KR101402498B1 - 대형캐비테이션터널에서의 프로펠러단독시험 수행방법 - Google Patents
대형캐비테이션터널에서의 프로펠러단독시험 수행방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 대형캐비테이션터널에서의 프로펠러단독시험 수행방법으로서, 보다 구체적으로는, 예인수조에서 시험하기 어려운 대형프로펠러 또는 높은 레이놀즈수에서 프로펠러단독시험을 수행하여야 하는 PBCF 등과 같은 특수프로펠러의 경우 기존 경사류프로펠러동력계(H41)를 활용하여 대형캐비테이션터널에서 프로펠러단독시험을 수행할 수 있는 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 대형캐비테이션터널에서의 프로펠러단독시험 수행방법으로서, 보다 구체적으로는, 예인수조에서 시험하기 어려운 대형프로펠러 또는 높은 레이놀즈수에서 프로펠러단독시험을 수행하여야 하는 PBCF 등과 같은 특수프로펠러의 경우 기존 경사류프로펠러동력계(H41)를 활용하여 대형캐비테이션터널에서 프로펠러단독시험을 수행할 수 있는 방법에 관한 것이다.
1. 대형캐비테이션터널에서의 프로펠러단독시험 기법 개발의 요청
최근 조선소가 에너지절감장치(ESD: Energy Saving Device) 개발의 일환으로 프로펠러보스캡핀(PBCF: Propeller Boss Cap Fin, 이하 'PBCF'라 함)(도 1) 연구를 수행하면서 대형캐비테이션터널에서의 프로펠러단독시험 기법 개발을 요구하였다.
PBCF란 도 1에 나타난 것과 같이 프로펠러를 고정하는 캡(Cap)에 핀(Fin)을 달아 추진효율을 향상시키는 에너지절감장치의 한 종류이다. PBCF는 프로펠러 뒤에 부착되어 프로펠러와 같은 속도로 회전하게 된다. 이때 PBCF의 핀에 유체가 유입되면서 프로펠러 회전 방향과 같은 방향으로 회전력을 발생시키게 된다. 이 힘으로 인해 회전축의 토크가 감소하여 전체적으로 추진효율이 향상된다. 또한 PBCF는 프로펠러 캡 부분에 발생하는 캐비테이션을 캡에 부착된 핀으로 없애 주어 저항을 감소시키는 효과가 있다.
이러한 PBCF의 경우 프로펠러와의 상대피치 및 설치각도 등을 잘 맞추어 주어야 그 효율을 최고로 향상시킬 수 있는데, 정도 높은 성능시험(프로펠러단독시험(POW: Propeller Open-Water Test))을 통하여 상대피치 및 설치각도 등에 대한 최적의 조합을 찾을 수 있다.
그러나, 축적비가 30.0 이상 되는 모형프로펠러 후미에 작은 PBCF를 부착하여 낮은 레이놀즈수 조건에서 프로펠러단독시험을 수행하는 경우 두꺼운 점성유동의 영향으로 PBCF에 의한 성능 차이를 구별하기 어려울 수 있다. 따라서 PBCF의 프로펠러단독시험은 높은 레이놀즈수에서 이루어져야 한다.
그런데, 예인수조의 경우, 높은 레이놀즈수에서 프로펠러단독시험을 하려면 프로펠러 회전수 및 예인전차 속도를 높여야 하는데, 여기에는 예인수조에서 보유한 프로펠러단독시험용 동력계 용량 및 예인전차 속도의 한계로 인한 제한이 따른다. 즉, 예인수조에서 보유한 프로펠러단독시험용 동력계 용량은 추력이 ±400N, 토오크가 ±15N-m, 회전수가 ±3000RPM 정도로 일반 모형프로펠러단독시험 시 기존 연구결과에서 추천하는 레이놀즈수(5×105정도)에 도달하는 데에는 큰 문제가 없으나, 보다 높은 레이놀즈수(106 이상)에서 프로펠러단독시험이 요구됨에 따라 프로펠러단독시험용 동력계의 용량을 크게 하는 경우, 크기 및 중량이 증가된 시험장치를 예인전차에 설치하여 높은 속도(약 4.0~5.0㎧)로 주행하여야 하는 예인수조로서는 부담이 될 수밖에 없다.
따라서, 높은 레이놀즈수(106 이상)에서 프로펠러단독시험은 예인수조가 아닌 대형캐비테이션터널에서의 수행이 요구되고 있다. 대형캐비테이션터널의 시험부 최고 속도는 약 16.9㎧로 예인수조보다는 높은 속도에서 프로펠러단독시험이 가능하며, 프로펠러단독시험용 동력계를 고정시킨 상태에서 시험부에 물이 순환하는 방식이므로 시험장치의 크기 및 중량 증가가 크게 문제되지 않는다.
