식화하였다. 비압축성유동을해석하기위하여 Park and Sankar(1993) 의 Iterative Time Marching Scheme" 을사용하였다. 인공감쇄를이용한유한차분법을사용하였으며복잡한물제트해석을위하 대한조선학회논문집제 42 권제 3 호 2005 년 6 월

294 김문찬, 전호환, 박원규, 변태영, 김종현, 서성부 여다중격자기법을사용하였다. C/D 0.42 C/D 0.4 0.38 0.36 0.34 0.32 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 r/r 3.

(1982) 에의해실험이수행된모델을사용하였다. 스테이터와로터각각에대해 2개의 H형격자 를구성하였으며, 격자생성방법은대수적방법과타원형미분방정식을사용하였다. 생성된격자와로터및스테이터, 그리고 Tip 의형상은 Fig. 4에나타내었다. 0.88 P/D 0.84 P/D 0.8 0.76 0.72 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 r/r Fig.

5 294 김문찬, 전호환, 박원규, 변태영, 김종현, 서성부 여다중격자기법을사용하였다. C/D 0.42 C/D r/r 3.1 3차원터빈을이용한코드검증본연구에서는덕트내부에로터와스테이터가상호작용을하는수중추진체의유동을계산하기에앞서추진체의형상과유사하게쉬라우드내부에로터와스테이터, 그리고로터끝단의 Tip 을가지고있으며많은연구자들에수치적으로계산되어진 3차원터빈에대해계산을수행하였다. 계산에사용된로터와스테이터는 Dring et al.(1982) 에의해실험이수행된모델을사용하였다. 스테이터와로터각각에대해 2개의 H형격자 를구성하였으며, 격자생성방법은대수적방법과타원형미분방정식을사용하였다. 생성된격자와로터및스테이터, 그리고 Tip 의형상은 Fig. 4에나타내었다 P/D 0.84 P/D r/r Fig. 2 C/D and P/D distribution of impeller according to radius (a) The side view of the turbine (b) Computational grid system Fig. 3 Profile of the designed POD type waterjet Fig. 4 Geometry and the grid system of rotor-stator turbine Journal of SNAK, Vol. 42, No. 3, June 2005

295 본연구에서개발된 3차원터빈유동계산용프로그램의검증을위해 Dring et al.(1982) 과동일한조건과동일한형상의로터와스테이터에대해유동을계산하였으며스테이터의 Mid-span 에서시간평균된압력계수를계산하여실험결과와비교하였다. Fig. 5에서는층류유동과 Baldwin- Lomax 난류모델에의한난류유동에대해로터의반경방향길 1 Fig.

6 295 본연구에서개발된 3차원터빈유동계산용프로그램의검증을위해 Dring et al.(1982) 과동일한조건과동일한형상의로터와스테이터에대해유동을계산하였으며스테이터의 Mid-span 에서시간평균된압력계수를계산하여실험결과와비교하였다. Fig. 5에서는층류유동과 Baldwin- Lomax 난류모델에의한난류유동에대해로터의반경방향길 1 Fig. 6 Grid system for POD type waterjet Cp' 0 Cp' Laminar Turburlence x/c (a) At 1/4H 1 0 Exp Laminar Turbulence 이의 1/4( 허브쪽 ), 2/4(Mid span), 3/4(Tip 쪽 ) 에서의시간평균압력계수를나타내었으며, 로터길이의 1/2 인 Mid span 에서실험결과 (Dring et al. 1982) 와비교하였다. 여기서사용된압력계수는 2차원터빈에서와마찬가지로 로정의되고, 는 Trailing edge 에서의압력을의미하고, 는날개면전체를걸쳐같은높은압력을의미한다. 층류유동과난류유동에대한계산결과는 Trailing edge 부분을제외하고는비교적실험결과와잘일치하는결과를보였다. Cp' x/c (b) At 2/4H (mid-span) 1 0 Laminar Turburlence x/c (c) At 3/4H Fig. 5 Time averaged pressure coefficient (H: rotor span) 3.2 성능해석결과본연구에서는 pod형워터제트추진기의흡입부인덕트, 로터, 스테이터및노즐의전영역에있어서유동해석을수행하였으며, 총 19개블록으로격자수는 550,350 개로구성되어있으며구성된모습을 Fig. 6에보였다. 모형시험결과와의비교를위해모형시험조건에서계산을수행하였으며모형속도 1.48m/s 즉대응대는실선속도가 10km/h 이며 3400rpm 의회전속도에서계산하였다. 먼저임펠러의설계를검증하기위하여임펠러에대한압력분포와유선분포를살펴보았다. Fig. 7의 a) 에서볼수있는바와같이압력면에서의압력분포를살펴보면팁에서의피치를상당히작게설계하였음에도불구하고다소높은압력이날개 대한조선학회논문집제 42 권제 3 호 2005 년 6 월

296 김문찬, 전호환, 박원규, 변태영, 김종현, 서성부 끝부근에분포함을볼수있다. 이는펌프와같은특성을가지는워터제트의경우덕트효과로인한팁의부하가커지는현상으로이해될수있다. 흡입면의경우 (Fig. 7c)) 도팁의앞날부근에서압력이가장낮음을알수있다.

