KR20100048482A - 횡동요 감소를 위한 활주형선 선형을 갖는 고속보트 - Google Patents

횡동요 감소를 위한 활주형선 선형을 갖는 고속보트 Download PDF

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Abstract

본 발명은 횡동요 감소를 위한 활주형선 선형을 갖는 고속보트에 관한 것으로, 레저용으로 사용되는 소형 고속보트에 있어서; 상기 고속보트는 Fn▽ 값이 4.0 ~7.2이고, 선저를 중심으로 선미에 좌우 대칭되는 형태로 보조동체가 장착되어 전체적으로 선미 부분에서 M형상의 단면을 갖는 선체를 구성하는 것을 특징으로 하는 횡동요 감소를 위한 활주형선 선형을 갖는 고속보트를 제공한다.
본 발명에 따르면, 선미에 종방향 안정성을 보정할 수 있는 보조 동체를 장착한 선형을 구비하여 기존의 종방향 안정성보정을 위한 트림 탭 등의 보조 장치가 불필요하고, 제작시에도 별도의 유압장치들이 불필요하며, 기존의 고속선형의 기본 형태를 탈피하여 스텝 적용 선형을 보다 안정적으로 구현할 수 있고, 고속운항시 횡동요를 현저히 감소시켜 수평안정성과 승선감 향상을 기대할 수 있다.
또한, 선측으로 파생되는 조파들을 선미에서 효과적으로 감쇠시킴으로 후미의 켈빈 파(Kelvin Wave)의 파고를 현저하게 낮출 수 있고, 이를 통해 항내 운항 및 잔잔한 호수 등의 운용에서 주변의 선박들에 파에 대한 그 피해를 감소시킴으로 정박환경이 열악한 국내 해상상태에 적합한 선형으로 적용될 수 있다.
횡동요, 활주형선, 선형, 고속보트, 선미, 보조동체, 수평안정성, 승선감

Description

횡동요 감소를 위한 활주형선 선형을 갖는 고속보트{HIGH SPEED BOAT FOR DECREASING ROLL WITH PLANING LINE SHAPE}
본 발명은 횡동요 감소를 위한 활주형선 선형을 갖는 고속보트에 관한 것으로, 보다 상세하게는 선미에 보조동체가 장착된 스텝 적용 고속보트의 선형 특성과, 선저 최적 스텝 위치, 크기, 선미 보조동체의 형상 및 위치, 크기 등의 상관관계를 분석하여 선형을 정립함으로써 선저 스텝 적용 활주형선의 가장 큰 단점인 고속운항시 발생되는 횡동요를 현저히 감소시켜 구조적 수평안정성과 승선감을 개선시켜 연안 순찰정, 구난정은 물론 내수면 수상레저보트로 적극 활용될 수 있도록 한 횡동요 감소를 위한 활주형선 선형을 갖는 고속보트에 관한 것이다.
일반적으로, 고속보트의 선형은 선저를 평판 모양으로 하여 수평면에 대해 어떤 앙각을 가지게 하여 고속이 될 때 발생하는 물의 동압을 이용하여 선체를 상방으로 들어 올려 배의 중량을 거의 물의 동압으로 지지하는 활주상태의 형상을 갖는다.
이러한 활주상태의 선형 형상은 일반적인 둥근바닥형의 고속보트 이외에도 V형 고속보트 등 다양한 형태가 있다.
그런데, 이러한 형상의 선형은 파랑중에서 항주할 경우 선체가 좌우로 요동되는 횡동요(Roll)가 커져 선박의 안정성과 승선감을 떨어뜨릴 뿐만 아니라, 파도가 선수 선저부에 부딪히는 선저부 충격현상 등에 의한 선체구조강도상의 안전성이 현저히 떨어지는 문제가 있다.
