KR102523649B1 - 함정의 소요마력 추정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 함정의 초기 설계단계에서 함정의 모형시험 과정 없이도 표준화된 방법을 이용하여 대상 함정의 소요마력을 손쉽게 추정할 수 있는 함정의 소요마력 추정 방법에 관한 것이다.

Description

함정의 소요마력 추정 방법{METHOD FOR ESTIMATING THE HORSEPOWER REQUIRED OF A SHIP}
본 발명은 함정의 소요마력 추정 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 함정의 초기 설계단계에서 함정의 모형시험 과정 없이도 함정의 종류나 규모와 관계없이 표준화된 방법을 이용하여 대상 함정의 소요마력을 손쉽게 추정할 수 있는 함정의 소요마력 추정 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 함정을 실제 건조하기 이전에 소요마력을 추정하는 가장 신뢰성있는 방법은 기본설계 단계에서의 모형시험이다. 그러나 모형시험은 기본설계 단계의 적정 시점에서의 설계정보의 구체성 미흡 및 기타 사업적 특성 등을 고려할 때 현실적으로 적용이 곤란하다. 모형시험을 수행하기 위해서는 적어도 길이, 폭 등의 주요 제원이 결정되어야 하며, 함안정기, 스트러트, 빌지킬 등 주요 부가물 정보를 포함하여 구체적 수준의 선형설계가 마무리된 직후에나 가능하기 때문이다.
이에 초기단계 설계 시에는 간이 경험식이나 통계적 추정법 또는 전산유체해석(CFD)을 이용한 개략적인 예측만이 유일한 대안이다. 그러나 현행 방법은 함정 고유의 유체역학적 특징을 고려하기 어렵기 때문에 오차가 상당하여 이를 기반으로 추진체계를 선정하는 등의 주요한 설계활동을 이어가기가 어렵다.
따라서 보다 함정설계 고유의 특징을 고려한 정확한 소요마력을 추정할 수 있는 방안이 요구된다.
이와 관련된 종래기술 경우, 함정 고유의 유체역학적 특징에 영향을 미칠 수 있는 선체 표면에서의 마찰 저항, 추진 시 발생되는 조파저항 혹은 공기저항 등을 모두 고려하지 않고 부가물 부착에 따른 저항값 만을 토대로 선박의 유효마력을 추정한다는 점에서, 함정 고유의 유체역학적 특징을 고려하여 함정의 속력 별 소요마력을 정확히 추정하기 위한 기술이 요구되고 있는 실정이다.
한국등록특허 제10-1886638호
본 발명은 상술한 바와 같은 점을 감안하여 발명된 것으로서, 함정의 초기 설계단계에서 함정의 모형시험 과정 없이도 표준화된 방법을 이용하여 대상 함정의 소요마력을 손쉽게 추정할 수 있는 함정의 소요마력 추정 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 함정의 소요마력 추정 방법은 정보 정의부를 통해, 함정 제원 정보, 선형 계수 정보, 부가물 정보 및 추진 효율 정보를 정의하는 단계, 추정부를 통해, 함정의 선체 표면에 대한 점성 전단응력 성분에 의해 발생되는 나선 마찰저항을 추정하는 단계, 상기 추정부를 통해, 함정의 추진 시 발생되는 조파저항을 추정하는 단계, 상기 추정부를 통해, 함정에 탑재된 추진기 및 함안정기에 의해 발생되는 부가물 저항값을 추정하는 단계, 상기 추정부를 통해, 함정의 추진 시 발생되는 공기저항을 추정하는 단계 및 합산부를 통해 함정의 추진 시 속력 별 소요마력을 합산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 추정부를 통해, 함정의 선체 표면에 대한 점성 전단응력 성분에 의해 발생되는 나선 마찰저항을 추정하는 단계는 함정에 탑재된 소나돔(SONAR DOME) 또는 구상선수에 대한 나선의 침수표면적을 산출하는 단계 및 상기 나선의 형상계수를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 추정부를 통해, 함정의 추진 시 발생되는 조파저항을 추정하는 단계는 함정의 추진 시 기 설정된 속력 구간 별 조파저항값을 산출하는 단계, 함정의 구상선수에 의해 추가되는 조파저항 증가값을 추정하는 단계 및 함정의 트랜섬에 의해 발생되는 저항값을 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 함정의 초기 설계단계에서 함정의 모형시험 과정 없이도 표준화된 방법을 이용하여 대상 함정의 소요마력을 손쉽게 추정할 수 있으며, 특히 모형시험 이전에 주요한 선체 제원이나 부가물 정보 없이도 추진체계 선정에 적용하는데 어려움 없는 수준의 정확도로 함정의 속력 별 소요마력을 추정할 수 있는 이점을 가진다.
