2012 년도한국해양과학기술협의회공동학술대회 5 월 31 일 ( 목 )~6 월 1 일 ( 금 ) 대구 EXCO Vortex Generator(35K LPG 선 ) 에의한선체반류및프로펠러캐비테이션특성연구 김기섭 1, 김건도 1, 안종우 1, 박영하 1, 김성표 2 한국해양연구원 1, 대우조선해양 ( 주 ) 2 요약 본논문에서는프로펠러기진력감소용으로선체반류개선에사용되는보오텍스생성기의설치각도변화에대하여대형캐비테이션터널에서체계적인반류계측시험을수행하여프로펠러면반류분포, 프로펠러캐비테이션및변동압력특성에미치는영향을실험적방법으로조사 분석한다. 좌우현의보오텍스생성기의설치각도는대칭적비대칭적으로변화한다. 보오텍스생성기는선체반류유동장을가속하여기진력을감소하며특히시계방향으로회전하는프로펠러의경우에는프로펠러면좌현측유동장가속시에보다효율적인결과를나타낸다. 체계적인실험자료분석을통하여캐비테이션및변동압력감소관점에서보오텍스생성기설치각도및위치최적화에대한방안을모색하고보오텍스생성기적용으로발생할수있는선속감소최소화를위한방안도생각해본다. Keywords : vortex generator( 보오텍스생성기 ), propeller cavitation( 프로펠러캐비테이션 ), pressure fluctuation( 변동압력 ), wake distribution ( 반류분포 ), large cavitation tunnel( 대형캐비테이션터널 ) 1. 서론 프로펠러에유입되는반류유동을제어하여프로펠러날개에 발생하는캐비테이션과선체표면에작용하는변동압력을감소하 는장치로와류생성기 (vortex generator, 이하 V.G) 가사용되고 있다. 또한 V.G 와유사한개념으로여러형태의 Guide Plate(G.P) 를냉각수배출구주위에부착하여프로펠러유입유동 을가속하고불균일성을약화로인한캐비테이션과변동압력감 소효과, 속도성능과반류특성등의연구를수행된바있다.(Lee et al. 2009) 와류발생기장착시선박의속도에미치는영향을 수치적으로추정하는기법을제시하였다 (Choi et al. 2009) 이와같이 V.G 는프로펠러와선미형상설계로제한적인부분 에대하여선체기진력과소음감소를위한방법으로사용된다. V.G 설치로인한선속감소를최소화하고기진력감소효과를얻 기위해서는자항추진시험과캐비테이션성능시험을통하여최 적의 V.G 위치와설치각도를설정하여야한다. 본본문에서는 V.G 설치상태에따라프로펠러캐비테이션성 능특성연구를위하여대형캐비테이션터널 (Kim et al. 2009) 에모형선이설치된상태에서좌우현 V.G 의설치각도를대칭비 대칭적으로변화하면서프로펠러면에서반류분포특성변화를 실험적으로분석하고각각의경우에프로펠러캐비테이션거동 과변동압력특성을살펴본다. 이는향후프로펠러캐비테이션 성능제어를위하여사용되는 V.G 설치위치및각도선정시선체 반류유동제어관점에서방향을제시하고자한다. 2. V.G 및모형시험 모형시험에사용된 V.G 는 Fig. 1 에서는보는바와같이쇄기 형사면체이며상류부가뽀족한형태이다. V.G 는모형선좌우현 에설치되며모형선내부에는 V.G 의각도제어용방수구동모터 를좌우현 V.G 에각각설치하여시험중에도쉽게각도변화를 줄수있다. V.G 회전각도정의는기존에설치된상태를 0 0 로설 정하고 V.G 상류부뽀족한앞날부분이아래로기울때를음 (-) 의각도로하고위로움직일때양 (+) 각도로한다. 모형선 ( 축척 비 1/23.2) 의크기는약 7.4m 이며모형프로펠러직경은 250mm 이다. 대형캐비테이션터널 ( 이하 LCT) 에서수행된시험조건은 Table 1 에보는바와같이 V.G 가없는경우의자항시험결과와 V.G 가있는경우는좌현 (α_port) 과우현 (α_stb) 의 V.G 각도가모두 0 0 인경우에대한자항시험결과를사용한다. V.G 각도가 0 0 가아 닌경우는 0 0 때자항시험결과를사용한다. 정확한선속추정을
위해서는각각의경우에자항시험을수행해야하지만본본문에서는 V.G 각도변화에따라프로펠러면 (propeller plane) 에서위치별로반류유동의영향을조사를우선적으로다루며그에대응하는프로펠러캐비테이션특성에미치는영향을파악하고자한다. 