Comparative Study of Full-Scale Propeller Cavitation Test and LCT Model Test for MR Tanker

MR Tanker 실선 프로펠러 캐비테이션 시험 및 LCT 모형시험과 비교연구

Abstract

In order to study correlation of the propeller cavitation performance between a full-scale ship and a model ship for the MR Tanker, the full-scale ship and the model tests were conducted. The full-scale ship test is composed of cavitation observation, pressure fluctuation and noise measurements, which are conducted using 2 observation windows and 8 pressure transducers installed inside the full-scale ship above the propeller. The model test in the Large Cavitation Tunnel(LCT) was conducted at the same conditions as that of the full-scale ship and its results are compared with those of the full-scale ship. Through the model-ship correlation analysis, it is considered that the experimental technique for the MR Tanker class ship was verified in LCT.

1. 서 론

선박의 대형화 및 고속화로 인한 추진기 및 방향타의 부하 증가로 캐비테이션 발생량 증가, 이로 인한 효율감소, 선속 저하, 선체 기진력인 변동압력 증가, 추진기 및 타 표면 침식 증가, 수중방사소음의 증가 등 고부가가치 선박개발에 복합적인 애로 기술들이 나타나고 있다. 이러한 애로 기술을 해결하기 위해서는 축적된 경험과 정도 높은 실험자료를 기반으로 한 성능시험 평가기법이 개발되어야 하며, 모형선-실선 상관관계를 파악할 수 있는 선종별 실선 캐비테이션 실험 결과가 요구된다.

정도 높은 모형시험법 정립은 우선 정도 높은 실험자료 취득이 필수적으로 요구되는 바, 모형선,추진기, 방향타, 부가물 등이 모두 설치되어 실선과 유사한 3차원 반류 재현이 가능한 대형캐비테이션터널에서의 모형 실험이 필수적으로 요구된다. 선박해양플랜트연구소(KRISO)가 보유한 ‘저소음 대형 캐비테이션터널’(Low Noise Large Cavitation Tunnel, 이하 ‘LCT’로 칭함)은 지난 2009년도 후반기에 제작·설치 및 시운전이 완료되어 (Kim et al. 2009) 모형시험 단계에서 정도높은 실선성능 예측을 위한 시험기법 개발을 수행해 왔으며, 컨테이너선 및 LNG선 등의 실선 변동압력 계측자료를 확보하여 모형선-실선 상관관계 정립을 위한 연구를 수행한 바 있다 (Kim et al. 2013, 2010).

모형선-실선 상관관계 정립을 위해 컨테이너선 및 LNG선 외에 다른 선종의 실선 캐비테이션 시험 자료 확보가 요구된 바, 국내 조선소에서 건조중이었던 MR Tanker선을 대상으로 실선캐비테이션관찰, 변동압력 계측 및 수중방사소음을 계측하였다. 실선프로펠러 캐비테이션 시험을 위한 관련 기술인 관측창 선정을 위한 3차원 선체형상 분석기술, 관련 치구 설계 및 제작기술, 캐비테이션 촬영 및 변동압력 계측기술 등은 함정 프로펠러를 대상으로 개발이 된 바 있으며(Ahn et al. 2012), 개발된 기술을 대상선에 적용하여 일련의 실선 캐비테이션 실험을 수행하였다. 또한 모형선을 제작하여 LCT에 설치하고 실선 캐비테이션 시험을 수행한 운항조건에서 모형시험을 수행하여, 모형선-실선 상관관계 도출을 위한 연구를 수행하였다.

 

2. 실선 캐비테이션 성능시험 기법

실선프로펠러 캐비테이션 관찰은 스트로보스코프 광원을 사용하는 야간에 촬영하는 전통적 기법과 태양광을 광원으로 하여 고속카메라(High Speed Camera)로 촬영하는 기법이 있다. 전통적 기법의 경우 실험일정 및 다수의 관측창 설치가 요구되는 문제가 있어 최근에는 고속카메라를 이용하는 주간 촬영이 수행된다(Hoshino et al. 2010).

