대한조선학회논문집 Journal of the Society of Naval Architects of Korea pissn:1225-1143, Vol. 49, No. 6, pp. 491-497, December 2012 eissn:2287-7355, http://dx.doi.org/10.3744/snak.2012.49.6.491 트윈스케그적용대형로팩스선의선형개발 이화준 1, 장학수 1 홍춘범 2 안성목 2 전호환 3 삼성중공업 ( 주 ) 특수선기술지원팀 1 삼성중공업 ( 주 ) 조선해양연구소 2 부산대학교조선해양공학과 3 Hull-Form Development of a Twin-Skeg Large Ro-Pax Ferry Hwa Joon Lee 1, Hag-Soo Jang 1 Chun-Beom Hong 2 Sung-Mok Ahn 2 Ho-Hwan Chun 3 Technical Engineering Team, Samsung Heavy Industries Co., Ltd. 1 Marine Research Institute, Samsung Heavy Industries Co., Ltd. 2 Department of Naval Architecture & Ocean Engineering, Pusan National University 3 This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. A hull-form for a 32,000G/T class Ro-Pax ferry has developed in accordance with a need of ferry operators to reduce fuel oil consumption(foc) due to the drastic increase in oil prices recently and strengthening of environmental rules and regulations such as CO 2 emission. A twin-skeg type is applied as the hull-form in lieu of an open-shaft type in order to improve propulsion performance. In order to achieve this object, flow control devices are installed to reduce a propeller induced vibration which is a main reason to obstruct the application of twin-skeg type passenger vessels owing to an uncomfortable vibration level. Numerical simulation by using an in-house code and a commercial code (Fluent) has performed to find out an optimum design of the flow control devices and to check an improvement in cavity volume. Model tests in Samsung Ship Model Basin are carried out to evaluate propulsion performance with the developed twin-skeg type hull and a reference hull of open-shaft type. In conclusion, it is shown that the twin-skeg type hull is better than the open-shaft in FOC by around 7% and in cavity volume by 20% as well. Ro-Pax ferry: Ro-Ro & Passenger ferry Keywords : Twin-skeg( 트윈스케그 ), Ro-Pax ferry( 로팩스선 ), FOC( 연료소모량 ), Flow control device( 유동제어장치 ) 1. 서론 연료소모량저감에대한시장의요구가증대되었다. 한편, 선박의 국제해상인명안전협약 (SOLAS) 에따르면, 여객선은 12 명을초과하는승객을운송하는선박으로, Fig. 1과같이운송화물의종류와운송목적에따라페리선, 로팩스선, 크루즈페리선및크루즈선으로구분될수있다. 단, 로로선은승객은태우지않고 Ro-Ro(Roll-on Roll-off) 화물만을운송하므로여객선의범주에포함되지않는다. 대형로팩스선의발주는 2008 년미국발금융위기이후주춤한상황이지만, 향후기존선대의교체수요발생과약 1.3% 의물동량수요증가로증가세가전망되고있다 (Clarkson Research Services Limited, 2011). 