KR20000008608A - 선박 프로펠러 캐비테이션에 의해 유기되는 변동압력의 계측시스템 - Google Patents

선박 프로펠러 캐비테이션에 의해 유기되는 변동압력의 계측시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 선체 진동에 주 원인으로 작용하는 선박 프로펠러의 캐비테이션 (cavitation, 空洞現像)에 의하여 유기되는 변동압력의 계측 시스템에 관한 것이다.
주지하는 바와같이 선체 진동에 주 원인으로 작용하는 선박 프로펠러의 캐비테이션 (cavitation, 유수(流水)의 단면이 급변하던가 혹은 흐름의 방향이 바뀌어지면 그 가까이에 공동부(公同部)가 생겨 와류(渦流)를 일으키는 현상으로 부분부하(部分負荷)에서는 소음, 진동의 원인이 되고 중부하(重負荷)에서는 날개차 이면의 부식을 초례하는 현상)에 의하여 유기되는 변동압력의 계측 시스템(cavita tion test, 모형차에 의해 캐비테이션을 발생시켜 캐비테이션의 발생에 따른 특성 시험)은 도 1에서 보는 바와 같이 압력변환기가 설치된 변동압력판을 상하로 이동하면서 지지하는 계측장치와 신호를 증폭하는 증폭기로 구성되어 있다.
이러한 계측장치의 변동압력판은 프로펠러 상방에 위치되는 것으로 프로펠러 캐비테이션에 의한 계측장치 자체 진동을 최소화시킬 필요성과 함께 압력변환기에서 측정된 변동압력은 신호가 매우 미약하므로 증폭시스템이 필요성과 이때 압력변환기와 증폭시스템은 모형선 내지는 실제선박의 상관관계 추정시 계측시스템에 의한 오차를 최소화하기 위하여 실제선박의 변동압력 계측에서도 동시에 사용될 수 있어야 한다. 그러나 이러한 실시가 이루어지지 못하여 왔다.
상기한 문제점을 개선하기 위한 본 발명은 모형 프로펠러에서 평판형태의 변동압력판으로 재현하고 6개의 압력변환기를 62.5mm 간격으로 설치함과,
실제선박에서는 선체 밑바닥에 압력변환기를 설치하여 압력변환기에서 계측된 신호는 증폭기를 거쳐서 테이프 레코더(Tape recorder)에 저장되며, 실험 후에 실험실에서 FFT 분석기를 이용하여 주파수 분석을 수행할 수 있도록 함과, 실험 중에 계측의 정확도를 파악하기 위하여 오실로스코프를 이용하여 시간신호 관찰 및 대략적인 주파수 분석을 수행할 수 있도록 하고, 1차와 2차로 나누어 증폭시켜 영점조정이 용이하도록 함과, 또한 변동압력 계측장치는 고압에서의 방수 및 상하이동을 매끄럽게 수행할 수 있도록 함과 함께 자체진동 방지와 거리를 조절 및 NACA 16-021 단면형태로 제작하여 종래의 문제점을 개선한 발명이다.

Description

선박 프로펠러 캐비테이션에 의해 유기되는 변동압력의 계측시스템
본 발명은 선체 진동에 주 원인으로 작용하는 선박 프로펠러의 캐비테이션(cavitation, 空洞現像)에 의하여 유기 되는 변동압력의 계측시스템에 관한 것이다.
주지하는 바와 같이 선체 진동에 주 원인으로 작용하는 선박 프로펠러의 캐비테이션 (cavitation, 유수(流水)의 단면이 급변하든가 혹은 흐름의 방향이 바뀌어지면 그 가까이에 공동부(公同部)가 생겨 와류(渦流)를 일으키는 현상으로 부분부하(部分負荷)에서는 소음, 진동의 원인이 되고 중부하(重負荷)에서는 날개차 이면의 부식을 초례하는 현상)에 의하여 유기되는 변동압력의 계측 시스템(cavitation test, 모형차에 의해 캐비테이션을 발생시켜 캐비테이션의 발생에 따른 특성 시험)은 도 1에서 보는 바와 같이 압력변환기가 설치된 변동압력판을 상하로 이동하면서 지지하는 계측장치와 신호를 증폭하는 증폭기로 구성되어 있다.