한편, 대형캐비테이션터널에서 프로펠러캐비테이션시험을 수행하기 위한 캐비테이션시험용 동력계의 용량은 추력이 ±2200N, 토오크가 ±80N-m, 회전수가 ±3500RPM 정도이며, 이를 구동하려면 약 30kW 정도의 구동모터가 요구된다. 따라서, 대형캐비테이션터널에서 프로펠러단독시험을 수행하려면 캐비테이션시험용 동력계와 비슷한 용량의 프로펠러단독시험용 동력계가 요구된다.
2. 기존 경사류프로펠러동력계(
H41
)
본 출원인(한국해양과학기술원)은 1982년에 완공된 중형캐비테이션터널에 경사류프로펠러동력계(H41)를 보유하고 있다(도 2). 경사류프로펠러동력계는 주로 축경사각이 있는 함정프로펠러캐비테이션시험을 위하여 사용되어 왔지만, 최근 함정프로펠러캐비테이션시험이 대형캐비테이션터널에서 수행됨에 따라 그 활용도가 매우 저조한 편이다.
경사류프로펠러동력계는 도 2에 나타나 것과 같이 프로펠러 축 높이(H') 및 경사각 조절기능이 있고, 수중에 잠기는 부분이 예인수조의 프로펠러단독시험용 동력계 형상과 비슷하여 프로펠러단독시험의 수행이 가능하며, 그 용량은 추력이 ±2000N, 토오크가 ±100N-m, 회전수가 ±3000RPM 으로 상선용 동력계의 용량과 비슷하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 예인수조에서 시험하기 어려운 대형프로펠러 또는 높은 레이놀즈수에서 프로펠러단독시험을 수행하여야 하는 PBCF 등과 같은 특수프로펠러의 경우 기존 경사류프로펠러동력계(H41)를 활용하여 대형캐비테이션터널에서 프로펠러단독시험을 수행할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
대형캐비테이션터널의 트렁크(40) 벽면에 일정 간격으로 받침대(10)를 설치하는 단계;
중형캐비테이션터널에서 사용되는 경사류프로펠러동력계(20)의 상부에 상선프로펠러캐비테이션시험에 사용되는 30kW 수중모터인 교류(AC)모터를 구동모터(21)로서 부착하고, 상기 구동모터(21)의 외부로는 별도의 냉각통(22)을 부착하는 단계;
사각형태의 SUS 판재로서, 가운데에는 상기 경사류프로펠러동력계(20)의 추력 및 토오크 계측부가 설치된 수밀몸체(23)가 통과할 수 있도록 사각형태의 홀(31a)이 형성되어 있으며, 상기 홀(31a) 주위에는 상기 수밀몸체(23)가 통과한 상태의 상기 경사류프로펠러동력계(20)를 볼트로 체결하여 고정시킬 수 있도록 나사탭(31b)이 가공되어 있는 경사계장착부(31)를 제작하고,
다음으로, 상기 경사계장착부(31) 주위를 에워싸는 사각형태의 SUS 틀로서, 좌우 폭 방향으로는 상기 받침대(10)와 연결될 고정 플레이트(32b)를 다수 구비하고, 4개 모서리 상부에는 상기 경사류프로펠러동력계(20)의 역방향 및 순방향 설치를 위한 방향전환용 고리(32c)를 구비하는 트렁크설치부(32)를 제작하고,
다음으로, 사각 SUS 관을 이용한 다수 보강재(32a)에 의하여 용접으로 상기 경사계장착부(31)와 상기 트렁크설치부(32)를 연결하여 설치구조물(30)을 제작하는 단계;
대형캐비테이션터널 외부에서 상기 경사류프로펠러동력계(20)를 상기 설치구조물(30)에 장착하고, 크레인에 의하여 상기 설치구조물(30)과 함께 대형캐비테이션터널로 이동시켜 설치한 후, 프로펠러단독시험을 수행하는 단계 및;
프로펠러단독시험을 수행하는 과정에서 상기 구동모터(21)의 작동 중 상기 냉각통(22) 안으로 수돗물을 순환시켜 상기 구동모터(21)를 냉각시키는 단계;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 대형캐비테이션터널에서의 프로펠러단독시험 수행방법을 제공한다.
본 발명은, 예인수조에서 시험하기 어려운 대형프로펠러 또는 높은 레이놀즈수에서 프로펠러단독시험을 수행하여야 하는 PBCF 등과 같은 특수프로펠러의 프로펠러단독시험을 대형캐비테이션터널에서 수행할 수 있는 방법을 개발하였고, 예인수조와의 결과 비교를 통하여 대형캐비테이션터널에서의 프로펠러단독시험 타당성을 검증하였는바, 본 발명에 따르면, 예인수조에서 시험하기 어려운 대형프로펠러 또는 높은 레이놀즈수에서 프로펠러단독시험을 수행하여야 하는 PBCF 등과 같은 특수프로펠러의 경우 대형캐비테이션터널에서의 프로펠러단독시험이 가능해지는 효과가 있다.