Fig. 1에 나타난 관찰창 및 변동압력 센서 치구 등을 설치하려면 우선 3차원 선체형상 분석을 통하여 최적위치를 선정하여야 한다. Fig. 2는 실선 프로펠러 캐비테이션 실험 대상선박의 3차원 형상모델링 결과를 보여준다. 선형, 축계배치도, 구조도면을 참조하여 형상모델링을 수행하였으며, 작성된 자료를 기반으로 Fig.3에 나타난 것과 같이 관찰창 및 센서 설치 위치를 결정하였다. 프로펠러 캐비테이션 관찰창 2개(W1, W2), 변동압력 센서 설치치구 8개(F1, F2, P1, P2, C0, S1, S2, A1) 및 소음센서(H3)를 캐비테이션 관찰 가능범위, 구조도, 작업가능 영역 등을 고려하여 배치하였다. 따라서, 센서 위치는 모형시험과 정확하게 일치하기 는 어려웠다. 관찰창 및 센서 설치를 위한 치구들을 제작하였으며, 선체에 설치 및 용접작업은 조선소에서 수행하였다.

Fig. 1Diagram for full-scale cavitation test

Fig. 23-D modelling of the MR Tanker

Fig. 3Position of observation windows and sensors

실선 프로펠러 캐비테이션 관찰을 위한 관찰창은 직경 250㎜ 두께 50㎜의 투명 아크릴로 제작되었으며, 기존 함정 프로펠러 실선시험시 안전성이 입증된 바 있다. Fig. 4-(a)는 실선 캐비테이션 관찰을 위한 관찰창 및 고속카메라를 보여주며, Fig. 4-(b)는 변동압력계측을 위한 센서 치구 및 설치를 보여준다. 실선 캐비테이션 관찰을 위한 고속카메라 작동 및 영상취득은 Fig. 5-(a)에서 보여지는 것과 같이 노트북 컴퓨터에서 수행되며, 변동압력센서에서 계측된 신호를 증폭하고 처리하는 자료취득 및 해석장치는 Fig. 5-(b)에서 볼 수 있다. 자료처리 장치인 LAN-XI는 B&K사 제품으로 노트북 컴퓨터에 12채널이 연결되어 작동되며 증폭기를 거친 변동압력 신호들을 동시에 A/D 변환하는 장비이다. 최대 sampling rate는 채널당 200㎑이며, 변동압력은 10㎑의 sampling rate로 자료를 취득하였다.

Fig. 4High-speed camera & sensors for full-scale test

Fig. 5Data acquisition and analysis device

 

3. 실선 캐비테이션 시험 결과

실선프로펠러 캐비테이션 시험은 대상선의 시운전 시험과 동시에 수행하였다. 속도시운전은 대마도 근처에서 수행되었으며, 수중음향 센서들을 설치한 부표를 띄우고 수행한 수중방사소음 계측은 마산 앞바다에서 수행하였다. 실선 캐비테이션 관찰 및 변동압력 계측은 두 경우 모두 수행하였으나 속도시운전이 새벽에 수행되면서 태양광을 이용하는 고속카메라 촬영에 선명도가 떨어지는 문제가 있어, 본 논문에서는 수중방사소음 계측과 동시에 수행된 결과만 언급하고자 한다. 실선 캐비테이션 시험을 위한 대상선 운항조건은 Table 1에 정리되어 있다. MCR, 84% MCR(NCR), 75% MCR 조건에서 캐비테이션 관찰, 변동압력 및 소음 계측을 수행하였으며, 조류에 의한 영향을 고려하고자 같은 운항조건에서 항로를 왕복하면서 계측을 수행하였다. 왕복 운항시 프로펠러 회전수는 동일하였으며, 소요동력도 큰 차이를 보이지는 않지만, MCR 조건에서만 선속의 차이가 나타났다.

Table 1Condition of full-scale cavitation test

실선 캐비테이션 형상 및 거동 관찰은 태양광을 이용하여 고속카메라로 촬영을 수행하였다. Table 1에 나타난 운항조건이 안정적으로 유지되었을 때 카메라 촬영을 수행하였는데, 초당 500 장 영상을 취득하는 속도(500 frames/sec)로 촬영을 수행하였다. 촬영시간은 3초 정도이며 영상의 일부를 약 5° 간격으로 정리하여 Fig. 6~Fig. 8에서 보는 것과 같이 정리하였다. Fig. 6은 MCR 조건에서 관찰된 결과이며, Fig. 7과 Fig. 8은 각각 84% MCR(NCR)과 75% MCR 조건에서 관찰된 캐비테이션 거동을 보여준다. MCR 조건에서 캐비테이션 발생량이 NCR 조건보다 약간 증가한 것으로 보여지는데, 캐비테이션의 발생량이 적고 프로펠러 회전수 차이가 작아 큰 차이는 보이지 않는다. 74% MCR 조건에서도 84% MCR 보다 캐비테이션 양이 줄었지만 전체적인 거동 등은 유사하며, 앞서 언급한 바와 같이 발생량 변화는 작다. 방위각 변화에 따른 왕복 운항은 캐비테이션 발생량 및 거동에 차이가 거의 없어 한 개의 방향만 정리해도 문제가 없었다.