이를 해결하기 위한 노력의 일환으로, 빌지킬(Bilge-Keel), 감요수조(Anti-rolling Tank), 자이로 안정기(Gyro-Stabilizer), 핀 안정기(Fin-Stabilizer) 등이 제안된 바 있으나, 이들에 의한 횡요 방지 효과가 극히 적거나 혹은 선체의 중량을 오히려 높이게 되어 경제성을 저하시키거나 설치 및 유지관리에 따른 고비용을 요구하게 되어 주로 소형인 레저형 고속보트에 적용하는 것은 한계가 있었다.
아울러, 최근 주 5일 근무제의 시행과 국민소득 증대로 인해 해양레저에 대한 관심과 수요가 급증되고 있는 상황이지만 기초 선박인 레저형 고속보트는 횡요에 따른 안정성과 승선감 저하에 따른 문제로 인해 대부분 수입에 의존하고 있어 수요를 충족시키지 못할 뿐만 아니라 외화낭비에 따른 국가경제의 손실을 야기시키는 한 요인이 되기도 하여 레저형 고속보트의 국산화와 함께 선형 개발이 시급히 요청되고 있다.
예컨대, 현재의 레저 보트의 선형은 고속상태에서의 저항 감소를 목적으로 동역학적 효과(Dynamic Effect)에 의한 양력발생 선형을 채택하거나, 배수량형 선박을 길이에 비하여 선체의 폭(L/B)을 아주 작게 하여 조파 저항의 급격한 증가를 방지하는 선형을 채택하고 있다.
또한, 활주형 선형에 선저의 형상을 변화시켜 좀더 나은 저항 성능과 운항 성능을 얻기 위해서 스텝(step) 적용 선형을 사용하는데, 선저에 스텝을 둔 선형은 일체형 선저선형에 비하여 적은 침수표면적으로 인해 저항의 감소와 이로 인한 연비 절감 효과를 얻을 수 있으며, 선저 스텝으로 인해 선저에 유체의 박리를 유도하여 운항 성능의 향상을 가져올 수 있다.
그러나, 기존의 스텝 선형이 가지는 최대 단점은 고속 주행시의 횡방향 안정성에 대한 문제인데, 이는 스텝 선형의 고유형상 및 그 효과로서 선미로 갈수록 좌우 접수면이 없어짐에 따라 작은 파도의 영향에도 선체가 민감하게 반응하여 심하게 횡경사(heeling) 되는 경향으로 나타나기 때문이다.
이러한 대책으로서, 면적이 넓은 타(rudder)와 민감하게 변하도록 조종이 가능한 트림 탭(trim Tab) 등을 사용할 수 있지만 이 장비들이 잘못 장착될 경우 선체의 횡방향은 물론 종방향 안정성까지 현저하게 떨어뜨릴 수 있으므로 매우 주의하여 장착되어야만 한다.
그런데, 이와 같은 대책에도 불구하고, 기존의 깊은 'V' 선형을 기초로 한 스텝 선형으로서는 상술한 문제를 여전히 해결할 수 없는 상황이다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점들을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 횡방향으로 안정적인 고속 성능을 낼 수 있는 스텝 적용 선형과 스텝 적용 선형의 가장 큰 단점인 고속시 발생되는 횡동요를 현저하게 감소시킬 수 있는 활주형의 레저보트 선형을 개발하여 고속운항시에도 수평안정성을 갖는 레저형 고속보트를 제공할 수 있도록 한 것에 그 주된 해결 과제가 있다.
본 발명은 상기한 해결 과제를 달성하기 위한 수단으로, 레저용으로 사용되는 소형 고속보트에 있어서; 상기 고속보트는 Fn▽ 값이 4.0~7.2이고, 선저를 중심으로 선미에 좌우 대칭되는 형태로 보조동체가 장착되어 전체적으로 선미 부분에서 M형상의 단면을 갖는 선체를 구성하는 것을 특징으로 하는 횡동요 감소를 위한 활주형선 선형을 갖는 고속보트를 제공한다.
이를 위해, 상기 선체의 저면에는 상기 선저를 중심으로 선저로부터 보조동체를 향해 적어도 2개 이상의 계단(Step)이 형성된 것에도 그 특징이 있다.