도 1은 PBCF(Propeller Boss Cap Fin)를 보여주는 사진.
도 2는 중형캐비테이션터널에 설치된 기존의 경사류프로펠러동력계(H41)를 보여주는 사진 및 그 상세도면.
도 3은 본 발명에서 구동모터 및 프로펠러 축 높이의 개선이 이루어진 경사류프로펠러동력계를 보여주는 도면.
도 4는 본 발명에서 경사류프로펠러동력계에 30kW 수중모터가 설치된 모습을 보여주는 사진.
도 5는 본 발명에서 경사류프로펠러동력계의 구동모터에 냉각통이 설치된 모습을 보여주는 사진.
도 6은 본 발명에서 대형캐비테이션터널의 트렁크 벽면에 일정 간격으로 설치된 받침대를 보여주는 사진.
도 7은 본 발명에서 경사류프로펠러동력계의 설치구조물을 보여주는 도면.
도 8은 본 발명에서 설치구조물과 결합된 경사류프로펠러동력계를 보여주는 도면.
도 9는 본 발명에서 설치구조물의 전후에 부착된 구조물연장부를 보여주는 도면.
도 10은 본 발명에서 구조물연장부에 의하여 두 개의 크레인으로 이동 중인 경사류프로펠러동력계 및 설치구조물을 보여주는 사진.
도 11은 본 발명에서 대형캐비테이션터널에 설치된 경사류프로펠러동력계 및 설치구조물을 보여주는 사진.
도 12는 본 발명에서 대형캐비테이션터널에 순방향 설치된 경사류프로펠러동력계를 보여주는 도면.
도 13은 본 발명에서 대형캐비테이션터널에 역방향 설치된 경사류프로펠러동력계를 보여주는 도면.
도 14는 본 발명에서 대형캐비테이션터널에 순방향 설치된 경사류프로펠러동력계를 보여주는 사진.
도 15는 본 발명에서 대형캐비테이션터널에 역방향 설치된 경사류프로펠러동력계를 보여주는 사진.
도 16은 예인수조와 대형캐비테이션터널에서 프로펠러단독시험 결과를 비교한 그래프.
도 17은 선행기술문헌으로서, 대형캐비테이션터널 내 고속유동에 적합한 흘수판 고정장치(특허출원 제10-2011-0039938호).
도 18은 선행기술문헌으로서, 광폭 모형선의 대형캐비테이션터널 내 효과적인 실험방법(특허출원 제10-2011-0039937호).
도 19는 선행기술문헌으로서, 대형캐비테이션터널 내 고속유동에 적합한 흘수판 설치방법(특허출원 제10-2011-0039934호).
도 20은 선행기술문헌으로서, 광폭 모형선의 대형캐비테이션터널 내 실험을 위한 설치장치(특허출원 제10-2011-0039933호).
도 2는 중형캐비테이션터널에 설치된 기존의 경사류프로펠러동력계(H41)를 보여주는 사진 및 그 상세도면.
도 3은 본 발명에서 구동모터 및 프로펠러 축 높이의 개선이 이루어진 경사류프로펠러동력계를 보여주는 도면.
도 4는 본 발명에서 경사류프로펠러동력계에 30kW 수중모터가 설치된 모습을 보여주는 사진.
도 5는 본 발명에서 경사류프로펠러동력계의 구동모터에 냉각통이 설치된 모습을 보여주는 사진.
도 6은 본 발명에서 대형캐비테이션터널의 트렁크 벽면에 일정 간격으로 설치된 받침대를 보여주는 사진.
도 7은 본 발명에서 경사류프로펠러동력계의 설치구조물을 보여주는 도면.
도 8은 본 발명에서 설치구조물과 결합된 경사류프로펠러동력계를 보여주는 도면.
도 9는 본 발명에서 설치구조물의 전후에 부착된 구조물연장부를 보여주는 도면.
도 10은 본 발명에서 구조물연장부에 의하여 두 개의 크레인으로 이동 중인 경사류프로펠러동력계 및 설치구조물을 보여주는 사진.
도 11은 본 발명에서 대형캐비테이션터널에 설치된 경사류프로펠러동력계 및 설치구조물을 보여주는 사진.
도 12는 본 발명에서 대형캐비테이션터널에 순방향 설치된 경사류프로펠러동력계를 보여주는 도면.
도 13은 본 발명에서 대형캐비테이션터널에 역방향 설치된 경사류프로펠러동력계를 보여주는 도면.
도 14는 본 발명에서 대형캐비테이션터널에 순방향 설치된 경사류프로펠러동력계를 보여주는 사진.
도 15는 본 발명에서 대형캐비테이션터널에 역방향 설치된 경사류프로펠러동력계를 보여주는 사진.