Fig. 6Cavitation observation for the full-scale propeller (MCR)

Fig. 7Cavitation observation for the full-scale propeller (84% MCR – NCR)

Fig. 8Cavitation observation for the full-scale propeller (75% MCR)

프로펠러 캐비테이션에 의하여 유기된 변동압력은 캐비테이션 관찰과 동시에 계측이 수행되었다. Fig. 3에 나타난 변동압력 계측 위치에 8개의 압력변환기가 설치된다. 압력변환기는 스트레인 게이지 형으로 최대압력 350kPa까지 계측이 가능한 Kulite 사의 XTM 190 모델이다. 50㎑ 까지의 신호 계측이 가능한데, 실선시험에서는 10㎑ 까지의 신호를 계측하였다. 압력변환기에서 계측된 신호는 HBM 증폭기에서 신호를 증폭한 후 LAN-XI에서 A/D 변환된다. A/D 변환된 신호는 노트북컴퓨터에 전달되어 FFT 해석을 수행한 후 Fig. 9와 같이 주파수별 변동압력 값을 얻을 수 있다. Fig. 9는 84% MCR 조건에서 계측된 값을 보여준다. 캐비테이션 거동에서 보여주었듯이 조건별 발생량 차이가 적어 변동압력도 큰 차이를 보이지 않았다. Fig.9는 6개의 계측위치에서 왕복 운항시 변동압력 비교를 보여주는데 차이가 크게 나타나지 않는 것으로 보인다. Fig. 9는 100㎐까지의 신호를 표기했는데, 60㎐까지의 신호가 명확하게 나타난다.

Fig. 9Pressure fluctuation results for the full-scale ship (84% MCR-NCR)

 

4. 모형선-실선 상관관계

실선프로펠러 캐비테이션 시험 대상선박인 MR Tanker선의 모형선을 Fig. 10과 같이 제작하여 LCT에서 캐비테이션 시험을 수행하였다. 모형선-실선 상관관계를 조사하기 위하여 실선 캐비테이션 시험을 수행한 운항조건에서 시험조건을 Table 2와 같이 도출하여 모형시험을 수행하였다.

Fig. 10Model ship of the MR Tanker

Table 2Condition of model cavitation test

Fig. 11은 변동압력 센서 설치 위치를 보여준다. 모형시험과 실선에서 유사한 위치에서 동일한 변동압력센서를 설치하였다. Table 2의 시험조건에서 계측된 모형과 실선 변동압력의 비교는 Fig. 12~Fig.14에서 보여진다. 모형시험시 S1 위치에 소음센서를 설치하였고, 실선시험시 A1 위치는 센서 파손으로 계측이 수행되지 못하였다. 모형과 실선 변동압력은 크기에서 약간의 차이가 나타나지만 위치별 경향은 거의 유사하다.

Fig. 11Position of pressure sensors

Fig. 12Model-ship correlation of pressure fluctuation(75% MCR)

Fig. 13Model-ship correlation of pressure fluctuation(84% MCR)

Fig. 14Model-ship correlation of pressure fluctuation(MCR)

모형과 실선에서 관찰된 캐비테이션은 조건별로 Fig. 15~Fig. 17에서 비교되어 있다. 실선 프로펠러 회전수가 증가하는 조건에서 캐비테이션 발생량의 증가는 보이지만 큰 차이가 나타나지 않는다. 같은 조건에서 실선과 모형 캐비테이션 발생량 및 거동은 거의 유사하나, 실선에서 Tip Vortex Cavitation(TVC)이 후류로 더 길게 생성되는 현상을 볼 수 있다.

Fig. 15Model-ship correlation of the propeller cavitation (MCR)

Fig. 16Model-ship correlation of the propeller cavitation (84% MCR)

Fig. 17Model-ship correlation of the propeller cavitation (75% MCR)

모형시험에서 예측된 변동압력은 캐비테이션 발생형태에 영향을 받기 때문에 실선과의 차이는 캐비테이션 발생 상사성의 차이라고 사료된다. 정도높은 실선 예측을 위하여는 다양한 DB 구축을 통한 상관관계 정립 및 모형시험 정도 향상 연구를 계속 수행하여야 할 것으로 사료된다. 또한 운항성능 추정을 위한 예인수조 시험의 고도화도 함께 수행되어야 할 것이다.