또한 본 발명의 일 측면에 따르면, 자동화 및 템플릿화된 계산기 형태의 응용프로그램을 통해 함정설계 및 최적화수행은 물론, 주요 계약목적물인 설계보고서를 자동으로 생성함으로써, 계산 및 보고서 작성에 투입되는 작업자의 노력을 획기적으로 절감시킬 수 있는 이점을 가진다.
특히 본 발명의 일 측면에 따르면, 설계업무 중 단순, 반복적인 계산업무를 프로그래밍간의 연동기술을 이용하여 자동화하고, 계산과 동시에 자동으로 설계보고서를 생성함으로써 여기에 투입되는 공수를 절감함과 동시에 설계의 질적 제고를 확보할 수 있는 이점을 가진다.
특히 본 발명의 일 측면에 따르면, 단순 반복적인 함정설계 업무를 '통합 및 자동화 환경' 기반에서 수행함으로써 최소한 '언제, 누가 하던' 동일한 설계결과를 생성할 수 있으므로 기술적인 신뢰성과 일관성을 확보할 수 있는 이점을 가진다.
또한 본 발명의 일 측면에 따르면, 데이터베이스와 연동하여 설계정보(경험)의 축척과 활용을 보장함으로써 설계기술의 누적적 개선이 가능하므로 미래의 함정설계 기술의 지속가능성을 보장하며 R&D를 위한 토대를 제공해 줄 수 있는 이점을 가진다.
또한 본 발명의 일 측면에 따르면, 함정설계 업무에서 다소 번거로운 보고서 작성 업무를 템플릿화(형식화)/자동화함으로써 단순하고 반복적인 업무에 투입되는 자원을 경감함으로써 설계 노무공수를 획기적으로 절감할 수 있는 이점을 가진다.
또한 본 발명의 일 측면에 따르면, 기존과 같이 단순히 소요마력을 추정하는 것을 넘어 비용과 성능 관점에서 균형된 최적 설계대안을 신속하게 생성할 수 있으므로 국내외 함정사업의 수주경쟁력을 확보하는데 기여할 수 있는 이점을 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 함정의 소요마력 추정 방법을 일련의 순서대로 도시한 도면이다.
도 2는 임의의 호위함급 함정의 모형시험 자료를 기반으로 한 유효마력 추정 결과와, 본 발명의 일 실시예에 따른 함정의 소요마력 추정 방법을 토대로 소요마력을 추정한 결과를 서로 비교한 도면이다.
도 3은 임의의 대상함정에 대한 주요 제원 정보, 선형 계수 정보, 부가물 정보를 입력하기 위한 사용자 인터페이스(UI)를 도시한 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 사용자 인터페이스를 통해 입력된 주요 제원 정보, 선형 계수 정보 및 부가물 정보에 따른 산출 과정이 자동화 및 템플릿화 된 계산기의 입력치 변화에 따라 자동으로 산출되고 그 결과가 갱신되는 화면을 도시한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 여러 실시예들에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적인 실시예에서만 설명하고, 그 외의 다른 실시예에서는 대표적인 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"된 것도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하는 것을 의미할 수 있다.
일반적으로, 주요 제원 정보, 선형 계수 정보 및 부가물 정보 등이 구체적이지 않은 함정 초기단계 설계 시에 적용되는 기존의 경험적 지식 또는 전산유체해석에 기반한 함정의 소요마력 추정결과는 과 추정 혹은 오 추정될 가능성이 높은 문제점을 가지고 있다.