그러나국제해사기구 (IMO) 의선박오염방지국제협약 (MARPOL) 에서규정하는 EEDI(Energy Efficient Design Index) 인증법제화를통한이산화탄소 (CO 2 ) 배출규제강화를 2013 년 1월 1일이후강제화하고, 안정세를보이던유가도 2002 년이후증가세로전환되어 2012 년 8월말현재 96.5 $/ 배럴 (WTI 기준 ) 로 2002 년대비약 2.5 배가상승된상태로, 이에따라 Fig. 1 Type of passenger vessel 속력성능은 19 세기 Froude 의저항에대한과학적인접근이후, 과학적이론에근거한개선방안, 모형시험을통한성능개선및 CFD 기법을활용한최적선형도출등의다양한방법으로선형 접수일 : 2012 년 9 월 3 일 1 차수정일 : 2012 년 10 월 17 일 게재확정일 : 2012 년 11 월 21 일 Corresponding author : hwajoon.lee@samsung.com, 055-630-6524
트윈스케그적용대형로팩스선의선형개발 및부가물설계최적화가지속적으로진행되어현재는최적화기술이충분히확보되었다고판단된다. 더불어 CFD solver 가상용소프트웨어로일반화되고다양한 In-house 코드의개발로선형개발시의설계최적화과정이보편적으로적용되고있어서성능의추가개선이쉽지않은상황이다 (Saunders, 1957; Jang, et al., 2003; Lee, et al., 2004). 따라서, 본연구에서는발상의전환을통한대형로팩스선의성능개선을극대화할수있는방안을도출하였다. 즉, 항만내흘수제한및엄격한복원성능과운동성능의요구등으로여객선에일반적으로적용되는 2축오픈샤프트선형대비추진효율이약 4% 우수한것으로알려진 2축트윈스케그선형의적용을검토하였다 (ABB Industry Oy, 2001). 그러나트윈스케그선형은추진효율이우수한반면에프로펠러기진력이크고기진원이선미벌브를통해선체로직접전달되기쉬워선체진동을유발하게되며, 이러한이유로승객의안락함이중시되는여객선에는그동안적용을못하였다. 본연구에서는추진효율의개선은물론이고유동제어장치를활용한 2축트윈스케그선형의프로펠러기진력감소로승객의안락성도확보할수있는대형로팩스선의선형개발을시도하였다. Fig. 2 Reference vessel in operation 2. 개발대상선박 삼성중공업 ( 주 ) 는그리스의 Minoan Lines 사, 네덜란드의 Norfolkline 사및스웨덴의 Stena RoRo 사에대형로팩스선 8척을 성공적으로인도하였다 (Joo, 2001; Jang, et al., 2006; Significant Ships 2011, 2012). 본연구에서는개발선박의주요 제원을선정하기위해발주가유력한유럽선주사와긴밀한 협의를수행하였으며, 개발결과를비교하기위한실적선박으로 삼성중공업에서인도한 8척중 2011 년에인도된 Stena Transporter 호를선정하였다. 개발선과실적선의주요제원을 Table 1에비교하였으며, 실적선의운항모습과일반배치를각각 Fig. 2, 3에보였다. Table 1 Comparison of principal particulars Unit Development Reference Gross Tonnage G/T 32,000 33,700 LOA x B m 212.5 x 27.3 212.0 x 26.7 Td m 6.25 6.3 Cb - 0.62 0.60 Power @ NCR kw 24,480 16,850 Speed kts 22.5 22.2 No. of Pax. P 1,000 300 Trailer Lane m 3,000 4,050 Fig. 3 General arrangement of the reference vessel 3. 트윈스케그선형적용방안 트윈스케그선형은 Fig. 4와같이 1축추진선보다는추진효율이낮지만, 2축추진이필요한경우에는 2축오픈샤프트선형대비추진효율이우수한특성을보인다. 따라서, 항만내흘수제한등으로 2축추진시스템의적용이요구되는로로선에일반적으로적용되어왔으며, 최근선박의고속화에따라프로펠러부하가큰대형컨테이너선이나 LNG 운반선의경우에도트윈스케그선형이적용되고있다. 그러나, 여객선의경우에는 Fig. 5와같이선미벌브의존재로불균일한선미유동장이발생하고, 프로펠러기진력이증가하여축계를통한진동이선체로직접전달되며승선감이떨어지는문제가있다. 또한, 선미벌브의내부공간협소로축계작업등생산공정에어려움을초래할수있어서트윈스케그선형의여객선적용에어려움이있었다. 492 대한조선학회논문집제 49 권제 6 호 2012 년 12 월