추진기 소음 모형시험 시 활용할 수 있는 계측 시스템을 고안, 설치하여 실선 추진기 캐비테이션 수중방사 소음 계측 결과와 비교하였다. 소음 센서는 Fig.18에 나타난 것처럼 대형터널 시험부 바닥에 설치되어 우레탄으로 몰딩된 system1(H1 & H2)과 외부로 돌출된 날개형상 스트럿에 설치된 system2(H3)등 두 가지 형태로 설치 구성하여 소음계측에 활용하였다. MCR 조건에서 계측된 모형시험 결과를 ITTC 방법에 따라 실선 확장 후 실선 계측 결과와 비교하였다. 모형 시험 결과의 실선 확장법은 ITTC’87방법에 의한 것으로 이 기법은 아래 식과 같다.

Fig. 18Measurement systems of model propeller noise

각 센서에서 계측되어진 신호와 이의 산술 평균값, 실선 계측결과를 Fig. 19에 도시 하였다. Fig.19에서 보이는 것처럼 100Hz 이상의 대역에서 모형 시험 결과가 실선 계측 결과와 잘 일치함을 볼 수 있다. 추진기 소음 모형 시험의 실선 확장 결과 주파수 대역 0.7kHz 의 소음 피크는 모형 추진기의 명음에 의한 것으로 판단된다. 명음은 추진기 날개 후류의 흘림 주파수(shedding frequency)와 날개의 공진 주파수가 일치하여 발생하는 현상으로 추진기 소음 모형 시험 중 모형 추진기 날개 흘림 주파수를 바꾸기 위하여 모형 추진기 회전수를 변화시켰을 때 이러한 현상이 사라지는 것을 확인하였다. 그러므로 모형 시험 결과의 실선 확장시 0.7kHz 대역 음압 피크는 명음에 의한 것이며 명음은 추진기 날개의 구조와 유동 현상의 상호 작용에 의해 발생하는 현상이기에 모형-실선 상관관계가 없어 이를 무시할 수 있다.

Fig. 19Model-ship correlation of propeller noise (MCR)

모형 시험 결과의 실선 확장결과와 실선 계측결과를 비교해 보면 100Hz 이하의 대역에서는 모형 시험 결과가 실선결과에 비 해 크게 추정되었는데 이는 모형 시험이 이루어지는 환경과 실해역과의 계측 환경 차이에 의한 것으로 판단되며 저주파 대역결과해석에 대한 추가적 연구가 필요할 것으로 판단된다.

 

5. 결 론

MR Tanker선을 대상으로 실선 캐비테이션 관찰, 변동압력 계측 및 수중방사소음으로 구성되는 종합적인 실선 캐비테이션시 험을 수행하였다. 또한 모형선을 제작하여 LCT에서 모형시험을 수행하여 모형선-실선 상관관계를 모든 시험 항목에 대하여 검토하여 모형시험의 실선 예측정도를 평가해 보았다. 기존에 컨테이너선이나 LNG 선 등에 대하여 변동압력에 대한 모형선-실선상관관계를 추정하여 LCT 실험의 실선성능 예측 정도가 우수하다는 평가를 한 바 있으나, 실선에서 캐비테이션 거동 및 발생량 등의 관찰이 수행되지 않아 종합적인 평가에 제한이 있었다.

함정을 대상으로 개발된 실선 캐비테이션시험 기법을 상선에 적용하여 성공적인 결과를 얻었으며, 모형선-실선 상관관계 추정결과 모든 시험항목에서 모형시험 예측정도가 우수함을 알 수 있었다. 변동압력은 모형시험에서 실선보다 약간 큰 값이 계측되었지만 센서 위치별 경향이 거의 일치한다. 모형시험 조건 도출시 소요 동력의 여유분을 감안하면 변동압력 차이는 타당한 결과라고 사료된다. 실선 캐비테이션 관찰시험에서 나타나는 캐비테이션 거동 및 발생량은 날개끝 보오텍스 캐비테이션 거동에서 약간의 차이가 있었지만 모형시험과 거의 유사한 것으로 보인다. 실선 수중방사소음과 LCT에서 수행한 여러 가지 프로펠러 소음 시험결과는 100㎐ 이상의 고주파 영역에서 잘 일치하는 것으로 나타났다.

현재의 연구결과를 바탕으로 최근 증가추세에 있는 중형 Tanker급 선박에 모형시험의 실선 예측정도가 우수함을 확인할 수 있었다. 앞으로도 다양한 선형에 실선시험을 통하여 모형선-실선 상관관계를 연구하여 모형시험에 예측정도를 높일 수 있는 선종별 시험법 개발이 계속 추진되어야 한다.