도 16은 예인수조와 대형캐비테이션터널에서 프로펠러단독시험 결과를 비교한 그래프.
도 17은 선행기술문헌으로서, 대형캐비테이션터널 내 고속유동에 적합한 흘수판 고정장치(특허출원 제10-2011-0039938호).
도 18은 선행기술문헌으로서, 광폭 모형선의 대형캐비테이션터널 내 효과적인 실험방법(특허출원 제10-2011-0039937호).
도 19는 선행기술문헌으로서, 대형캐비테이션터널 내 고속유동에 적합한 흘수판 설치방법(특허출원 제10-2011-0039934호).
도 20은 선행기술문헌으로서, 광폭 모형선의 대형캐비테이션터널 내 실험을 위한 설치장치(특허출원 제10-2011-0039933호).
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
1. 기존 경사류프로펠러동력계(H41)의 개선 및 그 설치구조물(30)의 제작
기존 경사류프로펠러동력계(H41)를 이용하여 대형캐비테이션터널에서 프로펠러단독시험을 수행하기 위한 방법, 이른바 '대형캐비테이션터널에서의 프로펠러단독시험 수행방법'을 개발하기 위해서는 몇 가지 문제를 개선해야 한다.
우선적인 문제는 기존 경사류프로펠러동력계의 상부에 부착된 구동모터가 직류(DC)모터라는 점이다. 이 경우 구동모터의 제어장치가 문제될 수 있는데, 제어장치는 주문생산으로 제작되는 것이어서 만약 대형캐비테이션터널에서 프로펠러단독시험을 수행하기 위하여 직류모터를 그대로 사용하려면 제어장치를 구성하는 데 상당한 비용과 기간(약 6개월)이 소요되어야 하는 문제가 있다. 가장 큰 문제는 직류모터가 고장 나는 경우 같은 제품을 구할 수 없다는 점이다. 따라서 경사류프로펠러동력계를 이용하여 대형캐비테이션터널에서 프로펠러단독시험을 수행하기 위해서는 우선 경사류프로펠러동력계 상부에 부착되는 구동모터를 개선할 필요가 있다.
이에 본 발명에서는 경사류프로펠러동력계(20) 상부에 부착되는 구동모터(21)를 상선프로펠러캐비테이션시험에 사용되는 30kW 수중모터인 교류(AC)모터로 교체하였다(도 3 및 도 4 참조). 이에 따르면 구동모터(21)의 제어장치로 기존 인버터를 그대로 사용할 수 있어 별도의 제어시스템을 구성할 필요가 없다. 다만, 수중에서 작동하는 모터이므로 별도의 냉각장치가 없어, 도 3 및 도 5에서 보는 바와 같이 구동모터(21)의 외부로 별도의 냉각통(22)을 만들어 부착하였으며, 작동 중에는 냉각통(22) 안으로 수돗물을 약하게 순환시켜 구동모터(21)를 냉각시킬 수 있도록 하였다. 수중모터는 시중에서 쉽게 구할 수 있는 교류모터로서 가격이 저렴하며, 1~2주 내에 신속하게 납품이 가능하다는 장점이 있다.
기존 경사류프로펠러동력계의 개선과 관련하여, 본 발명에서는 또한, 경사류프로펠러동력계(20)의 프로펠러 축 높이(H)를 도 3과 같이 가장 낮게 위치하도록 설치하였다. 프로펠러단독시험 시 프로펠러에는 균일 유동이 유입되어야 하므로 프로펠러는 대형캐비테이션터널의 시험부(50) 벽면으로부터 되도록 멀리 떨어지는 것이 유리하다. 상술한 것처럼 경사류프로펠러동력계(20)의 프로펠러 축 높이(H)를 가장 낮게 위치하도록 하면 프로펠러 축 위치는 시험부(50) 상부 벽면으로부터 640㎜ 지점에 위치하게 되는데, 일반적인 프로펠러 직경이 250㎜인 점을 감안한다면, 이 경우 프로펠러 축 위치가 시험부(50) 상부 벽면(도 3의 S)으로부터 프로펠러 직경의 약 2.5배 이상 떨어지게 되는 셈이므로 균일 유동의 관점에서는 충분한 거리가 된다.
이상으로 대형캐비테이션터널에서 프로펠러단독시험을 수행하기 위한 기존 경사류프로펠러동력계(H41)의 개선 사항에 대하여 설명하였다. 이제 이처럼 개선된 경사류프로펠러동력계(20)를 대형캐비테이션터널에 설치하는 일이 남았다. 하지만, 경사류프로펠러동력계(20)의 중량이 약 1.8톤이므로 이를 대형캐비테이션터널에 설치하기 위해서는 강력한 설치구조물(30)의 설계 및 제작이 요구된다.
