ROUND BILGE 반활주선의 STERN WEDGE 및 SPRAY STRIP 고찰 서영남 *, 서관희 *, 이정관 * ( 주 ) 한진중공업특수선설계팀 * A Review on Stern Wedge and Spray Strip for Semi-planing Craft With Round Bilge Y. N. Seo *, K. H. Seo*, J. K. Lee* HANJIN Heavy Industries & Construction co., Ltd Special Ship Design Team* Abstract This paper reviews the effect of stern wedge and spray strip to reduce the resistance for semi-planning craft with round bilge. Optimization of stern wedge was determined by model test and the optimized stern wedge reduced resistance by maximum 11% at high speed. Spray strip model test was performed with optimized stern wedge. This paper shows spray strip combined with stern wedge not only reduced resistance by 5% at maximum speed but also enlarged resistance decrease zone contrast to a sole stern wedge. Keywords: Semi-Planing hull( 반활주형선 ), Stern wedge( 선미쇄기 ), Spray strip( 물보라억제장치 ), Model test( 모형시험 ) 1. 서론 선체외판에부착되는부가물에는여러종류가있으며, 이들부가물들은각각의고유특성을가지고있다. 이러한부가물들의주요설계요소들을적절히설계하게되면저항감소효과를향상시킬수있으며, 또한부가물들간의적절한상호작용을통해단독의부가물에대한효과보다더좋은저항감소효과를얻을수있다. 주저자, E-mail: stoponam@hanmail.net Tel:051-410-8025 Stern wedge 는선박후단의 buttock line 을변경하는것으로 2차세계대전이전부터소형및대형군함의저항감소를목적으로사용되어져왔다. 소형군함의경우선미의양력증가에의한트림변화에의해저항감소효과를가져오지만, 대형함정의경우트림의변화가매우작기때문에트림에의한저항감소보다는트랜섬주위의유동장개선에의한것으로알려져있다 (Gabor Karafiath & Steven C. Fisher 1987). Stern wedge 는 2차세계대전이전에독일에서
3100톤급구축함 34척에적용한바가있으며, 2 차세계대전중에는 100 톤급경비정에부착하여실시운전결과최대속력이 0.25~0.5 knots 증가한것으로확인되었다. 또한 2차세계대전이후에이태리해군은 Maestrale 급호위함에 stern wedge 를부착하여고속에서우수한저항성능을얻은바가있다 (Gabor Karafiath & Steven C. Fisher 1987). Spray strip 은선수부흘수위현측에부착되어선수파와물보라 (water spray) 를제어하는장치이다. Spray strip 이 stern wedge 와함께부착될경우에는선수부분의 spray strip 에의한양력과선미부분의 wedge 에의한양력이동시에발생하여마치수중익선과같은선체를들어올리는효과가나타나며, 이것은침수된배수용적을감소시키는것으로알려져있다. 특히 Round bilge 반활주선의경우에는 stern wedge 와결합하여선박의저항을감소시키는데가장효과적인장치로알려져있다 (Muller-Graf B. 1991). 한편, 국내에서는여러종류의트랜섬부가물에대한실험연구는그동안진행되어온바있으나, spray strip 등의선수부가물과결합한복합적성능은고찰되지않아왔다. 본논문에서는국내외유사실적함의적용사례를조사하여 stern wedge 및 spray strip 의설계변수들을고찰하였으며, 이를토대로모형시험을통해 stern wedge 를최적화한후, 여기에 spray strip 을부착하여저항성능및항주자세를비교, 검토하였다. 2. Stern Wedge의특성 2.1 주요설계요소 Stern wedge 의주요설계변수는 Fig.1 에서보는바와같이 stern profile 과이루는각도, 종방향의 chord 길이, 선폭방향의 span 등이다. 일반적으로 stern wedge 의길이는선체길이의 0.5~2.0% 정도이며길이가길수록고속에서유리하나트랜섬깊이가증가하여저속에서저항증가를가져올수있다. 각도는클수록고속에서큰양력효과를얻을수있는반면저속에서는불리한 면을가지고있으며폭은빌지부에서의급격한곡률변화및불균일유동을피하도록결정하여야한다. Fig.1 Definition of principal parameters for stern wedge 2.2 Stern wedge의효과 Fig. 2에서와같이트랜섬의앞쪽에서시작하여끝단까지선저에부착되는 stern wedge 는다음과같은효과를가져올수있다. Fig. 2 Ship model with stern wedge 1) 유속및압력장변화선미선저부주변의유속이감소되어압력이증가하게된다. 이때증가된압력에의해선체를앞으로밀어주는추력성분이커지게되어소요마력을감소시킨다. 2) 양력과항력변화부가물앞쪽으로부터트랜섬까지의선저부에서는감소된유속에의해마찰저항이작아지게되고증가된압력에의해양력이증가하게된다.