이러한 계측장치의 변동압력판은 프로펠러 상방에 위치되는 것으로 도 2에서 보여지는 것과 같이 선체 밑바닥의 역할을 하는 것으로 프로펠러 캐비테이션에 의한 계측장치 자체 진동을 최소화시킬 필요가 있다.
그리고 변동압력판에 설치된 압력변환기에서 측정된 변동압력은 신호가 매우 미약하므로 증폭시스템이 필요하게 된다.
이때 압력변환기와 증폭시스템은 모형선 내지는 실제선박의 상관관계 추정시 계측 시스템에 의한 오차를 최소화하기 위하여 실제선박의 변동압력 계측에서도 동시에 사용될 수 있어야 한다.
이와같이 압력변환기가 부착되어 변동압력 신호를 측정하는 시스템과 측정된 신호를 증폭하는 증폭시스템으로 구성된 변동압력 계측시스템은 다음과 같은 특성이 요구된다.
첫째, 변동압력판은 프로펠러와 선체 사이에 간격이 선형에 따라 바뀜으로 간격조절을 위한 상하이동이 필수적으로 요구되며, 높은 압력하(약 3기압 이상)에서도 방수가 필수적이어야 하고, 또한 프로펠러 캐비테이션이 매우 큰 진동을 유발하기 때문에 프로펠러에 의한 캐비테이션만의 변동압력을 계측하기 위해서는 자체진동을 최소화할 수 있는 구조가 요구된다.
둘째, 변동압력판과 상하이송장치 사이에 위치되는 구조물은 캐비테이션 터널 내부에 매우 빠른 유속(약 1O㎧)이 존재하는 물속에 위치되고,
또한 수류에 방해를 주지 않으면서, 변동압력판의 자체진동을 최소화할 수 있는 구조로 이루어져야 하며, 또한 변동압력 계측 센서의 연결전선 등이 수중에 노출되는 경우 방수가 문제가 되어 센서 수명을 단축시키게 됨으로 센서의 방수문제를 해결할 수 있는 구조가 요구된다.
셋째, 실제선박 및 모형선에서 사용되는 압력변환기는 계측정도를 높이기 위하여 일반적으로 1.7kPa의 절대압형을 사용하고, 일반적인 콘테이너선은 프로펠러 상방의 선체 밑바닥이 수면으로부터 3∼4m 깊이에 수중에 위치됨으로 압력변환기에 걸리는 평균압력이 1.3∼1.4kPa 정도가 되어 변동압력 신호를 충분히 증폭할 수 없는 문제점을 가지고 있다. 따라서 이런 문제를 해결하고 정확한 변동압력 신호를 계측하기 위해서는 평균압력 성분을 상쇄시키고 변동하는 압력 성분만을 충분히 증폭할 수 있는 기능이 요구된다. 넷째, 실제선박 프로펠러의 회전수는 계측된 변동압력 신호를 주파수 분석기를 이용하여 해석하면 알 수 있지만, 계측된 신호의 정확도를 검증하기 위하여 rpm 픽업장치(pick-up)를 프로펠러 회전축에 1∼2군데 설치하여 계측할 필요가 있다.
이때에 신호 변환 및 증폭을 위한 F/V(Freq/Volt)변환기가 1∼2채널(Channel)이 필요하게 됨으로 따로 제작하는 것보다는 변동압력 신호증폭장치 설계시에 함께 설치되는 것이 요구되고 있다.
상기한 문제점을 개선하기 위한 본 발명은 모형 프로펠러에서 발생하는 캐비테이션에 의한 변동압력을 계측하기 위하여 프로펠러 상방의 선미 형상을 평판형태의 변동압력판으로 재현하고 6개의 압력변환기를 62.5mm 간격으로 설치하였다.