이에 본 발명은 경사류프로펠러동력계(20)를 대형캐비테이션터널에 설치하기 위한 강력한 설치구조물(30)을 새롭게 설계 및 제작하였는바, 이하에서는 설치구조물(30)에 대하여 상세히 설명한다.
미리 언급하자면, 경사류프로펠러동력계(20)는 대형캐비테이션터널 외부에서 설치구조물(30)에 장착되어 일체가 된 상태에서 크레인에 의하여 설치구조물(30)과 함께 대형캐비테이션터널의 트렁크(40) 벽면에 설치된다. 한편, 본 발명의 경우 프로펠러단독시험 수행 시 대형캐비테이션터널 내부 압력을 변화시키는데 무리가 있어 시험부(50) 상부에 설치된 트렁크 덮개를 설치하지 않는 조건으로 프로펠러단독시험 시스템을 구성하였다.
본 발명에 따른 설치구조물(30)은 기본적으로 경사계장착부(31), 트렁크설치부(32)로 이루어지며, 나아가 구조물연장부(33)를 더욱 포함한다. 도 7은 본 발명에서 경사류프로펠러동력계(20)의 설치구조물(30)을 보여주는 도면이며, 도 9는 본 발명에서 설치구조물(30)의 전후에 부착된 구조물연장부(33)를 보여주는 도면이다.
먼저, 경사계장착부(31)에 대하여 설명한다. 도 2의 사진에 나타난 중형캐비테이션터널 상부에는 경사류프로펠러동력계를 설치할 수 있는 볼트가 34개 설치되어 있으며, 경사류프로펠러동력계도 중형캐비테이션터널에 설치되기 위한 34개의 볼트 통과 홀(hole)을 구비하고 있다. 따라서 도 7에 나타난 경사계장착부(31)는 이러한 기존 경사류프로펠러동력계의 설치 특성을 고려하여 제작되었다.
즉, 경사계장착부(31)는 사각형태의 SUS 판재(재질을 SUS로 함으로써 설치구조물(30)의 강도를 높이면서도 전체적인 중량은 줄일 수 있다)로서, 가운데에는 경사류프로펠러동력계(20)의 추력 및 토오크 계측부가 설치된 수밀몸체(23)가 통과할 수 있도록 사각형태의 홀(31a)이 형성되어 있으며, 상기 홀(31a) 주위에는 수밀몸체(23)가 통과한 상태의 경사류프로펠러동력계(20)를 볼트로 체결하여 고정시킬 수 있도록 34개의 나사탭(31b)이 가공되어 있다.
한편, 경사류프로펠러동력계(20)의 수밀몸체(23)가 경사계장착부(31)의 홀(31a)을 통과한 상태에서 대형캐비테이션터널에 설치되면 수밀몸체(23) 및 프로펠러는 대형캐비테이션터널의 시험부(50)에 놓여지게 되어 이 상태에서 프로펠러단독시험을 수행할 수 있다(도 12 및 도 13 참조).
다음으로, 트렁크설치부(32)에 대하여 설명한다. 트렁크설치부(32)는 경사계장착부(31) 주위를 에워싸는 사각형태의 SUS 틀(재질을 SUS로 함으로써 설치구조물(30)의 강도를 높이면서도 전체적인 중량은 줄일 수 있다)로서, 100㎜ 사각 SUS 관을 이용한 다수 보강재(32a)에 의하여 용접으로 경사계장착부(31)와 연결되며, 좌우 폭 방향으로는 대형캐비테이션터널의 트렁크(40) 벽면에 일정 간격으로 설치된 받침대(10)와 연결될 고정 플레이트(32b)를 다수 구비하고, 4개 모서리 상부에는 경사류프로펠러동력계(20)의 역방향 및 순방향 설치를 위한 방향전환용 고리(32c)를 구비한다. 트렁크설치부(32)는 대형캐비테이션터널에 설치된 상태에서 경사류프로펠러동력계(20)의 중량을 버티는 부분이므로 구조보강을 위하여 100mm 사각 SUS 관 2개를 겹쳐 붙인 형태로 제작한다.
경사류프로펠러동력계(20)는 상술한 경사계장착부(31) 및 트렁크설치부(32)로 이루어진 설치구조물(30)에 장착된 상태에서 설치구조물(30)과 함께 대형캐비테이션터널에 설치된다. 도 8은 설치구조물(30)과 결합된 경사류프로펠러동력계(20)를 보여준다.
이 경우, 트렁크설치부(32)의 고정 플레이트(32b)는 대형캐비테이션터널의 트렁크(40) 벽면에 일정 간격으로 설치된 받침대(10)와 볼트로 체결되어 최종 연결되며(도 11의 A), 이에 따라 경사류프로펠러동력계(20)가 대형캐비테이션터널의 트렁크(40) 벽면에 고정 설치된다(도 11). 그리고 경사류프로펠러동력계(20)의 수밀몸체(23)는 상술한 바와 같이 경사계장착부(31)의 홀(31a)을 통과한 상태에서 대형캐비테이션터널의 시험부(50)에 놓여지게 된다(도 11의 B).