각흘수조건에서 LCT 캐비테이션시험조건은 Table 1과같으며선미파고는자항시험시계측값으로캐비테이션수산정에고려된다. Table 1은캐비테이션터널시험조건을보여주며 Table 2와 3은각각 Table 1의시험조건에서프로펠러면유속증가에대응하는축회전수변화를보여준다. Draft Design w/ V.G Design w/o V.G Ballast w/ V.G Ballast w/o V.G V T (m/s) K T σ n_0.7r 선미파고 (m) 6.5 0.1790 2.009 1.48 6.5 0.1769 2.000 1.48 6.5 0.1812 1.6703 1.10 6.5 0.1837 1.6692 1.10 Fig. 2 vortex generators on port and starboard side of model ship installed at test section of LCT Table 2 Measured propeller rps at design draft condition Port V.G w/o V.G : 38.64 Starboard V.G -10 0 0 0 +10 0-10 0 40.75 41.06 42.24 0 0 39.79 40.12 41.39 +10 0 37.34 37.64 39.08 Fig. 1 Location of vortex generator and sign of angular position Table 3 Measured propeller rps at ballast draft condition w/o V.G : Starboard V.G Port V.G 36.77-10 0 0 0 +10 0-10 0 38.41 38.69 39.89 0 0 37.26 37.68 38.90 +10 0 34.25 34.52 36.36 3. V.G 가선체반류분포에미치는영향 3.1 Iso-Axial velocity contours Fig. 3 Control system of angular position of vortex generators on both sides Table 1 Test condition of cavitation performance test V.G는프로펠러면에서반류를제어하여캐비테이션특성에영향을주기때문에반류분포에미치는영향에대한세밀한검토가필요하다. 반류분포에미치는영향을분석하여선속손실을최소화하고캐비테이션변동압력감소효과를고려하여 V.G 설치위치및설치각도선정방향을생각해본다. 모형선공칭반류계측은 LCT 에서 LDV 로계측하였으며터널시험부유속은 6.5m/s 을기준으로한다. 모형선흘수는흘수판하부면경계층유동등을고려하여 70mm 를추가하였다.(Kim et al. 2010) Fig. 4는 V.G 부착유무시 V.G 좌현각도 (Ɵ P) 과우현각도 (Ɵ S) 가대칭인 -10 0, 0 0, +10 0 에대하여 design 과 ballast 흘수에공칭반류분포이다. Fig. 5는 design 흘수에서 V.G 각도변화에대한반류분포를보여준다. V.G 장착시에는대부분영역에서유속이증가하여위치별로차이는있으나반류수축
효과 (wake contraction effect) 갖는다. 특히 12 시방향반류 큰영역 (high wake region) 이조금씩감소한특징을나타내며 비대칭각도경우에는반류도비대칭분포를보인다. V.G 각 도 Ɵ P=Ɵ S=10 0 에서반류는 V.G 가없는경우와유사한분포 를갖는데이는 V.G 설치각도가유선방향과거의일치하는 것으로판단된다. 이러한현상은다음장에서서술되는원주 방향반류분포와변동압력수준도상호거의유사함을보여 물리적으로타당함을확인할수있다. Fig. 4 Iso-Axial velocity contours on variation of symmetric angular position of V.G in design and ballast condition (radii : 0.3R, 0.5R, 0.7R, 0.9R, 1.1R) 3. 2 원주방향유속분포 Fig. 6 과, Fig. 7 은각각 design 흘수와 ballast 흘수에대하여 원주방향평균유속분포를보인다. 공통적으로평균유속이큰순 서로정리하면다음과같다. 이것은 Table 2 와 3 에서보는것과 같이동일한추력을내기위해서는프로펠러회전수가증가하는 경향을보인다. 다음장에서언급되는변동압력수준과비교해보 면유속이빠른반류에서대개변동압력이낮게나타나는경향과 일치한다. Fig. 8 은반경별원주방향속도분포를보이며, Fig. 9 는반경 0.9R 과 1.1R 에서반류가큰영역 (wake peak region) 을 확대하여보여준다. Fig. 9 에서반류의최대값이되는 0 0 근처에서유속이빠르게 하는 V.G 각도가역시상대적으로변동압력수준도작으며일부 는프로펠러캐비테이션발생과소멸단계의유속분포경사각에 따른경향을보여준다. Fig. 8 에서 V.G 상태에따라반류분포를 보면프로펠러바깥반경보다도안쪽반경에서반류변화가큰 것을알수있다. 이것은 V.G 의위치, 형상및각도등이가능한 프로펠러캐비테이션이주로발생하는영역에서유속이가속되 면더욱효율적일것이라생각된다. 본대상선의경우반류 peak 근처영역에서만유동가속이가능하다면캐비테이션제어와선 속저하최소화관점에서도이상적일것이며생각된다. 그리고 V.G 가없는경우와 V.G 부착시반류분포를비교하면안쪽반경 에서반류분포에변화가많은경우에는변화된반류특성을고려 하여프로펠러부하분포최적화등을통하여프로펠러형상설계 에반영하는것이바람직할것이다. Ɵ P (Port) Ɵ S (STB) 1-10 0-10 0 2-10 0 0 0 3 0 0 0 0 4-10 0 +10 0 5 +10 0-10 0 6 +10 0 0 0 7 +10 0 +10 0 8 w/o V.G Fig. 5 Iso-Axial velocity contours on variation of angular position of V.G in design draft condition (radii : 0.3R, 0.5R, 0.7R, 0.9R, 1.1R)
