임펠러 성능 확인을 위한 실험적/수치해석적 분석

Abstract

In the marine propulsion field, various technologies on the design and manufacture of conventional propellers have been developed. However for compound propellers, such as waterjet propulsor, the major technologies are imported from foreign countries. In particular, the waterjet is a propulsion system that is likely to be expected to replace the propeller and to be widely used not only for small ships but also for large ships in the future. It is also installed and operated in various vessels such as merchant ships and passenger ships. It is also installed in amphibious armored vehicles, highspeed air-lifting vessels, and next-generation high-speed crafts and guided missile high-speed crafts. In addition, marine coast guards are also operating marine rescue boats, high-speed cruise ships and air-lift boats for rescue and security missions. In particular, the development of a waterjet propulsion system is complex so that only a few companies are in progress in developed countries. In Korea, the development and installation of waterjet was progressed when building PKG, but due to various problems, PKMR is dependent on imports while building PKMR. As a result, the maintenance or repair takes a long time or is expensive. It was considered that one of the reasons is that the performance verification method for the designed impeller is not well established. The purpose of this study is to establish a method to verify and analyze the performance of CFDs and model tests for specific designed impellers. Based on the pump loop test procedure proposed by the ITTC, we established a method for constructing a model test, confirmed the limitations, proposed a new construction method, and tried to verify the impeller performance test using CFD. In order to confirm the performance of the designed impeller, various dimensionless coefficient values were derived through CFX and the performance was confirmed through model tests. The model test was designed to verify the performance by measuring the pressure, thrust, and torque around the impeller in the cavitation tunnel at Seoul National University, and the scale ratio with the designed impeller is 1: 30.67. While conducting the model test, it was found there is a limitation in confirming the performance of the designed impeller only by the test, and the suggestion for improving the test was presented. In order to overcome the limitations identified through the model test, CFD was used to construct the same analysis domain as the model test and numerical analysis was performed as well. While verifying the reliability of the model test, the performance of the designed impeller was compared and analyzed simultaneously. Unlike conventional propellers, the waterjet propulsion system operates in the pipe(Shroud), so the numerical analysis is performed by configuring various pipe shapes and the characteristics are summarized. As a summary, 1) the development plan for the model test was presented, 2) when the comparison between the model test and the design value was difficult, the method of verifying the performance was established through additional numerical analysis, and 3) the method of verifying the performance of the impeller was verified by analyzing the influence on the impeller while changing the pipe shape through CFD.

선박 추진분야에서 일반 프로펠러에 대한 설계 및 제작은 많이 발전되어 왔지만 그 외에 복합 추진기, 워터젯 등의 분야에서는 완제품이나 주요 기술을 외국에서 수입하는 실정이다. 특히, 워터젯은 과거에는 프로펠러를 대체할 수 있는 추진체계로 소형선박 뿐 아니라 미래에는 대형 선박까지 그 활용이 확대될 것이라고 크게 기대했던 추진체계이다. 상선, 여객선 등 국내에서 운용중인 선박에도 다양하게 설치되어 운용되고 있으며 해군 함정도 해병대에서 운용하는 수륙양용 장갑차, 고속 공기부양정, 그리고 차기고속정, 유도탄 고속함 등에도 설치되어 운용되고 있다. 또한 해양경찰도 구조나 치안 임무를 위해서 해경제트보트, 고속경비함, 공기부양정 등에 설치하여 운용중이다. 특히, 해군함정 개발에 있어서 워터젯 추진체계는 선진국에서도 몇 개 국가의 소수의 업체들만 개발하고 있을 정도로 어렵고 대한민국에서도 유도탄 고속함 개발시에 국산 개발 및 장착이 진행되었다가 차기고속정 개발하면서 다시 외국 수입에 의존하고 있는 실정이며 이로 인해서 정비나 수리 시에 기간이 오래 걸리거나 비용이 많이 드는 어려움이 있다. 설계된 임펠러에 대한 성능 확인 방법이 제대로 정립되어 있지 않은 점이 여러가지 이유 중 중요한 하나라고 판단하였다. 본 연구에서는 설계된 특정한 임펠러에 대하여 CFD와 모형실험을 통하여 성능을 확인하고 분석하는 방법을 발전시키는데 그 목적이 있다. ITTC에서 제안한 Pump loop test 절차를 기본으로 하여 모형 실험 구성 방법을 정립하고 제한사항을 확인하여 새로운 구성 방안을 제안하고 CFD를 활용하여 임펠러 성능시험 확인 방법을 하고자 하였다. 설계된 임펠러 성능을 확인하기 위하여 CFX를 통해 각종 무차원계수 값들을 도출하고 모형실험을 통해 성능을 확인하였다. 모형실험은 서울대 캐비테이션 터널에서 임펠러에 주변의 압력과 추력, 토크 측정을 통하여 성능을 확인하고자 하였으며, 설계된 임펠러와의 축척은 1:30.67로 구성하였다. 모형실험을 진행하면서 설계된 임펠러의 성능을 실험만으로 확인하는데 제한이 있음을 확인하였고, 이에 대한 발전 방안을 제시하였다. 모형실험을 통해 확인된 제한사항을 극복하기 위하여 CFD를 활용하여 모형실험과 동일한 해석영역을 구성하고, 수치해석을 진행하였으며, 이 방법을 통해 모형실험의 신뢰성과 설계된 임펠러의 성능을 한번에 비교/분석해 보고자 하였다. 또한 일반 프로펠러와는 달리 관 내 유동인 임펠러의 특성에 따라 관의 형상을 바꾸어가면서 수치해석을 진행하여 그 특성을 정리하였다. 연구 결과, 1) 모형실험 구성에 대한 발전방안을 제시하였다 또한, 2) 모형실험과 설계값의 단순 비교가 어려울 시 추가 수치해석을 통해 성능을 검증하는 방법을 제시하였다. 3) CFD를 통하여 관의 형상을 변경해가면서 임펠러에 미치는 영향을 분석함으로써, 임펠러의 성능 확인 방법을 검증하였다.