도 6은 대형캐비테이션터널의 트렁크(40) 벽면에 일정 간격으로 설치된 받침대(10)를 보여주는데, 받침대(10)는 벽면당 4개씩 양쪽 벽면에 총 8개가 설치되며, 4개의 볼트로 벽면에 고정된다.
한편, 트렁크설치부(32)의 4개 모서리 상부에 설치된 방향전환용 고리(32c)는 경사류프로펠러동력계(20)의 역방향 및 순방향 설치(도 12 및 도 13)를 위하여 크레인에 연결되어 경사류프로펠러동력계(20) 및 설치구조물(30)을 180도 회전시킬 수 있도록 하기 위하여 제작되었다.
다음으로, 구조물연장부(33)에 대하여 설명한다. 도 9는 설치구조물(30)의 전후에 부착된 구조물연장부(33)를 보여준다. 본 발명의 경우 경사류프로펠러동력계(20) 자체의 무게중심이 구동모터(21) 쪽으로 편중되게 치우치다 보니 한 개의 크레인을 이용할 경우 경사류프로펠러동력계(20) 및 설치구조물(30)의 이동 및 설치에 어려운 점이 있었다(한 개의 크레인으로 이동 시 기울어짐 또는 흔들림 현상 발생).
따라서 본 발명의 경우 두 개의 크레인을 이용하여 경사류프로펠러동력계(20) 및 설치구조물(30)을 이동 및 설치하는 것이 바람직한데, 이 경우 두 개의 크레인 간에 최소 간격 문제로 설치구조물(30)의 전후 방향 길이 연장을 위한 부가구조물의 설치가 요구되었는바, 그 부가구조물이 바로 구조물연장부(33)이다.
즉, 구조물연장부(33)는 설치구조물(30)의 전후에 부착되어 설치구조물(30)의 전후 방향 길이를 연장시켜 주는 부가구조물로서, 전후 끝단의 각 모서리 상부에는 크레인과 연결되기 위한 이송용 고리(33a)를 구비한다(도 9). 이러한 구조물연장부(33)는 설치구조물(30)에 대하여 착탈이 가능하도록 볼트로 체결되는바(도 9의 C), 구조물연장부(33)는 경사류프로펠러동력계(20) 및 설치구조물(30)의 이동 시에는 설치구조물(30)에 부착되어 크레인과 연결되었다가(도 10), 경사류프로펠러동력계(20) 및 설치구조물(30)의 설치 후에는 다시 설치구조물(30)로부터 제거된다(도 11).
도 10은 구조물연장부(33)에 의하여 두 개의 크레인으로 이동 중인 경사류프로펠러동력계(20) 및 설치구조물(30)을 보여준다. 이처럼 두 개의 크레인을 이용하면 경사류프로펠러동력계(20) 및 설치구조물(30)의 수평을 맞추어 이동시키는 것이 가능하고, 정도 높은 설치가 가능하다.
도 11은 대형캐비테이션터널에 설치된 경사류프로펠러동력계(20) 및 설치구조물(30)을 보여준다. 두 개의 크레인을 이용하여 경사류프로펠러동력계(20) 및 설치구조물(30)을 대형캐비테이션터널의 설치 위치에 내려놓고(이 때에는 설치구조물(30)의 고정 플레이트(32b)가 트렁크(40) 벽면의 받침대(10) 위에 얹혀진 상태가 된다), 방향전환용 고리(32c)에 부착된 미세조절용 레벨(level) 나사(도 11, 32d)를 이용하여 경사류프로펠러동력계(20)의 프로펠러 축이 시험부(50) 유동 방향과 일치하도록 설치구조물(30)의 미세 각도 조절(미세조절용 레벨 나사(32d)를 트렁크(40) 벽면에 대하여 밀거나 당기는 과정을 통하여 설치구조물(30)의 트렁크(40) 폭 방향 미세 이동을 유도할 수 있다)을 하고, 그 조절이 끝나면 고정 플레이트(32b)를 받침대(10)와 볼트 체결하여 최종 연결한다.
2.
프로펠러단독시험
수행을 위한 설치
예인수조에서 프로펠러단독시험을 수행하는 경우 프로펠러에는 균일 유동이 유입되어야 하므로 예인수조에서는 경사류프로펠러동력계의 프로펠러가 예인전차의 진행 방향에 대하여 앞쪽에 위치하고 추력 및 토오크 계측부가 설치된 수밀몸체가 뒤쪽에 위치하게 된다.