Fig. 6 Distribution of circumferential mean axial velocity at design draft condition Fig. 7 Distribution of circumferential mean axial velocity at ballast draft condition Fig. 8 Circumferential distribution of axial velocity components at design draft condition.
Fig. 10 Pressure sensors on the surface of model ship Fig. 9 Magnified circumferential distribution of axial velocity components in high wake region at design draft condition 4. V.G 기인프로펠러캐비테이션특성 4.1 선체표면변동압력특성 Fig. 11 Location of pressure sensors on the LCT 에서선체표면변동압력계측시험조건과계측점위치는 각각 Table 1, Fig. 10 및 Fig. 11 에서보는바와같다. 본시험 에사용된프로펠러 (KP607) 의회전방향은상류를볼때시계방 향이다. V.G 가없는상태에 design 흘수와 ballast 흘수상태의 변동압력분포특성은각각 Fig. 12, Fig. 13에서보이는바와같으며 ballast 상태에서더큰수준의변동압력을보인다. 좌우현 V.G 각도가대칭각 (+10 0, 0 0, -10 0 ) 에서변동압력은각각 Fig. 14~Fig. 16에서보는바와같으며 Ɵ P=Ɵ S-=-10 0 에서제일작은변동압력을나타낸다. 이는앞서반류분포특성에서설명한바와같은경향을보여준다, hull surface Fig. 12 Harmonic components of pressure fluctuation acting on hull without V.G at design draft
Table 4는 design 흘수및 ballast 흘수조건에서 V.G 각도변화에대하여계측된변동압력수준을나타내며화살표방향으로변동압력수준이감소하는경향을보인다. 종합적으로보면프로펠러면에 0도 (12시방향 ) 의영역의좌우현유속이증가하는방향 (Ɵ P=Ɵ S-=-10 0 ) 으로변동압력이감소하며좌우현회전각도절대각도가같으면서부호가반대인경우에도좌현의유속증가시변동압력이더감소한다. 반대로유속이감소하는방향 (Ɵ P=Ɵ S-=+10 0 ) 으로는증가한다. 즉프로펠러면좌현측의유속 Fig. 13 Harmonic components of pressure fluctuation 증가시변동압력감소량이제일크게나타난다. V.G 비대칭각도 acting on hull without V.G at ballast draft 조합에따라반류 peak 위치가좌현또는우현으로이동 (Fig. 9) 하며되며우현으로이동시변동압력값은작아진다. 대상선의경우 V.G 각도변화시변동압력계측치변화가적은 량이지만단계적변화특성은충분히보여주고있다. 몇시험을 통하여 LCT 시험부유속과프로펠러회전수유지상태가매우양 호함과매번거의유사함을확인하였다. Table 4 Level of pressure fluctuation measured by pressure sensor at center position on hull surface (upper : design draft, lower : ballast draft) (1st, 2nd, 3rd, 4th, 5th harmonic component) Fig. 14 Harmonic components of pressure fluctuation acting on hull with V.G at ballast daft (Angle of V.G : +10 0 (Port), +10 0 (STB) Fig. 15 Harmonic components of pressure fluctuation acting on hull with V.G at ballast daft (Angle of V.G : 0 0 (Port), 0 0 (STB) Fig. 16 Harmonic components of pressure fluctuation acting on hull with V.G at ballast daft (Angle of V.G : -10 0 (Port), -10 0 (STB) Table 5와 Table 6은 Table 4에서보인 V.G 각도변화중일부경우에대하여 V.G 없은경우의변동압력변화량대비증감량백분율을 design 과 ballast 흘수에대하여비교한것이다. 