따라서, 본 발명에서는 하기에 설명되는 함정의 소요마력 추정 방법을 통해, 구체적인 주요 제원 정보, 선형 계수 정보 및 부가물 정보 없이도 사용자의 다양한 입력(선택)에 따라 함정의 소요마력을 손쉽게 추정할 수 있도록 하는 방법을 제시하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 함정의 소요마력 추정 방법을 일련의 순서대로 도시한 도면이다.
도 1을 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 함정의 소요마력 추정 방법은 크게 정보 정의부를 통해, 함정 제원 정보, 선형 계수 정보, 부가물 정보 및 추진 효율 정보를 정의하는 단계(S101), 추정부를 통해, 함정의 선체 표면에 대한 점성 전단응력 성분에 의해 발생되는 나선 마찰저항을 추정하는 단계(S102), 상기 추정부를 통해, 함정의 추진 시 발생되는 조파저항을 추정하는 단계(S103), 상기 추정부를 통해, 함정에 탑재된 추진기 및 함안정기에 의해 발생되는 부가물 저항값을 추정하는 단계(S104), 상기 추정부를 통해, 함정의 추진 시 발생되는 공기저항을 추정하는 단계(S105) 및 함정의 추진 시 속력 별 소요마력을 합산하는 단계(S106)로 진행된다.
이하, 수학식을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 함정의 소요마력 추정 방법을 구체적으로 설명하도록 한다.
초기단계 함정설계시 소요마력 추정과 관련된 요구조건은 경하배수량, 최대속력 및 순항속력에 그친다. 그 외 정보는 설계를 진행하며 결정하게 되는데 모형시험을 적용할 경우 다양한 대안에 대해 모두 모형을 제작하고 시험을 하는 것은 비용이나 시간 문제가 어려움이 많다. 이에 본 발명에서는 사용자의 입력(선택)에 따라 입력되는 입력값을 토대로 소요마력을 단계별로 추정하는 방법을 구체적으로 설명한다.
본 발명에서의 첫번째 단계는 정보 정의부를 통해, 함정 제원 정보, 선형 계수 정보, 부가물 정보 및 추진 효율 정보를 정의하는 단계(S101)이다. 여기에서, 정보 정의부라 함은 물리적인 구현 구성이 아닌, 기능적으로 구현되는 가상 구성을 의미한다.
소요마력 추정 시 필요한 주요 제원과 선형 계수는 아래와 같다.
Figure 112021031603246-pat00001
이때, 본 발명의 적용대상인 함정은 주로 해수환경에서 운용되므로, 주변 유체의 기본 특성을 하기와 같이 정의할 수 있다.
Figure 112021031603246-pat00002
함정에 있어 구상선수는 소나(SONAR) 본체, 관련 설비 및 구조물을 내장하고 있어 크기(표면적과 체적)가 커 점성저항에 영향을 미친다. 이에 국내 실적함정에 장착된 소나 모델 별 하기의 침수표면적과 체적을 참고한다.
Figure 112021031603246-pat00003
한편, 비교적 저속에서 운영되는 상선과 달리, 함정은 29 내지 30 노트급으로 고속 주행하는 특성이 있기 때문에 하기와 같이 구상선수, 함안정기, 프로펠러와 같은 대표적인 저항성분뿐만 아니라, 상부구조물, 연돌, 마스트 등의 정면투영면적에 작용하는 공기저항 성분을 동시에 고려해야 한다. 상선과 달리 함정의 전체마력(Rt)는 아래와 같이 8개의 성분으로 구분된다.
Figure 112021031603246-pat00004
본 발명에서의 두번째 단계는, 추정부를 통해 함정의 주행 중 선체 표면에 발생하는 경계층에서의 점성 전단응력 성분에 의해 발생되는 마찰저항을 산출하는 것이다(S102). 이를 계산하기 위해서는 소나돔(또는 구상선수)를 포함한 나선의 침수표면적을 계산하여야 한다. 침수표면적 S는 아래의 2차 회귀식을 이용하여 구한다.