또한, 상기 계단은 스프레이 스트립(Spray Strip) 형태인 것에도 그 특징이 있다.
뿐만 아니라, 상기 선체의 단면 형상은 직선형 단면 형상(Straight Section Type)인 것에도 그 특징이 있다.
아울러, 상기 선체는 깊은 V형 하드차인(Hard Chine) 형태이며, 상기 보조동체는 선미 스텝 뒤쪽에서 좌우 양현측으로 돌출되게 형성된 것에도 그 특징이 있다.
나아가, 상기 선체의 선형은 전면 챠인 형상이며, 상기 챠인의 최대폭은 선수 끝단으로부터 전장의 60-65% 후방에 위치되게 하여 고속에서도 파도의 분리를 촉진시켜 충격가속도를 감소시키도록 한 것에도 그 특징이 있다.
그리고, 상기 선체의 선형중 흘수하부는 선저경사각을 갖는 형상이며, 상기 선저경사각중 보조동체의 외부쪽 경사각은 10-25°, 내부쪽은 10-15°로 하고, 선체의 선저경사각중 선수로부터 배 길이의 10% 위치에서는 30-40°로 하여 항해중 파에 의한 충격하중을 감소시키고 선측 면적의 증가로 인한 조종성능을 향상시킨 것에도 그 특징이 있다.
또한, 상기 선체의 선미는 트랜섬(Transom)으로 하며, 트랜섬의 폭에서 보조동체를 제외한 선체부분은 최대폭의 60～70%가 되게 하여 선저로부터 발생된 급류를 선미에서 신속하게 제거시키도록 한 것에도 그 특징이 있다.
본 발명에 따르면, 선미에 종방향 안정성을 보정할 수 있는 보조 동체를 장착한 선형을 구비하여 기존의 종방향 안정성보정을 위한 트림 탭 등의 보조 장치가 불필요하고, 제작시에도 별도의 유압장치들이 불필요하며, 기존의 고속선형의 기본 형태를 탈피하여 스텝 적용 선형을 보다 안정적으로 구현할 수 있고, 고속운항시 횡동요를 현저히 감소시켜 수평안정성과 승선감 향상을 기대할 수 있다.
또한, 선측으로 파생되는 조파들을 선미에서 효과적으로 감쇠시킴으로 후미의 켈빈 파(Kelvin Wave)의 파고를 현저하게 낮출 수 있고, 이를 통해 항내 운항 및 잔잔한 호수 등의 운용에서 주변의 선박들에 파에 대한 그 피해를 감소시킴으로 정박환경이 열악한 국내 해상상태에 적합한 선형으로 적용될 수 있다.
이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명에 따른 선형 조건을 도출하기 위한 활주형선의 유체역학적 특징에 대하여 살펴보기로 한다.
활주형선은 선체와 수면사이의 동적 압력에 의하여 선체가 부양되어 수면 위를 활주함으로써 고속영역에서 저항성능을 향상시키도록 고안된 선형을 말한다.
이때, 부력에 의해 선체가 지지되는 배수량형 선박들은 속장비(
Figure 112008075802879-PAT00001
)가 높아짐에 따라 조파저항이 급격히 증가하게 되어 동역학적 효과(dynamic effect)에 의한 양력의 작용으로 저항을 감소시키는 선형을 채택하거나, 아니면 배수량형 선박을 길이에 비하여 선체의 폭을 아주 작게, 즉 선형을 아주 날씬하게 하여 조파저항의 급격한 증가를 방지하는 선형을 채택해야 한다.
그리고, 이러한 동역학적 효과에 의하여 고속화하는 선박으로는 전통적인 활주형 선박을 비롯하여 수중익선(hydrofoil craft), 공기팽창식(RIB) 및 공기 부양선(ACV) 등을 대표적인 예로 들 수 있다.