이화준 장학수 홍춘범 안성목 전호환 설계시내부공간에충분한작업공간을확보해주고, 선미벌브가 1축선대비날씬하여발생하는 Whirling 진동의축계베어링을통한선체전달문제는선미벌브하부면적을키우고, 축계배치를단순화하는것으로해결될수있다. 4. 트윈스케그대형로팩스선선형개발 Fig. 4 Propulsive efficiency (ABB Industry Oy, 2001) 개발선의주요제원은 Table 1과같으며, 2축추진선박의선미부형상차이를 Fig. 7에나타내었다. 오픈샤프트선형이선미중앙부에센터스케그를두고추진축을스트럿이지지하는구조를택한반면에, 트윈스케그선형은선미벌브를길게연장하여추진축을바로프로펠러에연결하는선체구조를보인다. (a) Open-shaft type (a) Open-shaft hull (Reference) (b) Twin-skeg type Fig. 5 Wake distribution and propeller cavity 일반선의경우는선박의추진효율개선의관점에서 Fig. 6과같이 Vortex generator, SAVER Fin 등다양한유동제어장치에대한연구결과가실선에적용되었다. 본연구에서는유동제어장치가반류분포의개선에따른기진력감소의효과가있음을감안하여트윈스케그선형의수선아래선미부에유동제어장치를설치하여프로펠러면으로의유선을반듯하게펴고반류분포를보다균일하게개선하여프로펠러기진력을감소코자하였다. (a) Crude oil tanker (b) LNG carrier Fig. 6 Examples on the application of commercial vessels 또한, 트윈스케그선형을적용하는경우, 선미벌브내부공간협소로인한축계작업등에대한생산작업이어려운문제는선형 (b) Twin-skeg hull (Development) Fig. 7 Comparison of twin shaft stern profiles 4.1 최적선형개발본연구에서는실적선의선수벌브가과도하여발생한저항증가를최소화하기위해, 트윈스케그선형의개발에앞서실적선에대한선형최적화과정을수행하였다. 선형최적화는삼성중공업의 In-house 코드인 Fig. 8의 RAPID-HOP' 를사용하여선형의체적분포를최적화하는과정을통해조파저항을최소화하였다. 한편, 실적선에적용된 Knuckle bulb 와일반적인 High bulb 및여객선에많이사용되는 Gooseneck bulb 를대상으로구상선수의높이를바꿔가며상용 CFD solver 인 Fluent 를사용한선체주위유동장비교계산을수행하였다. Gooseneck bulb 가비교에서좋은결과를보였으며, Fig. 9와같이구상선수의조파저항상쇄효과와자체저항증가사이의절충안을선택하여구상선수최적화설계를수행하였다. Fig. 10 은이와같은최적화설계를통해선수부파고가상당히낮아지고선체전반적으로파도의차이가완화된결과를보여최적선형의조파저항이개선될것으로전망된다. JSNAK, Vol. 49, No. 6, December 2012 493
트윈스케그적용대형로팩스선의선형개발 결과로스트럿암단면각도는내측스트럿이 -0.5 도, 외측스트럿은 -4 도로최적화되었다. 이때, 각도는스트럿단면의트위스트앵글은작업성을고려하여무시하였고, 평균각도를취하여선정되었으며, (-) 부호는 Fig. 11 과같이선측반대쪽으로회전함을의미한다. 그리고, 프로펠러의회전방향을선정하기위해회전방향최적화시험이수행되었으며, 선미에서선수방향으로보았을때센터라인 (center line) 쪽으로회전하는경우가 (inward) 선측방향으로회전하는경우 (outward) 대비요구마력이 2.5% 우수하여본선의프로펠러회전방향은 Inward 로선정하였다. Fig. 13 은프로펠러가 Inward 로회전할때에대한초기타각최적화시험결과를보이며, 초기타각 1.5 도일때 0.5% 의자항개선의효과가있음을나타내고있다. Fig. 8 Samsung's In-house code 'RAPID-HOP' (a) Reference (b) Development Fig. 9 Optimization of bulbous bow Fig. 11 Definition of angles related to strut design Fig. 12 Sep-up for strut angle optimization tests Fig. 10 Improvement of wave profile 또한, 최적선형의부가저항을최소화하기위해부가물최적화시험을수행하였다. Fig. 11 은스트럿설계시적용되는 3가지각도에대한정의를보이며, Vee angle 과 Rake angle 은실적선결과를반영하여 66 도와 20 도가각각적용되었고, 스트럿암의축과스트럿단면의중심축이형성하는스트럿암단면각도를최적화하기위한실험장치의모습을 Fig. 12 에보여준다. 즉, 스트럿대신에더미브라켓을설치하여축계를지지하고, 5공피토튜브를이용해스트럿주위의유동을계측하였다. 계측 Fig. 13 Results of rudder initial angle test 4.2 스케그최적설계트윈스케그선형을계획할때, 주요한최적설계인자로는 Fig. 14 와같이스케그사이의거리와스케그수직각도가있으며, 스케그수직각도는축계에대한스케그의수직각도로정의되고, 494 대한조선학회논문집제 49 권제 6 호 2012 년 12 월