Figure 112021031603246-pat00005
마찰저항(Rf)은 등가평판의 저항계수를 추정하여 사용하는데 본 발명에서는 1957년 ITTC에서 제안한 아래 모형선-실선 상관식을 이용하여 마찰저항 계수(Cf)를 구하고 마찰저항(Cf)를 구한다.
Figure 112021031603246-pat00006
상기에서 구한 마찰저항은 동일한 침수표면적을 갖는 평판의 저항으로 실제 3차원 곡면으로 구성된 선체형상을 고려하기 위해서는 형상계수를 구하여 상기 마찰저항을 보정해주어야 한다.
Figure 112021031603246-pat00007
Figure 112021031603246-pat00008
본 발명에서의 세번째 단계는 추정부를 통해 함정의 주행 시(추진 시) 선체 전체 길이에 걸쳐 파도가 만들어지는데, 이때 발생되는 소모 저항성분인 조파저항을 추정하는 과정이다(S103). 조파저항은 저속, 중속, 고속 속력범위(Fn)에 따라 서로 다른 아래와 같은 조파저항 추정식을 각각 적용한다.
Figure 112021031603246-pat00009
이 후, 본 발명에서는 추정부를 통해 소나(SONAR, 음탐기)가 탑재된 구상선수에 의해 추가되는 조파저항 증가값을인 Rb를 하기의 수학식을 통해 구하게 된다.
Figure 112021031603246-pat00010
그 다음, 본 발명에서는 함정의 선미부가 물에 잠긴 트랜섬에 의해 발생하는 저항값을 하기의 수학식을 통해 구하게 된다.
Figure 112021031603246-pat00011
다음으로, 본 발명에서는 모형선과 실선 간의 표면거칠기의 영향을 반영하기 위한 저항값을 아래의 수학식을 통해 구한다.
Figure 112021031603246-pat00012
다음으로, 본 발명에서는 추정부를 통해 프로펠러(추진기)와 함안정기에 의해 발생되는 부가물 저항값을 추정하게 된다(S104).
먼저, 추정부에서는 하기 수학식을 이용하여 프로펠러(추진기)의 직경을 구한다.
Figure 112021031603246-pat00013
Figure 112021031603246-pat00014
여기에서, 상기 수학식에서 Pbht는 나선 유효마력의 합으로 상기의 단계까지의 마력 추정결과의 합으로 아래의 수학식을 구할 수 있다.
Figure 112021031603246-pat00015
다음으로, 본 발명에서는 추정부를 통해, 함정의 추진 시 함정을 마주보고 불어오는 바람에 의한 항력성분으로써 정면투영면적에 비례하여 발생되는 공기저항 성분을 하기의 수학식을 통해 추정하게 된다(S105).
Figure 112021031603246-pat00016
다음으로, 본 발명에서는 합산부를 통해 함정의 추진 시 속력 별 소요마력을 합산하게 된다(S106). 이 단계에서는 앞서 구한 저항성분의 합에 여유를 고려하여 유효마력(EHP), 축마력(SHP), 제동마력(BHP)의 순으로 추진체계 선정을 위한 소요마력을 추정하는 것으로서, 하기의 절차를 따르게 된다.
먼저, 유효마력(EHP)을 살펴보면 다음과 같다.
Figure 112021031603246-pat00017
다음으로, 합산부에서는 전달마력으로 유효마력을 준추진효율로 나누어 산출하게 된다.
Figure 112021031603246-pat00018
마지막으로, 합산부에서는 하기의 수학식을 토대로 제동마력(BHP)을 산출하게 된다.
Figure 112021031603246-pat00019
도 2는 임의의 호위함급 함정의 모형시험 자료를 기반으로 한 유효마력 추정 결과와, 본 발명의 일 실시예에 따른 함정의 소요마력 추정 방법을 토대로 소요마력을 추정한 결과를 서로 비교한 도면이고, 도 3은 임의의 대상함정에 대한 주요 제원 정보, 선형 계수 정보, 부가물 정보를 입력하기 위한 사용자 인터페이스(UI)를 도시한 도면이며, 도 4는 도 3에 도시된 사용자 인터페이스를 통해 입력된 주요 제원 정보, 선형 계수 정보 및 부가물 정보에 따른 산출 과정이 자동화 및 템플릿화 된 계산기의 입력치 변화에 따라 자동으로 산출되고 그 결과가 갱신되는 화면을 도시한 도면이다.