실제선박 프로펠러에서 발생하는 캐비테이션에 의한 변동압력을 계측하기 위하여서는 프로펠러 상방의 선체 밑바닥에 압력변환기를 설치하되, 압력변환기에서 계측된 신호는 증폭기를 거쳐서 테이프 레코더(Tape recorder)에 저장되며, 실험후에 실험실에서 FFT 분석기를 이용하여 주파수 분석을 수행할 수 있도록 함과, 실험 중에 계측의 정확도를 파악하기 위하여 오실로스코프를 이용하여 시간신호 관찰 및 대략적인 주파수 분석을 수행할 수 있도록 하였다.
변동압력 계측장치는 자체진동을 최소화하면서 고압에서의 방수 및 상하이동을 매끄럽게 수행할 수 있도록 하며, 또한 상하이송을 위한 장치들로 구성되고 각각의 부품들은 자체진동 방지와 방수 및 매끄러운 상하이동을 프로펠러와 선체 밑바닥까지의 거리를 조절할 수 있도록 하였다.
또, NACA 16-021 단면형태(미국 NASA에서 제안한 날개단면의 계열 번호)를 기본으로 제작 캐비테이션 터널 시험부의 유동을 매끄럽게 빠져나가도록 유선형으로 구성하고,
증폭기에서의 문제를 해결하기 위하여 1차와 2차로 나누어 증폭하는데 증폭시스템의 전면에는 영점조정이 용이하도록 함과 함께 계측시스템은 회전수의 변화에 따라 자체진동을 방지할 수 있도록 함을 목적으로 한 것이다.
도 1은 본 발명 요부 선박 프로펠러 상방에 위치된 변동압력판의 구성도
도 2는 본 발명을 선박 선미에 구성한 실시예의 계측구성도.
도 3은 본 발명의 변동압력 계측구성도.
도 4는 본 발명의 변동압력 계측장치 종단면도
도 5의 (가)는 본 발명의 요부 변동압력판의 평면도.
(나)는 본 발명의 요부 변동압력판의 단면도.
(다)는 본 발명의 요부 변동압력판의 측면도.
도 6은 본 발명의 평균수압 제거를 위한 증폭회로 플로우챠트.
도 7은 기존 및 본 발명의 계측시스템의 변동압력 계측결과에 대한 계측표.
도면의 주요 부분에 대한 설명
10 : 프로펠러 11 : 변동압력판 12 : 선부판
20 : 압력변환기 21 : 증폭기 22 : 테이프레코더
23 : FFT분석기 24 : 오실로스코프 30 : 스크류나사
31 : 리턴너트 32 : 상하연동판 33 : 기체
34 : 가이드봉 35 : 이송봉 36 : 지지판
37 : ○링 38 : 오일레스부싱 39 : 테프로브싱
40 : 스러스트베어링 M : 스텝모터 S : 실제선박
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 모형 프로펠러에서 발생하는 캐비테이션의 변동압력을 계측하기 위한 변동압력판과 실제선박 프로펠러에서는 압력변환기에서 계측된 신호를 증폭기에서 테이프 레코더(Tape recorder)에 저장시키며,
FFT 분석기를 이용한 분석과 실험 중에 계측의 정확도를 파악하기 위하여 오실로스코프를 이용하여 시간신호 관찰 및 대략적인 주파수 분석을 수행되도록 하였다.
변동압력 계측장치는 자체진동을 최소화하고 고압에서의 방수 및 상하 이동장치를 구성하고 프로펠러와 선체밑 바닥까지의 거리를 조절할 수 있도록 함과 함께 유선형으로 구성하고 증폭기에서의 문제를 해결하기 위하여 2차로 나누어 증폭하고 영점조정이 용이하도록 하였다.
이러한 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명 요부 선박 프로펠러 상방에 위치된 변동압력판의 구성도이고 도 2는 본 발명을 선박 선미에 구성한 실시예의 계측구성도, 도 3은 본 발명의 변동압력 계측구성도 및 도 4는 본 발명의 변동압력 계측장치 종단면도이고, 도 5의 (가)는 본 발명의 요부 변동압력판의 평면도. (나)는 본 발명의 요부 변동압력판의 단면도. (다)는 본 발명의 요부 변동압력판의 측면도 그리고 도 6은 본 발명의 평균수압 제거를 위한 증폭회로 플로우챠트. 도 7은 기존 및 본 발명의 계측시스템의 변동압력 계측결과에 대한 계측표를 도시한 것이다.