이화준 장학수 홍춘범 안성목 전호환 본연구에서는저항및반류분포에대한설계인자의영향을고려하여최적스케그요소를선정하였다. Fig. 17 Wake distribution for skeg distance Fig. 14 Design factor of twin-skeg hull-form Fig. 15 Wake distribution for skeg vertical angle variation Fig. 18 Resistance for skeg distance 4.3 유동제어장치최적설계 유동제어장치는선미유선의조정을통해반류분포를보다균일하게하여자항요소의개선과프로펠러기진력의감소를위해선미벌브가시작하는위치에핀을부착하는것으로설계되었다. 핀의부착위치와각도는파라메트릭검토로선정 Fig. 16 Resistance for skeg vertical angle variation Fig. 19 Configuration of flow control device 먼저, 스케그수직각도최적화를위해프로펠러직경이 4.6m 이므로선폭의 37% 를스케그간거리로가정하고, 각도를 8도, 15 도, 20 도로바꿔가며반류분포를 Fig. 15 와같이비교하였으며, 각도가작을때가미소하게반류분포가균일한결과를보이고있다. 반면에, 저항증가는 Fig. 16 과같이각도가작을때저항이크게추정되는결과를보이고있어서본선의스케그수직각도는 15 도로선정하였다. 한편, 스케그간거리는선폭의 37% 와 44% 를비교하였으며, Fig. 17, 18 은스케그간거리의변화에대해반류분포는유사하나, 거리가증가하면저항도증가하는결과를보여서스케그간거리는선폭의 37% 로선정하였다. (a) Without flow control device (b) With flow control device Fig. 20 Streamlines at stern frame JSNAK, Vol. 49, No. 6, December 2012 495
트윈스케그적용대형로팩스선의선형개발 되었으며, 길이방향으로는스테이션 3번, 높이방향으로는 1m 수선에중심점을두고길이 2.1m 폭 0.3m 의핀을수선에 12 도각도를갖고설치하였고, Fig. 19 는핀의부착위치와형상을보이고있으며, Fig. 20 은핀을부착해서유선의흐름이개선된결과이다. Fig. 21 은트윈스케그선형에핀을부착하여반류분포가개선되고프로펠러캐비티가감소한결과를보여준다. (a) Optimized hull-form to reference (Open-shaft) (a) Without flow control device (b) Developed hull-form (Twin-skeg) Fig. 22 Ship models for twin-skeg Ro-Pax ferry (b) With flow control device Fig. 21 Wake distribution and propeller cavity 5. 모형시험을통한성능검증 트윈스케그적용대형로팩스선선형이이상과같이수치계산을이용한최적설계로개발되었으며, 성능을검증하기위해삼성중공업대덕선박연구센타내수조에서모형시험을수행하였다 (SSMB, 2011). 모형선의축척비는 1/24 이며, Fig. 22 는실적선 (Open-shaft hull-form) 을개선한최적선형과개발선 (Twin-skeg hull-form) 의모형선을보여주고있다. 실험결과는실적선, 최적선형및핀이없는경우와있는경우의개발선에대한속력-마력곡선을 Fig. 23 에나타내었다. 최적선형은실적선대비배수량이약 5.3% 증가하였음에도계획속력 22.5 노트에서요구마력이오히려 1.5% 개선되었으나, FOC 저감에대한시장의요구를감안하면만족할만한결과로고려하기는부족하였다. 한편, 개발선은최적선형대비 3.6% 의마력절감을달성하였고, 핀을부착하면요구마력이 0.4% 증가함을감안하면, 유동제어장치를갖는개발선은실적선대비배수량이 5.3% 증가하였음을감안하지않더라도 4.7% 의소요마력절감효과를보이고있어서 FOC 저감에대한시장의요구를만족하는것으로판단되었다. 또한, 개발선에대한인터셉터적용을위한모형시험결과는 2.3% 마력절감효과를보이고있어, 실적선대비전체개선효과는 7.0% 이며, 이결과를 Table 2에요약하였다. Fig. 23 Comparison of speed-power curve Table 2 Required power to service speed of 22.5 knots Hull-form Description M/E Power Reference Open-shaft 100 % Optimized hull Developed hull Open-shaft (w/ Interceptor) 98.5 % (95.6 %) Twin-skeg 94.9 % Twin-skeg w/ Fin 95.3 % Twin-skeg w/ Fin & Interceptor 93.0 % Effect of the displacement increase, 5.3 %, is not considered in the above figures. 한편, 프로펠러기진력에대한개선결과를파악하기위해실적선과개발선의반류분포를계측하여 Fig. 24 와같이나타내었고, 계측결과를토대로프로펠러캐비티를추정하였다. 496 대한조선학회논문집제 49 권제 6 호 2012 년 12 월