특히, 배수량형 선박의 저항은 주요인자가 되는 Lp/▽1/3로서 지배되지만, 고속 활주형선의 저항은 무게중심(LCG)의 위치, 전개된 바닥면적과 정지상태의 배수용적의 관계인 Ap/▽2/3 및 그 밖의 여러 변수에 의해 지배된다.
이와 같이 활주형선의 주요성능에 크게 영향을 미치는 주요 변수들을 정리하면 다음과 같다.
○ 길이 - 폭비 (Lp/B)
○ 크기 - 중량비 (Ap/▽2/3)
○ Ap의 중심으로부터 LCG까지의 거리
○ 길이에 따른 선저 경사각의 변화
○ 중앙선으로부터 B/4만큼 떨어진 Buttock line의 세로방향 곡률
○ 챠인(Chine)의 모양
○ 단면형상
또한, 침수표면적과 트림 각이 있는데 이는 마찰저항이 침수표면적에 따라 변화하고, 조파저항은 트림 각에 따라 변화하기 때문에, 이러한 고속 선박의 설계에 있어서 운항성능을 고려해야 할 경우에는 정수중에서의 최소저항을 목표로 하여 선정된 선형과 특성을 검토하여 선형수정을 해야 한다.
아울러, 유사한 크기와 속도범위를 가지는 선형들 간에는 단면형상이 거의 비슷하고 저항 값도 유사한 경향을 갖는 경우가 많으나, 선형의 크기와 속도 범위 가 다른 선형들은 선형특성 및 속도별로 저항 예측의 방법을 달리하여야 한다.
한편, 저항에 있어 활주형선은 도 1에 예시된 바와 같이 점성저항(Viscous drag)과 유도저항(Induced drag) 적어도 두 가지 저항을 갖는다.
이때, 점성저항은 선체 아래에 지나가는 물의 마찰을 말하며, 선박의 선저에서의 물의 압력은 유체정적인지 유체동적인지 단지 물체에 각도라 할 수 있는 트림각에서 운항되어지기 때문에 중요한 것은 점성력은 활주형선 아래로 향하는 밀어내는 힘으로서 점성항력은 선체아래의 지나가는 물이 있는 곳에서 모두 적용된다.
그러나, 유도저항은 유체정적인 힘과 유체동적인 힘의 분포에 의존하며, 유체동역학적인 힘들은 고속에서는 정적인 힘보다 크고, 또한 유체동역학적인 힘들은 선체가 물과 만나는 근처에 집중되며, 유도저항력은 이 위치에서 집중된다.
또한, 유체동역학적인 양력을 얻기 위해서 활주형의 레저보트를 설계한다면 수중에 잠겨있는 부가물이 선체를 피하면서 특히 낮은 압력단면에서 극적으로 점성저항을 줄일 수 있는 방법은 선체 선저에 단을 가진 스텝을 부착하는 것이 바람직하다.
여기에서, 활주형선에 작용하는 유체동역학적인 힘들은 선저에 걸쳐있는 모든 곳과 같지는 않고 매우 다양하고 넓게 분포되어 있다.
만약, 버톡라인(Buttock Line)을 따라서 선저에 물의 압력을 측정한다면 도 2에서와 같이, 선체와 접촉하는 물의 바로 뒤에서 가장 큰 압력이 작용하는 것을 알 수 있으며 버톡라인(Buttock Line)을 따라 선미로 이동할수록 압력은 크게 떨어지며 선미 트랜섬 근체에서는 아주 낮게 됨을 알 수 있다.
그럼, 스텝(Step) 적용 선형에서 스텝 형상에 대하여 좀 더 상세히 살펴보기로 한다.
스텝 적용 선형은 부상상태에서 최초 선체접수면 뒤쪽으로 일반 활주선형의 선미형상(transom)과 같이 급격하고 날카로운 모서리로서 위쪽으로 꺾여 올라가 단을 이루도록 한 형상이 횡 방향으로 선저 전체에 걸쳐 분포하도록 하여 그 이후의 접수면을 제거하는 방식을 취한 선형이다.