상기 도 1은 도시된 바와같이 모형 프로펠러(10)에서 발생하는 캐비테이션에 의한 변동압력을 계측하기 위하여 프로펠러(10) 상방 선미측에 평판형의 변동압력판(11)을 구성한다. 이때에 캐비테이션 터널 단면적이 600X600mm이므로 터널 관측상 1000X350mm이므로, 950X340mm로 변동압력판(11)으로 구성하고, 자체 진동방지를 위하여 20mm 스테인레스판에 6개의 압력변환기(20)를 62.5mm 간격으로 설치 구성한다.
그리고 도 2에서는 실제선박(S) 프로펠러(10)에서 발생하는 캐비테이션에 의한 변동압력을 계측하기 위하여 프로펠러(10) 상방의 선체 밑바닥에 압력변환기(20)를 설치하여 선미 변동압력을 계측하도록 한다.
즉, 도 3에서와 같이 압력변환기(20)에서 계측된 신호는 증폭기(21)를 거쳐서 테이프레코더(22)에 저장되며, 실험 후에 실험실에서 FFT분석기(23)를 이용하여 주파수 분석을 수행할 수 있고, 또한 실험 중에 계측의 정확도를 파악하기 위하여 오실로스코프(24)를 이용하여 시간 신호 관찰 및 대략적인 주파수 분석을 수행할 수 있도록 한다.
이때에 6도 에서와 같이 증폭기(21)는 압력변동센서의 신호를 1차증폭후 영점조정기 및 저역통과필터를 거친후 다시 2차증폭하여 출력되도록 하였다.
즉, 1차의 증폭기으로 변동압력 신호를 충분히 증폭할 경우에는 깊이에 의한 평균 수압신호로 출력전압이 포화됨으로 본 발명에서의 증폭기는 이런 문제를 해결하기 위하여 1차와 2차로 나누어 증폭하는데, 1차증폭에서는 평균수압과 변동압력에 의한 출력이 포화되지 않는 범위에서 증폭시키고, 이후 영점 조정회로를 거쳐 평균수압에 의한 신호를 제거한 후 변동압력 신호만을 연산증폭기를 이용하여 2차증폭시키도록 하였다.
예컨데 1차증폭에는 압력변환기를 통하여 유입되는 공통연산증폭기는 OP-AMP(operational amplifier)중에서 로우 드리프트(Low drift) 특성을 갖는 소자를 선택하여 사용하며, 영점조정은 디지털 전압계를 보면서 수동으로 조정할 수 있도록 하였다.
그리고 증폭시스템의 전면에는 영점조정이 용이하도록 1O Turn Potentio meter (전위차계)를 설치하고 이득(Gain) 조정은 선택스위치를 이용하여 10배에서 500배 사이를 5단계로 증폭할 수 있도록 하며, 또한 영점 조정시 출력전압을 알 수 있도록 한 디지털 전압계와 각각의 채널에서의 영점조정을 위해 채널 선택 스위치 및 증폭시스템에는 회전속도 계측용 모듈, 압력신호용 모듈, 및 A/D 변환기와 직접적으로 연결할 수 있는 선부판로 계측된 신호를 직접적으로 PC에서 해석할 수도 있도록 하였다.
본 발명에서의 증폭시스템은 각각의 채널을 모듈로서 구성하였기 때문에 다른 종류에 센서를 사용하고자 할 경우에 다른 종류에 모듈로 교환하여 사용할 수 있도록 하여 편리성을 증대하고 있다.
도 4에 도시된 변동압력 계측장치는 자체진동을 최소화하면서 고압에서의 방수 및 상하이동(108mm정도)을 매끄럽게 수행할 수 있도록 20mm두께의 변동압력판(11)을 형성하되, 그 상단면에 2차원 단면 형태를 갖는 변동압력판 선부판(12)를 캐비테이션 터널 시험부의 유동을 매끄럽게 빠져나가도록 하기 위하여 유선형의 NACA16-021 단면형태를 기본으로 하여 황동재로 구성함과 함께,
내부를 중공부로 구성하고 압력변환기의 전선들이 공기중에 위치시켜 압력변환기의 수명을 연장되도록 하였다. 또한 연결구성에서는 보올트와 패킹재로 방수 되었다.
