Propeller Boss Cap Fins (PBCF)의 설계요목 변화에 따른 허브 보오텍스 감소효과에 대한 실험적 연구

Abstract

최근 EEDI (Energy Efficiency Design Index)와 같은 새로운 환경규 제로 인하여 고 효율 선박의 필요성이 증대되고 있고 이에 따라 다양한 연료절감장치 (Energy Saving Devices, ESD)가 개발, 적용되고 있다. 이러한 연료절감장치 중에서 Propeller Boss Cap Fins (PBCF)는 1987년 처음 제안된 이후 그 효과 및 상대적으로 적은 설치비용으 로 인하여 다양한 선종에 널리 적용되고 있다. 프로펠러 날개와 상 반되는 받음각을 갖도록 설치됨으로써 음의 토크를 발생하고 허브 보오텍스의 생성을 막음으로써 선박의 전달마력 감소와 허브 보오 텍스로 인한 러더의 손상을 방지하고 있다. PBCF에 대한 기존의 연구는 주로 모형시험에서 동력계측을 통한 PBCF의 효과 확인 및 실선 시운전 계측을 통한 성능의 검증에 초 점을 맞추고 있다. 최근 전산해석을 활용하여 유동장 해석 및 PBCF 최적 설계를 통한 효율향상에 대한 다양한 접근이 시도되고 있다. 그러나, PBCF의 추가적인 효율 향상을 위해서는 복잡한 허브 보오텍스의 유동구조에 대한 보다 면밀한 검토가 필요한 상황이다. 본 연구에서는 Stereoscopic PIV (SPIV)를 이용하여 PBCF가 부착된 프로펠러의 위상 평균 유동장을 예인수조에서 최초로 계측하였다. PBCF의 작동 원리를 파악하여 효과적인 설계 방안을 제시할 목적 으로 동력 및 유동장 계측을 통해 PBCF의 설계변수 변화에 따른 프로펠러 단독시험을 수행하였고, 자항시험을 수행하여 PBCF의 전 달마력 감소효과를 확인하였다. 또한, PBCF의 설계 수단으로써 전산해석의 활용 가능성을 살펴보기 위하여 프로펠러 단독 및 자항 조건에서 전산해석을 수행하였다. 모형시험 및 전산해석을 통해 PBCF 설계 시 고려사항으로써, PBCF 설계 변수 변화에 따른 설계 하중조건 변화, 선체 반류에 의한 프로펠러 루트 부분의 하중 조건 변화, 러더가 PBCF에 주는 영향 등을 제시하였다. 본 연구에서 검 토된 선체, 프로펠러, PBCF 및 러더 간의 상관관계에 대한 충분한 이해를 통해 다른 형태의 ESD 설계에도 적용이 가능한 설계 절차 를 확보하였다. 프로펠러 단독 조건에서는 SPIV를 활용하여 PBCF 후방의 복잡 한 유동장을 계측하고 동력계측 결과와 비교하여 유동장 계측결과 와 프로펠러 단독효율의 상관관계를 최초로 검토하였다. 우선 baseline PBCF에 대한 모형시험을 통하여, PBCF가 효과적으로 허브 보오텍스의 형성을 억제하고 있음을 확인하였고, 그에 따라 boss cap 후방의 압력이 회복됨으로 인하여 프로펠러 단독효율 개선에 도움이 되는 PBCF의 작동원리를 파악할 수 있었다. 추진시스템의 순 추력의 증가는 전진비에 상관없이 단독효율을 약 1.6% 개선시 키고 있다. 기존의 연구결과를 바탕으로, 4개의 설계변수를 선정하 고 (pitch angle, fin chord length, fin span height, phase lag) 각각의 설계 변수 변화에 따른 후류 유동장 및 동력 계측을 수행하였다. 실험결 과를 통해, baseline PBCF보다 낮은 하중조건, 특히 pitch angle과 fin chord length의 경우에 있어서 단독효율이 증가하였다. 낮은 하중조 건의 fin span height의 경우, 그 높이가 프로펠러 루트에서 발생하는 원주방향 유동의 진행을 막기에 충분하지 않아 다른 설계변수와는 다르게 허브 근방에서 보오텍스가 관측되었고, 그에 따라 단독효율의 개선량이 감소하였다. 높은 하중조건에서는, 허브 보오텍스가 분산된 형태의 보오텍스 강도가 커졌고 그에 따라 역시 단독효율 개선량이 감소하였다. Phase lag의 변화는 다른 설계변수와는 다르게 단독효율의 개선에 큰 도움이 되지 못하였다. 이는 baseline PBCF fin의 면적이 충분하여 fin의 위치가 어디에 있더라도, 프로펠러 루 트 부근에서 발생한 원주방향 유동의 진행을 막을 수 있다는 것을 의미한다. PBCF는 선박의 반류장 하에서 작동하므로 실제적인 PBCF의 효 과를 확인하기 위하여 자항시험을 수행하였고, baseline PBCF 부착에 따라 추진효율이 약 2.3% 개선되었고 이는 단독시험 결과보다 약 0.7% 큰 결과이다. 이는 자항 조건에서는 단독 조건과는 다르게 러 더가 부착되어 있고, PBCF의 주요 작동구간인 허브 근방에 작용하 는 하중이 단독 조건보다 상대적으로 큰 것이 주요 원인으로 판단 된다. PBCF의 최적 설계를 위해서는 다양한 설계변수, 프로펠러 단독 및 자항 조건 등 여러 사항에 대한 복합적인 검토가 필요하다. 모 형시험을 통해 이러한 모든 사항을 검토하는 것은 많은 비용과 시 간이 소요되기 때문에, 전산해석을 활용한 최적설계를 수행하고 모 형시험을 통해 성능을 확인하는 설계 절차가 대안으로 고려되고 있다. 본 논문에서는 우선 단독 조건에서 전산해석을 수행하여 모 형시험 결과와의 비교를 통해 전산해석 결과의 신뢰성을 확인하였 다. 모형시험과 마찬가지로 baseline PBCF 부착에 따른 허브 보오텍 스 감소현상이 전산해석을 통한 유동장 해석 결과에서도 잘 구현 되었다. 자항 조건 전산해석을 수행하여 모형시험에서 단독 조건보다 자항 조건에서 PBCF의 효과가 큰 이유를 모형시험 결과와 결부 하여 설명하였다. 전산해석 결과에 따르면 자항 조건에서 프로펠러 루트 부근의 하중 증가에 따라 허브 보오텍스의 강도가 커졌고, 이 는 자항 조건에서 PBCF의 효과가 더 커질 수 있다는 것을 의미한 다. PBCF의 효과에 미치는 러더의 영향을 살펴보기 위하여 러더 유 무에 따른 전산해석을 수행하였다. PBCF 부착에 따라 허브 보오텍 스로 인한 러더 주변 유동교란이 감소하여 러더의 저항이 감소하 였고, 이에 따라 PBCF의 효과가 러더가 없는 경우보다 더 크게 나 타났다. 이는 PBCF의 설계 시 프로펠러만이 아니라 선체에 의한 반류 분포 및 프로펠러 후방부의 러더 까지도 같이 고려가 되야 함을 의미한다.