반면에, 대형캐비테이션터널에서 프로펠러단독시험을 수행하는 경우에는 프로펠러의 위치를 고정시킨 상태에서 시험부(50) 내 유속을 조절하게 되는데, 이 경우 예인수조에서와 같이 프로펠러가 경사류프로펠러동력계(20)의 몸체 상류에 설치되면 이를 순방향 설치(도 12 및 도 14)라고 정의하며, 반대로 프로펠러가 경사류프로펠러동력계(20)의 몸체 하류에 설치되면 이를 역방향 설치(도 13 및 도 15)라고 정의한다.
일반 프로펠러단독시험의 경우에는 도 12 및 도 14와 같이 순방향 설치를 하여야 하지만, 프로펠러 후류 유동이 중요한 PBCF와 같은 특수프로펠러의 경우는 비록 경사류프로펠러동력계(20)의 몸체 및 스트럿의 점성유동이 유입된다 할지라도 도 13 및 도 15와 같이 역방향 설치를 하게 된다. 실제로 PBCF에 의한 효율 향상은 PBCF 하류의 압력 변화와도 연관이 있어 역방향 설치를 하지 않으면 성능평가가 불가능하기 때문이다.
한편, 대형캐비테이션터널에서 프로펠러단독시험을 수행함에 있어서는 대형캐비테이션터널에서의 시험결과를 예인수조에서의 시험결과와 비교해 볼 필요가 있다. 대형캐비테이션터널은 예인수조에 없는 벽면이 있어 이에 따른 결과의 차이를 검증해야 하는 것이다.
실제로 중형캐비테이션터널에서 프로펠러단독시험을 수행한 결과 벽면효과로 인하여 중형캐비테이션터널에서의 시험결과와 예인수조에서의 시험결과 간의 차이가 크게 나타났다. 하지만, 대형캐비테이션터널의 시험부(50) 크기는 폭 2.8m, 높이 1.8m이며, 중형캐비테이션터널의 시험부 크기는 폭 0.6m, 높이 0.6m로서, 대형캐비테이션터널에서의 벽면효과는 중형캐비테이션터널의 그것에 비하여 매우 작을 것으로 예상되었다.
도 16은 예인수조와 대형캐비테이션터널에서 프로펠러단독시험 결과를 비교한 그래프인데, 도 16에 따르면 양 자의 경우 추력계수(KT)가 거의 일치하는 것으로 보아 대형캐비테이션터널에서의 벽면효과는 프로펠러단독시험 결과에 거의 영향을 미치지 않은 것으로 사료된다. 토오크계수(10KQ)가 감소되어 전체적인 효율이 높아진 것은 대형캐비테이션터널에서 수행한 프로펠러단독시험의 레이놀즈수가 높아 나타난 현상으로 모형시험 결과를 가지고 실선 확장하는 경향과 일치한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은, 예인수조에서 시험하기 어려운 대형프로펠러 또는 높은 레이놀즈수에서 프로펠러단독시험을 수행하여야 하는 PBCF 등과 같은 특수프로펠러의 프로펠러단독시험을 대형캐비테이션터널에서 수행할 수 있는 방법을 개발하였고, 예인수조와의 결과 비교를 통하여 대형캐비테이션터널에서의 프로펠러단독시험 타당성을 검증하였는바, 본 발명에 따르면, 예인수조에서 시험하기 어려운 대형프로펠러 또는 높은 레이놀즈수에서 프로펠러단독시험을 수행하여야 하는 PBCF 등과 같은 특수프로펠러의 경우 대형캐비테이션터널에서의 프로펠러단독시험이 가능해지는 효과가 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 받침대
20 : 경사류프로펠러동력계 21 : 구동모터
22 : 냉각통 23 : 수밀몸체
30 : 설치구조물 31 : 경사계장착부
31a : 홀 31b : 나사탭
32 : 트렁크설치부 32a : 보강재
32b : 고정 플레이트 32c : 방향전환용 고리
32d : 미세조절용 레벨 나사 33 : 구조물연장부
33a : 이송용 고리
40 : 대형캐비테이션터널의 트렁크
50 : 대형캐비테이션터널의 시험부
20 : 경사류프로펠러동력계 21 : 구동모터
22 : 냉각통 23 : 수밀몸체
30 : 설치구조물 31 : 경사계장착부
31a : 홀 31b : 나사탭
32 : 트렁크설치부 32a : 보강재
32b : 고정 플레이트 32c : 방향전환용 고리
32d : 미세조절용 레벨 나사 33 : 구조물연장부
33a : 이송용 고리
40 : 대형캐비테이션터널의 트렁크
50 : 대형캐비테이션터널의 시험부
Claims (6)
- 대형캐비테이션터널의 트렁크(40) 벽면에 일정 간격으로 받침대(10)를 설치하는 단계;
중형캐비테이션터널에서 사용되는 경사류프로펠러동력계(20)의 상부에 상선프로펠러캐비테이션시험에 사용되는 30kW 수중모터인 교류(AC)모터를 구동모터(21)로서 부착하고, 상기 구동모터(21)의 외부로는 별도의 냉각통(22)을 부착하는 단계;