이러한 변동압력판(11)은 스텝모터(M)를 이용한 상하이송을 수행하는데, 스템모터(M)의 출력축에 연결된 스크류나사(30)가 스러스트베어링(40)에서 회전함으로서 인청동재의 리턴너트(31)에 고정된 스텐인레스판재의 상하연동판(32)이 연동되고 상하연동판(32)은 계측기 기체(33)에 고정된 가이드봉(34)에 안내됨과 함께 이송봉(35)을 체결시켜 기체(33)에 고정된 지지판(36)을 관통하여 변동압력판(11)의 선부판(12)를 상하이송시키도록 하되, 이송봉(35)과 지지판(36)에는 O링(37)과 오일레스(oiless)부싱(38)과 테프론 부싱(39)으로 밀폐구성한다.
그리고 상하이송장치에는 엔코다가 부착되어 있어 프로펠러와 선체밑바닥까지의 거리를 1/1OOmm까지 조절할 수 있도록 하였다.
또한 각각의 부품들은 자체진동 방지, 방수, 매끄러운 상하 이동을 위한 구성을 이루도록 함은 물론이다.
이러한 본 발명에 의한 변동압력 계측결과 종래 시스템과 현격한 차이를 보이고 있다.
실시예로 변동압력 계측시스템의 검증을 위해 콘테이너선용으로 설계된 프로펠러를 선정하여 동일한 반류하에서 회전수에 변화에 따른 변동압력을 계측하였다.
이에 의한 기존의 계측시스템의 결과와 비교가 도 에 나타난 바와같이 그 결과들은 각각의 회전수에서 계측결과를 실선 값으로 변환한 것이다.
(실선값으로 변환된 값은 원칙적으로 모형 프로펠러 회전수가 변화해도 결과가 동일하여야 함.)
상기 기존 계측시스템의 경우 회전수에 따라 변화가 심하며, 22rps (rotation per second 1초에 22회 회전)근처에서 3차 조화성분( Harmonic )이 급격하게 증가함을 알 수 있다.
반면에 본 발명의 계측시스템은 회전수의 변화에 따라 안정된 계측결과를 보여준다. 이와같은 결과로 미루어 본 발명의 계측시스템이 기존시스템에 비하여 자체진동을 방지할 수 있는 구조임을 알 수 있는 것이다.
이와같이 본 발명은 자체진동방지와 변동압력의 최대증폭 및 2채널의 프로펠러 회전수 계측모듈이 설치되어 계측중 검증을 실시할 수 있도록 된 특징을 가진발명이다.
본 발명은 모형 프로펠러에서 발생하는 캐비테이션의 변동압력을 계측하기 위한 변동압력판과 실제선박 프로펠러에서는 압력변환기에서 계측된 신호를 증폭기에서 테이프 레코더에 저장시키고 또한 FFT 분석기를 이용한 분석과 실험 중에 계측의 정확도를 파악하기 위하여 오실로스코프를 이용하여 시간신호 관찰 및 대략적인 주파수 분석을 수행함과,
변동압력 계측장치는 자체진동을 최소화하고 고압에서의 방수 및 상하이동장치를 구성하고 프로펠러와 선체밑바닥까지의 거리를 조절할 수 있도록 함과 함께 유선형으로 구성하고 증폭기에서의 문제를 해결하기 위하여 2차로 나누어 증폭하고 영점조정이 용이하도록 하였다.
따라서 상기 변동압력판은 프로펠러와 선체사이에 간격이 선형에 따라 바뀔때에 간격조절을 위한 상하이동이 간편함과 자체진동을 최소화시키는 특징과 함께 방수 효과를 높일 수 있으며,
그리고 상기 변동압력판이 유선형으로 수류에 방해를 주지 않고 계측 센서의 연결전선 등이 수중에 노출되지 않음으로서 수명을 연장시켜 고장을 방지하며 또한 정확한 변동압력 신호를 계측하기 위해서는 평균압력 성분을 상쇄시키고 변동하는 압력 성분만을 충분히 증폭할 수 있고 계측된 신호의 정확도를 검증하기 위한 2체널의 프로펠러 회전수 계측모듈 구성으로 계측중의 검증이 가능하도록 함으로서 종래의 폐단과 단점을 개선시켜 보다 정확한 계측효과를 기대할 수 있으면서 검증이 가능하도록 하는 계측시스템을 제공한 발명이다.