3) 선박자세의변화선미부의양력증가로인해선미부의상승과선수부의하강이발생하여트림변화가일어나게된다. 특히소형선의경우이러한트림변화는저항감소효과를가져올수있으며, 고속에서의항주트림감소는승조원의승선감및장비운용에많은도움이된다. 4) 선미파의변화트랜섬에서발생하는파계가부드러워져서조파저항감소에기여하게된다. 3. Spray strip의특성 Spray strip 은물보라의생성높이를낮추어침수표면적을최소화해야하며, spray strip 자체의저항은물보라마찰저항감소량보다작아야한다. 또한물보라를선체로부터멀리떨어뜨릴수있어야하며, 선체측면뒤쪽에서물보라의재부착을막아야한다. 마지막으로선체에의해발생되는선수파와물보라로부터양력을받아선체를들어올려저항을감소시킬수있어야한다. 3.2 Spray strip의효과 Fig. 5와같이선수부의흘수위현측에부착되는 spray strip 은다음과같은효과를가져올수있다. 3.1 주요설계요소 Spray strip 은형상에따라 Fig. 3과같이 external strip, build in strip, combined strip으로나눌수있다. 또한주요설계요소로는길이, 폭, 각도, 설치위치등이있으며, Fig. 4와같이정의된다. Fig. 5 Ship model with spray strip Fig. 3 Section shape of spray strip 1) 침수표면적의감소고속의반활주형선형의경우물보라에의한침수표면적은속력이높아질수록증가하게되며, Fn =1.0 인경우에는물보라의침수표면적은선체전체침수표면적의약 14~30% 를차지하게된다. 이같은물보라의침수표면적은 spray strip를부착함으로써현저히감소시킬수있다. 2) 갑판침수감소 Spray strip 부착시물보라의발생높이가낮아지게되어갑판침수를감소시킬수있으며, 횡풍시물보라가갑판위로날림으로써시야를가리는현상도억제시킬수있다. Fig. 4 Definition of principal parameters for spray strip 3) 내항성향상선체횡경사시수면과근접한중앙부의경우 spray strip 에의해발생하는양력은선체의반폭
에해당하는 lever arm 을발생시킴으로써 roll stiffness 를증대시킨다. 4) 선박자세의변화 Spray strip 부착에의한선수부양력발생은선수트림을감소시킬수있으며, 선미부의 stern wedge 와적절히조합한다면선체를들어올릴수있어저항감소효과를가져온다. 4. 연구내용및결과 4.1 대상선형본논문에서부가물을적용한선박은만재배수량약 600 톤의 round bilge 고속반활주선이다. 본선의최대함속은약 Fn 0.88 이므로고속에서의활주효과를크게하기위해선미 buttock line 을직선화하였고활주시에양력면을크게유지하기위해트랜섬면적을크게하였다. 이러한본선의선형특성은고속에서선미의 stern wedge 와선수의 spray strip 을부착함으로써항주자세개선및저항감소효과를가져올것이라판단된다. 4.2 Stern wedge 및 Spray strip 설계본선의 Stern wedge 의주요설계변수인길이, 각도는해외적용사례및유사실적함의자료를조사하여결정하였다. 길이는수선길이의 1.3%, 1.6%, 각도는종단면윤곽선에서 9,11, 13 가되도록설계하였다. 본선의 Spray strip 형상은선수부흘수위공간확보를위해 build in strip 으로설계하였으나모형시험단계에서는탈부착이용이하고선형변형을필요치않는 external strip 으로설계하였다. Bottom angle 은실선건조시공작성을고려하여 0 로정하였으며, 최대 bottom width 는 3 Station 에서 0.18m 로결정하였고선수끝과중앙부에서 bottom width 가 0이되도록설계하였다. Fig. 6은본선의모형시험시 spray strip 과실선에서의 spray strip 의단면형상을보여주고있다. 또한 Spray strip 의설치높이는본선의기수행된모형시험의물보라발생경향을파악하여 Table. 1과같이두가지의 spray strip 을결정하였다. Fig. 6 Section shape of spray strip (left : model scale, right : full scale) Table. 1 Position of Spray Strip Ⅰ and Ⅱ 구분 선수쪽끝단흘수위높이 / 흘수 선미쪽끝단흘수위높이 / 흘수 Spray stripⅠ 0.40 0.11 Spray stripⅡ 0.50 0.15 4.3 모형시험결과 저항감소효과및항주자세개선을목적으로 stern wedge 및 spray strip 을부착시킨본선의모형시험은 MOERI 에서수행되었다. 우선본선의 Stern wedge 최적화를결정하기위해수선길이의 1.3% 와 1.6% 각도는 9 ~13 까지변화시키면서저항시험을수행하였으며 Fig. 7은시험결과를보여주고있다. P E ratio (wedge / bare hull) 1.3 1.2 1.1 1 0.9 1.3% LWL, 9 1.3% LWL,11 1.3% LWL,13 1.6% LWL, 9 1.6% LWL, 11 0.8 0.2 0.4 0.6 0.8 F n Fig. 7 Resistance effect of Stern wedge 0.9