8에서볼수있는바와같이날개면에서매우복잡한흐름이발생되게되는바이는임펠러의강력한회전흐름을직진화시키기위한역할로생기는현상이며본연구에서설계된스테이터는 Fig. 10에서볼수있는바와같이노즐에서나가는제트의회전성분없이잘직진화시키고있음을볼수있다. Fig. 9에서는펌프주위의압력분포를보여주고있으며임펠러를기준으로앞부분에는압력이낮고뒷부분은압력이높아지는모습을볼수있다.

8m/s) 를실험치 ( 계산치도실질적으로같음 ) 와비교하면현재 12m/s 로상당히비슷하며이로부터계산된필요수두도처음의예상치 (6.68m) 와비슷함을알수있다. 이러한결과로부터본연구에서설계된펌프부의성능이우수함을알수있다.

본연구에서는계산과실험치의비교를위해계측및계산하였으며실제로는앞에서계산하였듯이선속을사용하여전체모우멘텀을계산하여야하리라생각된다.

7 296 김문찬, 전호환, 박원규, 변태영, 김종현, 서성부 끝부근에분포함을볼수있다. 이는펌프와같은특성을가지는워터제트의경우덕트효과로인한팁의부하가커지는현상으로이해될수있다. 흡입면의경우 (Fig. 7c)) 도팁의앞날부근에서압력이가장낮음을알수있다. 유선의모습을살펴보면전체적으로박리현상없이잘흐르고있음을알수있으며흡입면에서의날개끝방향으로흐르는흐름은큰허브를타고오는유체의원심력적인힘이발생되는현상이라생각된다. 스테이터의경우는 Fig. 8에서볼수있는바와같이날개면에서매우복잡한흐름이발생되게되는바이는임펠러의강력한회전흐름을직진화시키기위한역할로생기는현상이며본연구에서설계된스테이터는 Fig. 10에서볼수있는바와같이노즐에서나가는제트의회전성분없이잘직진화시키고있음을볼수있다. Fig. 9에서는펌프주위의압력분포를보여주고있으며임펠러를기준으로앞부분에는압력이낮고뒷부분은압력이높아지는모습을볼수있다. 설계된 POD 형워터제트에대한모우멘텀과토오크에대한계산결과를 Table 2에보였으며실험결과와비교하였다. 노즐에서의모우멘텀은잘일치하고있으며앞에서필요수두계산시예측하였던노즐분사속도 (11.8m/s) 를실험치 ( 계산치도실질적으로같음 ) 와비교하면현재 12m/s 로상당히비슷하며이로부터계산된필요수두도처음의예상치 (6.68m) 와비슷함을알수있다. 이러한결과로부터본연구에서설계된펌프부의성능이우수함을알수있다. 여기서주의할점은본연구에서계산한 M1 은덕트입구부에서계산한모우멘텀이나이는본 POD 형과같이덕트가짧은경우임펠러의영향으로통상의워터제트에서이야기하는인렛모우멘텀이라할수없다. 본연구에서는계산과실험치의비교를위해계측및계산하였으며실제로는앞에서계산하였듯이선속을사용하여전체모우멘텀을계산하여야하리라생각된다. 토오크의경우가차이가다소많으며인렛부에서의모우멘텀도차이가나타나고있는데인렛부에서의차이는계산에있어서실제차륜차량에대한모델링을수행하지않았기때문으로생각되며토오크의차이에대하여는실험과이론모두더연구가필요 a) pressure side pressure contour b) pressure side streamline c) suction side pressure contour d) suction side streamlines Fig. 7 Pressure and streamlines distribution on rotor surface Journal of SNAK, Vol. 42, No. 3, June 2005

297 a) pressure side pressure contours Fig.

b) pressure side streamlines c) suction side

10 Pressure contour, vector, and streamlines

Fig. 8 Pressure and streamlines distribution

Momentum and torque between computation and

60% M 7(N) 127 126 0.82% Torque (Nm) 1.64 1.

8 297 a) pressure side pressure contours Fig. 9 Pressure distribution on whole pump region b) pressure side streamlines c) suction side pressure contours Fig. 10 Pressure contour, vector, and streamlines at nozzle area d) suction side streamlines Fig. 8 Pressure and streamlines distribution on stator surface Table 2 Comparison of Momentum and torque between computation and model test Model speed : 1.48m/s, RPM : 3400 Exp. Comp. Relative error M 1(N) % M 7(N) % Torque (Nm) % M 1: Momentum at inlet region, front region of duct M 7: Momentum at nozzle, the end of duct 대한조선학회논문집제 42 권제 3 호 2005 년 6 월

298 김문찬, 전호환, 박원규, 변태영, 김종현, 서성부 하리라생각된다. 이러한차이에도불구하고모형스케일의토오크를실선화하여 10km/h 의속도를내는데필요한마력을추정하면약 70PS 로설계마력 100PS보다많이작아실제로 10km/h 를상회할것으로생각된다. 이는실제로설계된워터제트의성능이초기추정치보다우수하기때문이라말할수있겠다.

