패널법을 이용한 Vane-Wheel 성능해석 알고리즘

Abstract

최근 Green House Gas(GHG)감소를 위하여 운항 선박의 Energy Efficiency Design Index(EEDI)의 적용이 예정됨에 따라, 추진 효율 향상을 위하여 에너지 절감 장치(Energy Saving Devices)에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 본 논문에서는 프로펠러 뒤에 설치되어 프로펠러축의 토오크 없이 자유롭게 회전하는 Vane-Wheel을 패널법(Panel Method)을 이용한 성능해석 프로그램 개발 및 Vane-Wheel 설계과정을 확립하였다. 설계과정에 있어서 Vane-Wheel은 프로펠러 후류 회전에너지를 터빈부에서 흡수하여 Vane-Wheel을 회전하게 함으로서 프로펠러부가 추진력을 갖도록 하는 방식이다. 여기서 터빈부와 프로펠러부의 토오크가 균형을 이루고 추력이 배가 전진하는 방향으로 작용해야 한다. 성능해석 프로그램은 정상상태에서 계산이 수행되기 때문에 선체 반류는 원주방향 평균속도를 이용한다. 그리고 Vane-Wheel은 프로펠러 바로 뒤에 설치되어 프로펠러와의 상호간섭 효과가 크다. 상호간섭효과를 고려하기 위해 Vane-Wheel에 유입되는 속도는 프로펠러가 Vane-Wheel에 유기하는 속도를 고려하여 계산하였다. 프로펠러에 유입되는 속도는 Vane-Wheel이 프로펠러에 유기하는 속도를 고려하여 계산하였으며 이와 같은 반복적인 과정을 통해 프로그램의 엄밀성을 보였다. Vane-Wheel성능해석 위해 프로펠러로부터 임의의 떨어진 거리에서의 유기속도 계산방법을 수치화 하였다. 이는 프로펠러 표면에 특이점(singularity)을 분포하여 유기하는 속도를 계산하는 방법을 적용하였으며 패널수를 바꿔가며 수렴성을 확인하였다. 또 다른 논문의 실험결과와 CFD결과를 비교하여 본 논문의 계산결과의 타당성을 검증하였다. Vane-Wheel 성능해석에서 프로펠러와 Vane-Wheel의 직경과 공칭반류가 다르기 때문에 계산결과들을 무차원화하는데 주의해야 한다. 여기서 성능해석 결과는 프로펠러를 기준으로 무차원화 하였다. 패널법을 이용한 성능해석계산 결과, 기존 프로펠러보다 Vane-Wheel이 설치되어있는 경우에 추력, 토오크 그리고 효율이 증가하였다. 본 논문에서는 기대했던 프로펠러 추력 향상을 얻지는 못했지만 Vane-Wheel형상의 최적화 과정을 수행한다면 프로펠러의 성능을 좀더 향상 시킬 수 있으며 실험을 통해 정확성을 검증할 수 있다고 생각한다.