Trim(angle) 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 bare hull 1.3% LWL 9 1.3% LWL, 11 1.3% LWL, 13 0 0.2 0.4 0.6 0.8 F n Fig. 8 Trim effect of Stern wedge Fig. 7에서보는바와같이동일한각도의경우수선길이의 1.3% 에해당하는 stern wedge 가저속에서의저항증가분이작게나타났으며고속에서의저항감소효과역시우수하게나타나고있음을알수있다. 따라서 Stern wedge 의길이는수선길이의 1.3% 로결정하였다. Fig. 8은수선길이 1.3% 의 stern wedge 부착시트림변화를나타내고있으며 stern wedge 에의해트림이잘제어되고있음을알수있다. Stern wedge 의각도에있어서는 9 와 11 가 13 에비해트림이크게나타나고있음을알수있다. Spray strip 을선수에부착할경우선수부의양력으로인해고속에서의선미트림이더욱심화될것으로예상되므로항주자세관점에서보다유리한 13 를최종각도로결정하였다. 0.9 시한모형시험결과를보여준다. 선미에 stern wedge 단독부착시나선대비유효마력감소가최대속력 (Fn=0.88) 에서 8% 정도인것에비교하여선수부분에 spray strip 을결합한결과유효마력감소율이최대속력 (Fn=0.88) 에서 13% 까지늘어난것을알수있다. 또한 Spray strip 의결합에의하여마력감소구간이저속까지좀더확대되었음을알수있다. 이러한효과는서론에서제시하였던선미부의 stern wedge 에의한양력과선수부의 spray strip 에의한양력이동시에발생하여선체전체를들어올리는역할을하였으며또한선수의 spray 에의한침수표면적을감소시켜큰저항감소효과를가져온것으로판단된다. Fig. 9는 Spray strip 의부착유무에따른선측파형을보여주고있다. 두종류의 Spray strip 모두선수부에서발생하는물보라를잘제거하고있음을알수있다. Table. 2 Comparison of the P E reduction 구분 나선대비유효마력유효마력감소율감소구간 ( 최대속력 ) Only Wedge Fn 0.37 ~ 0.88-8% Wedge +s.s1 Fn 0.35 ~ 0.88-13% Wedge +s.s2 Fn 0.34 ~ 0.88-13% Table. 2는최적화시험을통해결정된 stern wedge 와함께선수에 spray strip 을부착한후실 Fig. 9 Wave pattern (Fn = 0.88, top: w/o spray strip, middle: w/spray strip1, bottom: w/spray strip2)
5. 결론고속의 Round bilge 반활주선에저항감소및항주자세개선을목적으로선미에 stern wedge, 선수에 spray strip 을설계하였다. 먼저, Stern wedge 의주요설계변수들을변화시키면서저항시험을수행하여길이및각도를최적화하였으며그결과, 고속영역 (Fn=0.60) 에서최대 11% 의저항감소효과가있었으며, 선미트림을 2도이상개선하였다. 또한, 최적화된 Stern wedge 와함께선수부에 spray strip 을결합하여실험한결과최대속력 (Fn=0.88) 에서나선대비 13% 의보다큰저항감소효과를얻을수있었다. 이것은단독의 stern wedge 부착시의유효마력대비하여최대속력 (Fn=0.88) 에서 5% 의유효마력이감소한것이며, 마력감소구간또한저속구간까지확장되었음을알수있었다. 강국진, 강승우, 김인표, 2000, 선미 Wedge 와 Flap 의저항추진성능에대한연구, 대한조선학회추계발표논문집, pp. 176-179. 참고문헌 Gabor Karafiath & Steven C. Fisher, 1987, "The Effect of Stern Wedges on Ship Powering Performance", Naval Engineers Journal, pp. 27-38. Burkhard Muller-Graf, 1991, "The Effect an Advanced Spray Rail System on Resistance and Development of Spray of Semi-Displace ment Round Bilge Hulls, FAST'91, pp. 125-141. 김정중, 안성목, 최순호, 장학수 2003, 트랜섬부가물의저항성능에대한수치및실험적연구, 춘계학술대회논문집, pp.181-187. 허재경, 이정관, 2004, 대형함정에부착된 flap 의저항감소효과에관한실험적고찰, 대한조선학회논문집, 제 41권, 제 1호, pp. 70-74. 서관희, 서영남, 선지홍, 허재경, 이정관 2005, 60M 급반활주고속정의선형설계와부가물부착에따른저항성능고찰, 추계학술대회논문집, pp. 869-875.