- 개발된 CFD 프로그램을이용한해석에의해 POD형워터제트의설계를수행할수있음을보였다. - 설계된워터제트의성능은초기추정치보다높았으며이는실험결과와계산결과에서알수있었다. - 개발된 CFD 해석프로그램은노즐에서의모우멘텀값이실험과잘일치하였으나토오크값에서다소큰차이를보여이에대한비교연구가필요하다.

C., Ahn, B.H. and Cha, S.M. 2003, "Self-Propulsion Test and Analysis of an Amphibious Tracked Vehicle with Waterjet," SNAME annual meeting, Sanfransisco. D6. Room D133. Dring, R.P., et al.

2003, "Design of a Waterjet Propulsion System form an Amphibious Tracked Vehicle," Fast 2003 Symposium, Ischia, Italy. Kim, Y.G., Lee, J.T., Lee, C.

Park. W.G. and Sankar, L.N., 1993, "A Technique for the Prediction of Unsteady Incompressible is Viscous Flows," AIAA Paper 93-30063. Van Manen, J.D.

9 298 김문찬, 전호환, 박원규, 변태영, 김종현, 서성부 하리라생각된다. 이러한차이에도불구하고모형스케일의토오크를실선화하여 10km/h 의속도를내는데필요한마력을추정하면약 70PS 로설계마력 100PS보다많이작아실제로 10km/h 를상회할것으로생각된다. 이는실제로설계된워터제트의성능이초기추정치보다우수하기때문이라말할수있겠다. 모형시험방법및과정에대한자세한내용은참고자료 (Chun et al. 2003) 를참조하기바란다 4. 결론본연구를통하여 POD 형워터제트시스템에대한설계및성능해석방법을제시하였으며또한이를토대로 POD 형워터제트특성파악및성능향상의방향을제시하였다. 도출된결론을정리하면다음과같다. - 개발된 CFD 프로그램을이용한해석에의해 POD형워터제트의설계를수행할수있음을보였다. - 설계된워터제트의성능은초기추정치보다높았으며이는실험결과와계산결과에서알수있었다. - 개발된 CFD 해석프로그램은노즐에서의모우멘텀값이실험과잘일치하였으나토오크값에서다소큰차이를보여이에대한비교연구가필요하다. 후기본연구는 ( 주 ) 로템과첨단조선공학연구센터의지원으로연구되었으며관련제위께심심한감사를표한다. pp Chun, H.H., Kim, M.C., Ahn, B.H. and Cha, S.M. 2003, "Self-Propulsion Test and Analysis of an Amphibious Tracked Vehicle with Waterjet," SNAME annual meeting, Sanfransisco. D6. Room D133. Dring, R.P., et al., 1982, "Turbine Rotor- Stator Interaction," Journal of Engineering for Power, Vol. 104, pp Kim, M.C., Chun, H.H. and Park, W.G. 2003, "Design of a Waterjet Propulsion System form an Amphibious Tracked Vehicle," Fast 2003 Symposium, Ischia, Italy. Kim, Y.G., Lee, J.T., Lee, C.S. and Suh, J.C., 1993, "Prediction of steady performance of a propeller by using a potential-based panel method," Journal of Society of Naval Architect of Korea, Vol. 30, No. 1, pp Park. W.G. and Sankar, L.N., 1993, "A Technique for the Prediction of Unsteady Incompressible is Viscous Flows," AIAA Paper Van Manen, J.D. 1962, " Effect of Radial Load Distribution on the Performance of Shrouded Propellers," RINA Spring Meeting, pp 참고문헌 왕정용, 전호환, 차상명, 2001, 궤도차량용물분사추진기관내유동계측및점성유동해석, 대한조선학회춘계학술대회논문집, pp 전종길, 박원규, 전호환, 김문찬, 2002, 로터- 스테이터상호작용을고려한물분사추진기내부유동해석, 대한조선학회춘계학술대회논문집, pp 전호환, 안봉환, 차상명, 2001, 물분사추진궤도차량의자항성능시험및해석, 대한조선학회춘계학술대회논문집, pp Allison, J.L., 1993, "Marine Waterjet Propulsion," SNAME Transactions, Vol. 101, < 김문찬 > < 전호환 > < 박원규 > < 변태영 > < 김종현 > < 서성부 > Journal of SNAK, Vol. 42, No. 3, June 2005

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