Claims (5)

  1. 프로펠러에서 발생하는 캐비테이션에 의한 변동압력을 계측하기 위하여 프로펠러 상방에 변동압력판을 구성시켜 압력변환기를 설치하되,
    압력변환기에서 계측된 신호는 증폭기를 거쳐서 테이프 레코더에 저장되며, 실험 후에 실험실에서 FFT 분석기를 이용하여 주파수 분석을 수행할 수 있도록 함과,
    실험 중에 계측의 정확도를 파악하기 위하여 오실로스코프를 이용하여 시간신호 관찰 및 대략적인 주파수 분석을 수행할 수 있도록 함과,
    변동압력 계측창치는 자체진동을 최소화하면서 고압에서의 방수 및 상하이동을 매끄럽게 수행할 수 있도록 상하이송 수단을 구성하여서 됨을 특징으로 한 선박 프로펠러 캐비테이션에 의해 유기되는 변동압력의 계측시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 계측장치는 방수와 변동압력판의 수평이 유지되면서 간격조절을 위한 매끄로운 상하이동 및 프로펠러 캐비테이션에 의한 변동압력판의 자체 진동문제를 해결하기 위하여 스템모터(M)의 출력축에 연결된 스크류나사(30)가 회전시켜 리턴너트(31)에 고정된 상하연동판(32)을 연동하고 상하연동판(32)은 기체(33)에 고정된 가이드봉(34)에 안내됨과 함께 이송봉(35)을 체결시켜 기체에 고정된 지지판(36)을 관통하여 변동압력판(11)의 선부판(12)를 상하이송시키도록 하되, 이송봉(35)과 지지판(36)에는 O링(37)과 오일레스부싱(38) 및 테프론 부싱(39)으로 밀폐구성하여서 됨을 특징으로 한 선박 프로펠러 캐비테이션에 의해 유기되는 변동압력의 계측시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 변동압력판은 캐비테이션 터널 내부의 유동이 매끄럽게 빠져나가고 자체진동을 방지와, 압력변환기를 보호하기 위하여 NACA 16-021날개형상으로 구성함과 함께 날개 중앙 공중부로 압력변환기의 본체와 전선이 공기중에 설치되도록 함을 특징으로 하는 선박 프로펠러 캐비테이션에 의해 유기되는 변동압력의 계측시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 증폭기에서 변동압력 신호를 충분히 키울 경우에 깊이에 의한 평균 수압신호로 출력전압이 포화됨을 방지하기 위하여 1차와 2차로 나누어 증폭하되, 1차증폭기에서는 평균수압과 변동압력에 의한 출력이 포화되지 않는 범위에서 증폭시키고, 이후 영점 조정회로를 거쳐 평균수압에 의한 신호를 제거한 후 변동압력 신호만을 연산증폭기를 이용하여 2차 증폭시키도록 함과,
    연산증폭기는 0P-MP중에서 로우 드리프트특성을 갖는 소자로 구성되고 영점조정은 디지털 전압계를 보면서 수동으로 조정할 수 있도록 함을 특징으로 한 선박 프로펠러 캐비테이션에 의해 유기되는 변동압력의 계측시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    변동압력 계측시 프로펠러 회전수를 계측할 수 있는 F/V 변환기 2 체널을 증폭기내에 구성시켜 프로펠러 회전수를 변동압력과 동시에 계측할 수 있도록 함을 특징으로 한 선박 프로펠러 캐비테이션에 의해 유기되는 변동압력의 계측시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN104374544A (zh) * 2014-12-10 2015-02-25 中国人民解放军海军工程大学 螺旋桨脉动压力非对称测量装置

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