변동압력은차수별로비교하였으며 1차성분이작은 V.G 순으로정리하였으며음의부호는증가를의미한다. Design 흘수에서 V.G 가
없는경우변동압력 ( 단위 :kpa) 은차수별로 2.158, 1.373, 0.962, 0.951 이며 ballast 흘수상태에서는 3.796, 2.260, 1.297, 1.813 이다. 전반적으로좌현 V.G 각도가음인경우즉, 유속이증가하는상태가우선적으로변동압력감소량이크다. 고차성분변동압력이 1차성분보다감소율이더크게나타났다. Table 5 Reduction amount of pressure fluctuation at design draft condition Port STB 1st 2nd 3rd 4th -10 0 10 0 22.2 37.8 61.5 56.6-10 0-10 0 21.1 44.8 47.1 76.9 0 0 0 0 16.4 42.5 49.5 71.5 10 0-10 0 9.8 41.1 21.4 53.9 10 0 10 0-3.0 12.7 21.6 33.6 Table 6 Reduction amount of pressure fluctuation at ballast draft condition Port STB 1st 2nd 3rd 4th -10 0-10 0 42.1 41.7 63.0 64.4-10 0 10 0 36.8 39.3 33.3 66.9 0 0 0 0 36.5 31.2 44.6 52.6 10 0-10 0 33.5 28.5 8.9 48.8 10 0 10 0 3.1-8.6-8.9 8.9 4.2 프로펠러캐비테이션특성 캐비테이션발생, 성장, 붕괴및소멸과정은동적거동특성을 갖기때문에정적인사진비교는제한적인부분이많으며특히 고차성분변동압력을발생하는캐비테이션은더욱그러하다. Fig. 17 은프로펠러 design 흘수상태날개각도 20 도위치의 캐비테이션발생을보여준다. Design 흘수상태의캐비테이션발 생은 V.G 부착시에는없는경우에비하여대부분감소하는결과 를보여주지만 Ɵ P=Ɵ S=+10 0 경우는캐비테이션발생면적과체 적이일부증가로관찰되었다. Ballast 흘수상태에날개각도 20 도및 50 도위치의캐비테이션 발생은캐비테이션 Fig. 18 에서보는바와같다. 대부분 V.G 미 부착시보다부착의경우에발생량이감소하는경향을보인다. V.G 각도 Ɵ P=Ɵ S= -10 0 에서발생량이제일작으며 Ɵ P=Ɵ S= +10 0 에서제일커진다. 전반적으로캐비테이션발생특성은변동 압력계측결과와도유사한경향을보인다. Fig. 17 Cavitation behavior on the variation of angle of V.G (Design load condition)
5. 결론 - V.G는프로펠러캐비테이션감소와변동압력감소에효율적으로활용될수있는장치임을확인하였다. 프로펠러면반류 peak 영역의유속을증가하여 high wake 영역을줄여주어캐비테이션발생량감소과변동압력감소하였다. - 프로펠러가시계방향으로회전시에는특히프로펠러면좌현영역에유속증가가주요하게작용하였다. 또한원주방향유속분포에서보았듯이프로펠러가돌아가는방향으로유속분포를더완만하게하는효과도있다. - V.G 부착시발생하는선속감소는저항및자항시험으로검 증해야한다. 저속비대선과같이강한빌지보오텍스가존 재하지않는본대상선의경우에선속감소최소화를위해서 는프로펠러안쪽반경보다바깥반경의 high wake 영역의 감소와유속증가가유리할것으로생각된다. V.G 부착상태 에반류변화에큰경우에는일반영한프로펠러최적화설 계수행이필요하리라본다. - 모형시험은실선의레이놀즈수에미치지못하지만 V.G 모형이작기때문에 V.G 생성한유동과선체주위유동상호작용을고려하면가능한높은유속에서모형시험이보다더 효율적이라생각된다. - V.G 의부착효과향상을위해서는 V.G 위치를변경을통한추가적인노력이요구된다. 후기 본논문은지식경제부산업원기술개발사업 친환경추진기캐비테이션성능제어기술개발 과제결과의일부임을밝힌다. 