사각형태의 SUS 판재로서, 가운데에는 상기 경사류프로펠러동력계(20)의 추력 및 토오크 계측부가 설치된 수밀몸체(23)가 통과할 수 있도록 사각형태의 홀(31a)이 형성되어 있으며, 상기 홀(31a) 주위에는 상기 수밀몸체(23)가 통과한 상태의 상기 경사류프로펠러동력계(20)를 볼트로 체결하여 고정시킬 수 있도록 나사탭(31b)이 가공되어 있는 경사계장착부(31)를 제작하고,
다음으로, 상기 경사계장착부(31) 주위를 에워싸는 사각형태의 SUS 틀로서, 좌우 폭 방향으로는 상기 받침대(10)와 연결될 고정 플레이트(32b)를 다수 구비하고, 4개 모서리 상부에는 상기 경사류프로펠러동력계(20)의 역방향 및 순방향 설치를 위한 방향전환용 고리(32c)를 구비하는 트렁크설치부(32)를 제작하고,
다음으로, 사각 SUS 관을 이용한 다수 보강재(32a)에 의하여 용접으로 상기 경사계장착부(31)와 상기 트렁크설치부(32)를 연결하여 설치구조물(30)을 제작하는 단계;
대형캐비테이션터널 외부에서 상기 경사류프로펠러동력계(20)를 상기 설치구조물(30)에 장착하고, 크레인에 의하여 상기 설치구조물(30)과 함께 대형캐비테이션터널로 이동시켜 설치한 후, 프로펠러단독시험을 수행하는 단계 및;
프로펠러단독시험을 수행하는 과정에서 상기 구동모터(21)의 작동 중 상기 냉각통(22) 안으로 수돗물을 순환시켜 상기 구동모터(21)를 냉각시키는 단계;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 대형캐비테이션터널에서의 프로펠러단독시험 수행방법. - 제 1 항에 있어서,
전후 끝단의 각 모서리 상부에 크레인과 연결되기 위한 이송용 고리(33a)를 구비한 구조물연장부(33)를 상기 설치구조물(30)의 전후에 부착하여 상기 설치구조물(30)의 전후 방향 길이를 연장시키고, 두 개의 크레인을 각각 상기 이송용 고리(33a)에 연결하여 상기 경사류프로펠러동력계(20) 및 상기 설치구조물(30)을 이동 및 설치하는 것을 특징으로 하는 대형캐비테이션터널에서의 프로펠러단독시험 수행방법. - 제 2 항에 있어서,
상기 구조물연장부(33)는 상기 설치구조물(30)에 대하여 착탈이 가능하도록 볼트로 체결되는바, 상기 구조물연장부(33)는 상기 경사류프로펠러동력계(20) 및 상기 설치구조물(30)의 이동 시에는 상기 설치구조물(30)에 부착되어 크레인과 연결되었다가, 상기 경사류프로펠러동력계(20) 및 상기 설치구조물(30)의 설치 후에는 다시 상기 설치구조물(30)로부터 제거되는 것을 특징으로 하는 대형캐비테이션터널에서의 프로펠러단독시험 수행방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 경사류프로펠러동력계(20)의 프로펠러 축 높이(H)를 가장 낮게 위치하도록 설치하는 것을 특징으로 하는 대형캐비테이션터널에서의 프로펠러단독시험 수행방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 경사류프로펠러동력계(20) 및 상기 설치구조물(30)을 대형캐비테이션터널에 설치함에 있어서는, 상기 방향전환용 고리(32c)에 부착된 미세조절용 레벨 나사(32d)를 이용하여 상기 경사류프로펠러동력계(20)의 프로펠러 축이 시험부(50) 유동 방향과 일치하도록 상기 설치구조물(30)의 미세 각도 조절을 하고, 그 조절이 끝나면 상기 고정 플레이트(32b)를 상기 받침대(10)와 볼트 체결하여 최종 연결하는 것을 특징으로 하는 대형캐비테이션터널에서의 프로펠러단독시험 수행방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 경사류프로펠러동력계(20) 및 상기 설치구조물(30)을 대형캐비테이션터널에 설치함에 있어서, PBCF와 같은 특수프로펠러의 경우는 역방향 설치를 하는 것을 특징으로 하는 대형캐비테이션터널에서의 프로펠러단독시험 수행방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020130027315A KR101402498B1 (ko) | 2013-03-14 | 2013-03-14 | 대형캐비테이션터널에서의 프로펠러단독시험 수행방법 |
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- 2013-03-14 KR KR1020130027315A patent/KR101402498B1/ko active IP Right Grant
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