이러한 스텝 적용 선형은 고속의 상태에서 좋은 운동성능을 갖는 것을 장점으로 오랜 기간 사용되어져 왔는데, 그 장점이란 접수면을 여러 개의 작은 구역으로 나누고 각 구역마다 길이에 대한 넓은 폭을 갖게 함으로써 좋은 양력효과를 갖도록 한 것이다.
따라서, 효율적인 여러 개의 폭장비를 가진 접수면들이 양력을 증가시키고 이로 인해 전체적인 접수면을 감소시키게 되므로 마찰저항도 줄어들게 된다.
이와 같은 여러 개의 양력지점은 고속 주행 시에도 양력 지지 점의 위치를 고정시킬 수 있도록 하는 효과가 있으므로 종방향 주행 안정성을 향상시킬 수 있다.
그런데, 스텝 부분은 공기와 소통되지 않게 되면 스텝 주위에 흡입(suction)압력을 높여 심각한 저항의 요소로 작용하게 되므로 이를 보안하기 위하여 스텝 끝단이 정선 및 주행시에 수면 밖으로 연장되어, 여기로 공기가 소통됨으로서 스텝 내부의 흡입(suction)압력을 낮추는 역할을 해야 한다.
특히, 공기 공급이 없어지면 스텝 뒤로 발생하는 반류는 저항을 극도로 증가 시키는 원인이 되어 선속을 순간적으로 떨어뜨려서 위험한 상황에 놓일 수도 있고, 또 공기 공급이 선체 현측 한곳에만 막힌다면 선체는 가파르게 회전하게 되고 심할 경우 전복될 수도 있기 때문에 이러한 문제를 피하기 위하여 공기 공급은 흘수선 위에 흡입구를 만들거나 튜브를 통해 공급하는 방법을 사용해야 한다.
이와 관련하여, 도 3a,b는 2개의 스텝(twin step)을 가지는 활주형선의 선저 침수표면적의 변화를 나타낸 것이고, 도 4는 스텝 적용 유무에 따른 활주형선의 선저 침수표면적을 비교한 것이다.
이와 같이, 스텝 적용 선형은 상술한 바와 같은 이점이 있으나, 스텝 위치, 유효앙각(angle of attack), 각 스텝부분의 선저 경사각 및 스트레이크(strake)의 수, 형상, 위치들의 미묘한 변화 등에 의해 고속에서의 운동형상이 극적으로 변화할 수 있기 때문에 충분한 성능예측 및 검증 없이는 좋은 성능을 갖기 어렵다.
또한, 스텝 적용 선형은 고속운항을 기초로 하기 때문에 선체형상의 미묘한 변화에 매우 민감하고, 크고, 갑작스런 주행상황의 변화로 나타나므로 기존의 잘 설계된 보트 성능을 참고로 하여 그대로 제작한다고 해도 꼭 기존의 그 성능과 비례하여 좋게 나타나지는 않는다.
더불어, 추진기의 엔진크기, 중량, 출력, 승선원 중량 등의 여러 설계변수 요소들에도 민감하게 관계하기 때문에 이러한 부분도 더욱 주의하여 고려되어야 한다.
아울러, 스텝 적용 선형에서 가장 어려운 부분은 각 스텝부분에서의 양력분할에 있다.
고속에서의 각 부분의 양력 값은 약간의 트림변화에도 큰 폭으로 변화하므로 선박의 운항 형상이 급격하게 변할 수밖에 없다.
또한, 각 스텝부에서의 유효앙각이 다를 경우는 그 변화량을 예상하기란 거의 불가능할 정도이다.
이러한 문제를 해결하는 가장 좋은 방법은 성능평가후의 좋은 성능으로 완료된 조건에서 요구마력, 허용인원 등등의 운항이 상시 변할 수 있는 조건들을 최소화 하는 것이다.