도 2를 살펴보면, 본 발명에서의 함정의 소요마력 추정 방법과 모형시험 자료를 기반으로 한 유효마력 추정 결과는 전 속력구간에 걸쳐 유의미한 차이가 없음을 알 수 있다.
도 3을 살펴보면, 본 발명은 앞서 살펴본 함정의 소요마력 추정 방법의 표준화된 절차를 통해 주요 제원 정보, 선형계수 정보 및 부가물 별 결과를 데이터베이스화하게 되는데, 이때 도 3에 도시된 사용자 인터페이스(UI)를 통해 데이터베이스화를 위한 주요 제원 정보, 선형 계수 정보 및 주말 정보를 입력하게 된다.
한편, 도 2 내지 도 4에 도시된 사용자 인터페이스(UI) 및 이를 통한 주요 제원 정보, 선형 계수 정보 및 부가물 정보에 따른 산출 과정은 파이썬으로 구현된 대시보드와 WYSWYG(what you see what you get) 형식의 프로그램인 Mathcad 간의 프로그램연동(API) 기술을 이용하여 자동화 및 템플릿화된 계산기 형태의 응용프로그램을 통해 구현될 수 있다. 이러한 응용프로그램을 통해 함정설계 및 최적화수행은 물론, 주요 계약목적물인 설계보고서를 자동으로 생성함으로써, 계산 및 보고서 작성에 투입되는 작업자의 노력을 획기적으로 절감시킬 수 있는 것이다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (3)

  1. 정보 정의부를 통해, 함정 제원 정보, 선형 계수 정보, 부가물 정보 및 추진 효율 정보를 정의하는 단계;
    추정부를 통해, 함정의 선체 표면에 대한 점성 전단응력 성분에 의해 발생되는 나선 마찰저항을 추정하는 단계;
    상기 추정부를 통해, 함정의 추진 시 발생되는 조파저항을 추정하는 단계;
    상기 추정부를 통해, 함정에 탑재된 추진기 및 함안정기에 의해 발생되는 부가물 저항값을 추정하는 단계;
    상기 추정부를 통해, 함정의 추진 시 발생되는 공기저항을 추정하는 단계; 및
    합산부를 통해, 함정의 추진 시 속력 별 소요마력을 합산하는 단계;를 포함하며,
    상기 정보 정의부를 통해, 함정 제원 정보, 선형 계수 정보, 부가물 정보 및 추진 효율 정보를 정의하는 단계는 함정의 상부구조물, 연돌 및 마스트를 포함하는 정면투영면적에 작용하는 공기저항 성분을 반영하여 함정의 전체마력을 마찰저항, 나선체 형상계수, 조파저항, 구상선수 조파저항, 트랜섬 저항, 모형선-실선 상관수정 저항, 프로펠러 저항, 함안정기 저항 및 공기저항으로 구분하는 단계를 포함하고,
    상기 추정부를 통해, 함정의 선체 표면에 대한 점성 전단응력 성분에 의해 발생되는 나선 마찰저항을 추정하는 단계는 함정에 탑재된 소나돔(SONAR DOME) 또는 구상선수에 대한 나선의 침수표면적을 산출하는 단계 및 상기 나선의 형상계수를 산출하는 단계를 포함하며,
    상기 추정부를 통해, 함정의 추진 시 발생되는 조파저항을 추정하는 단계는 함정의 추진 시 기 설정된 속력 구간 별 조파저항값을 산출하는 단계, 함정의 구상선수에 의해 추가되는 조파저항 증가값을 추정하는 단계 및 함정의 트랜섬에 의해 발생되는 저항값을 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 함정의 소요마력 추정 방법.
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