사항 각도 조건에 따른 부분 침수 프로펠러의 축계 하중 특성 연구

Abstract

A typical ship's propeller system is designed to meet the design speed of the vessel to be mounted, engine power, and revolution rate conditions. In addition, the structural strength and detailed design requirements of the propeller shaft system are selected by additionally considering the vibration and load at the ship wake during the constant speed operation. However, in off-design conditions where the ship's motion changes, the uneven force applied to the propeller results in additional excitation forces in the shaft system. This load change should be estimated to determine the design load of the axial system and the structural strength of the propeller, but at present there is no clear design basis, and predictions through computational analysis that can be used as realistic analytical techniques are not guaranteed due to the lack of verification data. In this study, a propeller open water (POW) test was performed on partially submerged condition in the towing tank to determine the excitation force of axial vibrations. A 6-DOF dynamometer with additional y- and z-axis forces and moment sensors was used, rather than thrust and torque measuring normally used for POW test. A combined load calibration test was conducted to confirm interference between the 6-DOF components measured in the dynamometer, and the propeller rotation phase angle was also measured to convert to a fixed coordinate. At bollard pull test, the thrust and torque loss according to submergence ratio and revolution rate conditions, eccentricity of thrust, and changes in axial excitation force were analyzed. The thrust and torque loss and axial lateral force components occurred as the ventilation phenomenon started. Under exposure to free surface conditions, it were thrust losses of up to 60% or more relative to the deep condition, and thrust eccentricity by bending moments varied by up to 60% in the center. The patterns of ventilation phenomenon were divided through underwater cameras, and the thrust raw data were used to conduct fast Fourier transform (FFT) to determine the frequency characteristics according to the patterns of ventilation. Noise in the low frequency zone was generated by the ventilation phenomenon, rather than by the combination of expected revolution rate and number of blade. At POW test with inflow condition, propulsion performance and excitation force of axial system were analyzed according to submergence ratio and oblique angle conditions. The relatively large thrust loss relative to torque reduced efficiency, but the opposite tendency was shown under exposure to free surface conditions. The closer the propeller axis was to the free surface, the more asymmetric components of the axial lateral force were detected according to the non-uniform inflow. These axial lateral force components increased in proportion to the oblique angle. Using the POW test equipment equipped with a 6-DOF dynamometer and a device that regulates height and oblique angle conditions, the propeller's propulsion performance and axial lateral forces were studied during off-design conditions rather than design depth and attitude. It is hoped that the data analyzed under each condition can be expanded to ship scale and used as structural strength indicators for the strength design of the bit at quay or mooring line and the stern bearing design during the quay mooring test, and can be used as verification data for computational fluid dynamics analysis.

통상적인 선박의 추진기는 장착될 선박의 운항 속도와 기관 출력, 회전수 조건에 맞춰 설계된다. 그리고 정속 항주 중 반류장에서의 진동, 하중 정도를 추가적으로 감안하여 프로펠러 축계의 구조 강도 및 세부 설계 요목을 선정한다. 그러나, 흘수의 변화나 선회 등 선체의 자세가 변하는 off-design 상황에서는 프로펠러에 가해지는 불균일한 힘으로 인해 축계에 기진력이 추가로 발생한다. 이러한 하중 변화를 추정하여 축계의 설계 하중 및 프로펠러의 구조 강도를 결정해야 하는데, 현재로서는 이에 대한 명확한 설계 근거가 없으며, 현실적인 해석 기법으로 사용될 수 있는 전산 해석을 통한 예측은 검증 데이터의 미확보로 인해 정확성이 보장되지 않는 실정이다. 본 연구에서는 이러한 축계 진동의 기진력을 파악하기 위해 부분 침수된 프로펠러에 대해 정지 중 단독성능시험과 사항 중 단독성능시험을 예인수조에서 수행하였다. 통상적으로 propeller open water (POW)시험에 사용되는 추력, 토크 계측을 위한 2분력이 아닌 y, z축의 힘과 모멘트 센서를 추가적으로 탑재한 6분력계를 이용하였다. 동력계에서 계측되는 6가지의 분력 간 간섭을 확인하기 위해 복합하중시험이 이루어졌으며, 주방향 성분 외 4가지 분력에 대한 고정좌표계로의 변환을 위해 프로펠러 회전 위상각을 함께 계측하였다. 정지 중 프로펠러 단독시험에서는 침수 정도와 회전수 조건에 따른 추력 및 토크 손실, 추력 중심의 편심 현상과 축계 기진력 변화를 분석하였다. 공기 유입 현상이 시작되는 조건부터 추력 및 토크 손실과 축계 횡력 성분이 검출되었다. 수면 노출 조건에서는 심수 대비 최대 60% 이상의 추력 손실을 가져왔고, 굽힘 모멘트에 의한 추력 편심은 중심에서 최대 60% 변화하였다. 수중 카메라를 통해 공기 유입 현상의 양상을 나누었고, 추력 시계열 데이터를 fast Fourier transform (FFT) 를 통해 기진력 성분을 분석하였다. 예상되는 회전수와 날개수의 조합에 의한 주파수가 아닌 공기 유입 현상에 따른 저주파수 영역대의 노이즈가 발생하였다. 사항 중 시험에서는 침수 정도와 사항각에 따른 추진 성능 및 축계 기진력 변화를 분석하였다. 축 잠김 깊이가 얕아짐에 따라, 토크 대비 추력 손실이 상대적으로 커서 효율이 감소하였으나, 수면 노출 조건에서는 반대의 경향을 보였다. 프로펠러 축이 수면에 가까울수록 불균일 유입에 따라 사항 각도에 따른 축계 횡력의 비대칭 성분이 검출되었다. 이러한 축계 횡력 성분들은 사항 각도에 비례하여 증가하였다. 6분력계가 장착된 프로펠러 단독시험 장비와 침수 및 사항 각도 조건을 조절하는 장치를 이용해, 설계 흘수 및 자세가 아닌 off-design 조건 중 작동하는 프로펠러의 추진 성능과 축계 횡력에 대한 연구를 수행하였다. 각 조건에서 분석한 데이터들을 실선으로 확장하여, 안벽계류시험 시 안벽 비트나 계류선의 강도 설계와 선미 베어링 설계의 구조 강도 지표로 사용될 수 있으며, 전산유체역학 해석의 검증 자료로 활용될 수 있기를 기대한다.