이화준 장학수 홍춘범 안성목 전호환 Fig. 25는개발선의캐비티체적이실적선대비약 20% 감소한결과를보여주고있어서, 승객의안락성확보측면에서도본개발선이대형로팩스선에적용될수있을것으로판단되었다. (a) Reference vessel (b) Developed vessel with fin Fig. 24 Results of wake measurements Fig. 25 Comparison of cavity volume 6. 결론 대형로팩스선건조시장은유가상승과친환경규제의강화로연료소모비저감에대한요구가증가하는추세로, 본연구에서는이러한수요에대응하기위해자항성능이우수한트윈스케그선형을대형로팩스선에세계최초로적용개발하였으며, 유동제어장치활용을통한프로펠러기진력감소로승객의안락성을개선하여트윈스케그선형을여객선에적용가능하도록개발하였다. 개발선은삼성중공업대덕선박연구센타내수조에서모형시험을수행하여성능이검증되었으며, 계획속력 22.5 노트에서실적선대비배수량이 5.3% 증가되었음에도요구마력이오히려 7.0% 개선된결과를보여연료소모비를효과적으로절감하였고, 유동제어장치를활용한프로펠러기진력감소는캐비티체적이실적선대비 20% 절감되어높은수준의여객선진동요구수준을만족할수있어서, 본개발결과가대형로팩스선에성공적으로적용될수있는것으로판단된다. 본연구결과는특허로도출원이되었으며 (Lee & Hong, 2012), 향후연료소모비저감과승객의안락한승선감확보를통한여객선건조기술차별화로수주경쟁력의제고가전망된다. 참고문헌 ABB Industry Oy, 2001. The CRP Azipod Propulsion Concept - The most economic way from crane to crane, ABB Industy Oy 3BFV000388R01 Rev. B. Clarkson Research Services Limited, 2011. The Newbuilding Market 2011~2023, Shipbuilding Forecast Club, Forecast Report, March 2011. Jang, H.S. Lee, H.J. Joo, Y.R. & Chun, H.H., 2003. Review on the Hull Form Characteristics of a High-Speed Large Passenger Ferry. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 40(4), pp.9-15. Jang, H.S. et al., 2006. Development of large Ro-Pax ferry for operation in the English Channel. Proceedings of Fall Meeting of Society of Naval Architecture of Korea, Busan, Republic of Korea, 15-16 May 2006. Joo, Y.R., 2001. Performance of 28,000GT High Speed Ro-Ro Passenger Ferry for Minoan Lines. Proceedings of Cruise+Ferry 2001, London, UK, 8-10 May 2001. Lee, H.J. Jang, H.S. & Chun, H.H., 2004. Study on the Shaft-Strut Design in the Initial Design Stage. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 41(6), pp.114-120. Lee, H.J. & Hong, C.B., 2012. Twin skeg vessel. Korean Pat. 10-2012-0086442. Saunders, H.E., 1957. Hydrodynamics in Ship Design. The Society of Naval Architect & Marine Engineers. Significant Ship of 2011, 2012. The Royal Institution of Naval Architects, 2012. SSMB, 2011. Calm Water Model Tests for 3,000LM Ro-Ro Passenger Ferry, SSMB Report No. R2109162TT-P3, Samsung Ship Model Basin, 2011. 이화준장학수홍춘범안성목전호환 JSNAK, Vol. 49, No. 6, December 2012 497