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수면 관통형 프로펠러의 실해상 작동 조건을 고려한 추진 특성에 관한 연구 : A study on the propulsion characteristics of surface-piercing propellers considering actual sea operating conditions

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Authors

김재헌

Advisor
이신형
Issue Date
2024
Publisher
서울대학교 대학원
Keywords
Surface-piercinig propellerPropeller open-water testPartially submerged conditionVentilated cavity
Description
학위논문(석사) -- 서울대학교대학원 : 공과대학 조선해양공학과, 2024. 2. 이신형.
Abstract
The demand for high-speed vessels to respond promptly to the rising maritime accidents in the coastal seas is increasing.
High-speed vessels have a planing hull and can maneuver at speeds of 50 knots or more. Surface-piercing propellers are used as propulsion devices for high-speed vessels. While the low draft of high-speed vessels imposes restrictions on propeller diameter, there is no such limitation for surface-piercing propellers. The cavity collapses behind the trailing edge during rotation, enabling stable operation. However, there is a lack of research on the propulsion characteristics and operational conditions of surface-piercing propellers.
This study conducted propeller open-water tests, considering the conditions in which surface-piercing propellers operate in actual sea. The propellers pitch ratio(P /D), inclination angle(γ), immersion ratio(I T), and Froude number(Fr) were varied as test conditions. Performance and propulsion characteristics according to operating conditions were identified from the test results, and recommended conditions for thrust and efficiency were derived.
The operating regimes of surface-piercing propellers are classified into fully ventilated, transition, and partially ventilated regime, based on the form of the ventilated cavity around the propeller. Flow and ventilated cavity around the propeller were observed using a high-speed camera underwater. The correlation between the ventilated cavity and propeller performance was analyzed in conjunction with the results of propeller open-water tests.
In the fully ventilated regime, as P /D, γ, and Fr increased, the effect of the ventilated cavity increased, resulting in an overall decrease in both the thrust coefficient(KT) and torque coefficient(KQ). On the other hand, in the partially ventilated regime where the ventilated cavity dissipated, an increase in P /D, γ, and Fr increased both KT and KQ. As I T increased, KT and KQ increased in all operating regimes.
Among the operating conditions, I T had a dominant effect on both KT and KQ. Through this study, for efficient operation of the Modified Model-841-B, it is desirable to operate under conditions with high P /D, low I T, and γ=0˚, parallel to the water surface. In situations where high thrust is required, increasing I T is desirable.
증가하고 있는 연근해 해상 사고에 신속히 대응하기 위해 초고속정에 대한 수요가 증가하고 있다. 초고속정은 활주선형을 가지며 50 knots 이상의 속도로 기동 가능하다. 초고속정의 추진 장치로 수면 관통형 프로펠러를 보편적으로 사용한다. 수면 관통형 프로펠러는 초고속정의 낮은 흘수로 인한 직경 제한으로부터 자유롭다. 또한, 회전 시 공동 붕괴가 프로펠러 날개 단면 후방에서 붕괴되어 안정적인 운용이 가능하다. 하지만, 수면 관통형 프로펠러 관련 추진 특성 및 운용 조건과 관련한 연구가 부족한 실정이다. 본 연구에서는 수면 관통형 프로펠러가 실해상에서 작동되는 조건을 고려하여 프로펠러 단독성능 시험을 수행하였다. 시험 조건으로 프로펠러의 피치비(P/D), 경사각(γ), 침수율(IT), 그리고 프루드 수(Fr)를 달리하였다. 시험 결과로부터 작동 조건에 따른 성능 및 추진 특성을 파악하고, 이로부터 추력 및 효율 관점에서 적절한 조건을 도출하였다. 수면 관통형 프로펠러의 작동 영역은 프로펠러 주변의 환기 공동(Ventilated cavity) 형태에 따라 Fully ventilated, Transition 그리고 Partially ventilated regime으로 분류된다. 수중에서 초고속 카메라를 사용하여 프로펠러 주변의 유동 및 ventilated cavity를 관찰하였다. 프로펠러 단독성능 시험 결과와 연계하여 ventilated cavity와 프로펠러 성능 간의 상관 관계를 분석하였다. Fully ventilated regime에서는 P/D, γ 그리고 Fr이 증가하면 ventilated cavity 영향이 증가하여 전반적으로 추력 계수(KT)와 토크 계수 (KQ)가 감소하였다. 반면, Partially ventilated regime에서는 ventilated cavity가 소멸되어 P/D, γ 그리고 Fr이 증가하면 KT, KQ가 증가하였다. IT가 증가하면 모든 regime에서 KT, KQ가 증가하였다. 작동 조건들 중 IT가 KT와 KQ에 미치는 영향이 지배적이었다. 본 연구를 통해 Modified Model-841-B 프로펠러의 효율적인 운용을 위해서는 높은 P/D, 낮은 IT, 그리고 γ=0˚인 수면과 평행한 조건에서 운용하는 것이 권장된다. 또, 높은 추력이 요구되는 상황에서는 IT를 증가시키는 것이 바람직하다. 주요어 : Surface-piercing propeller, Propeller open-water test, Partially submerged condition, Ventilated cavity 학 번 : 2022-20034
Language
kor
URI
https://hdl.handle.net/10371/210775

https://dcollection.snu.ac.kr/common/orgView/000000182572
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