참고문헌 Choi J. E., Kim J. H., Lee S. B., Lee H. G., 2009, Computational Prediction of Speed Performance for a Ship with Vortex Generators,, Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 46(2), pp.136-147. Kim K. S., Ahn J. W. et al, 2009, Construction of the low noise large cavitation tunnel, final report, Ministry of Knowledge Economy of Korea Kim K. S., Ahn J. W., Park Y.H., Paik B. G., Kim G. D., Kim S. P., Yu Y. W., 2010.6, Proceedings of SNAK, A Characteristics of Model Ship Wake Generated at MOERI Large Cavitation Tunnel using a Model Ship Lee Y. S., Choi Y. B., 2009, Study of the Effective of Wake Control Devices on Ship Performance Components, Journal of the Society of Naval Architects Fig. 18 Cavitation behavior on the variation of angle of V.G of Korea, 46(5), pp.453-459. (Ballast load condition)
2012 년도한국해양과학기술협의회공동학술대회 5 월 31 일 ( 목 )~6 월 1 일 ( 금 ) 대구 EXCO Capesize Bulk Carrier 의성능향상을위한 Mewis Duct 적용사례 김태훈 ( 성동조선해양 ), 정영준 ( 성동조선해양 ), 손재우 ( 성동조선해양 ) 요약 본연구는 Capesize Bulk Carrier 의추진성능향상을위해범용 Energy Saving Device 중하나인 Mewis Duct 를적용하고 모형시험및실선시운전을수행하였다. 모형시험에서는 Mewis Duct 의 Blade Angle 의변화에따른성능변화를알아보는 Blade Angle 최적화시험과 Mewis Duct 설치전과후의자항시험을실시하고그결과를비교하였다. 또한실선시운전을 실시하여미설치호선과의속력시운전결과를비교하였다. 결론적으로, 모형시험및실선시운전결과 Mewis Duct 적용 호선은설계흘수기준약 5% 이상의추진효율증가효과를보였다. Keywords: Mewis Duct, Energy Saving Device 1. 서론 2. 모형시험 최근 EEDI 발효를앞두고 ESD(Energy Saving Device) 의본연구에서는이미제작되어모형시험을수행한바있는 개발에많은관심을보이고있으며, 선주의요구또한다양해짐에따라다양한 ESD 의개발및성능의검증이 요구되고있다. 그러나새로운 ESD 개발을위해서는많은 1과같다. 시간과금전적투자가이루어져야하며, 자체기술개발이 되었다하더라도실선적용을위해선주가납득할만한 결과를가지고실효성에대해설득해야하는어려움이있다. 이와같이 ESD 의개발이어려운실정에있다면이미 개발되어많은적용사례를보여주고있는 Mewis Duct 의 적용이좋은대안이될것이다. Mewis Duct 는선체에의해교란되어프로펠러에불균일하게유입되는유동을정류하고프로펠러유입면의유동장의유입각도를바꾸어유속분포를고르게바꾸기위해프로펠러전방에고정날개와 Duct 가복합된부가물을설치하여 Mewis Duct 후류에서에너지의손실을최소화함으로써추진효율을향상시키는장치이다. 이와같이추진효율을향상시키기위한장치로는 CRP, PBCF, Vane Wheel, Pre-swirl stator 등이있다. Mewis Duct 는구조가간단하고설치가간편하며, Moving part 가없어장착후유지보수가편하다는장점을가지고있다. 본연구에서는당사에서건조된 Capesize Bulk Carrier 에적용된 Mewis Duct 의모형시험및실선시운전결과를바탕으로 Mewis Duct 의실선에서의추진성능개선효과를검증하고자한다. 당사의 180K Bulk Carrier 선형에 Mewis Duct 를설치하여 추가모형시험을실시하였다. 대상선의주요제원은 Table Table 1 Principal dimensions Ship Model LPB 283.50 m 7.70 m Breadth 45.00 m 1.22 m Draft 16.50 m 0.45 m CB 0.85 0.85 Fig. 1 Hull form