또한, 목적 선박의 주요한 요구속도에서 적절한 접수면 을 유지하도록 하는 것이 유효할 수 있다.
이러한 점들을 감안하여 보다 완성도 있는 선형 설계를 위해 주요 참고사항들을 정리하면 다음과 같다.
㉮ 아웃드라이브(Outdrive) 트림 : 선외기나 스턴 드라이브(Stern-drive) 등의 추진기는 자체적으로 추력의 방향을 조절할 수 있는 능력이 있는데, 이러한 트림능력범위에서 스텝 적용 선형에서의 불안정한 운항성능의 제어가 가능한지에 대한 여부를 판단해야 한다.
추진기 자체의 능력으로 이러한 제어가 불가능한 범위에 있을 때는 선미 Trim Tab 등의 부가장치를 장착하여 안정성을 확보하여야 한다.
㉯ 속도범위 : 스텝 적용 선형은 좋은 운동성능을 보이다가도 어떤 특정 속도 구간에서 급격하게 나쁜 운동성능을 갖곤 하는데 이렇게 발생하는 보트의 많은 나쁜 운항 특성을 찾아내고 이 속도대역에서의 문제를 해결할 수 있는 조치를 찾도 록 한다.
주로 발생하는 나쁜 운동성능으로 일정한 속도 대에서 돌고래(porpoising) 현상이 발생하는 것을 볼 수 있다.
㉰ 급선회 : 선체가 선회할 때에는 외부 공기와 소통 되고 있던 스텝의 바깥쪽이 수면과 접하게 되므로 갑작스런 공기의 차단으로 인한 흡입(Suction 압력의 발생한다.
이 상황에서는 한쪽으로 급격하게 속도가 줄고 작은 선회반경으로 회전하게 된다.
대개의 경우, 이런 상황에서는 선수가 물속에 박히며 회전방향으로 선미가 순간적으로 돌아가는 스핀 아웃(Spin-out) 현상이 된다.
또한, 심할 경우 전복 등의 큰 사고로 이어질 수 있으므로 설계상황에서도 고려해주도록 해야 한다. 하지만 이러한 상황은 운전자의 기량에 큰 영향을 받게 된다.
이밖에 많은 고려요소들과 관련한 기존의 보트들에 대한 정보가 요구되지만 그 중 공기유입부분의 형상은 특별한 목적으로 공기를 강제주입하지 않는 이상 주행상태에서 공기가 차단되는 상황을 피할 수 있는 형상이면 무방하며, 이를 위해 정선시에도 수면 밖으로 연장되도록 충분한 높이를 갖도록 함이 바람직하며, 일부 설계는 운행시 파도가 스텝 내부로의 공기 유입을 차단하지 못하도록 방호벽 형상을 가질 수도 있다.
아울러, 본 발명에 따른 고속보트의 횡동요 감소를 위한 선형 설계시 고려사 항으로서 선박의 운동특성을 살펴보면 다음과 같다.
파도에 의한 선체운동은 선박에 고정된 X-Y-Z 직교좌표계에 대한 병진운동과 회전운동으로 정의된다.
즉, X-Y-Z 직교좌표에 대한 병진운동을 각각 전후동요(surge), 좌우동요(sway), 상하동요(heave)라하며 각 좌표축에 대한 회전운동을 횡동요(roll), 종동요(pitch), 선수동요(yawing)이라 하며, 이는 도 5에 나타낸 바와 같다.
이러한 선체의 6자유도 운동에 의해 선박의 임의 위치에 있는 사람이나 계기, 화물 등에는 국부가속도가 작용하게 되며, 가속도의 수준에 따라 승객의 안락감, 선원의 작업능력, 계기의 작동상태, 화물의 안전이 영향을 받게 된다.
또한, 선박은 파도를 타고 6자유도 운동을 하게 되는데 파면과 선체의 특정부분의 상태위치 변화에 따라 도 6과 같은 파도의 입사방향에 의해 파도가 갑판위로 넘쳐들거나(갑판침수), 선체의 바닥이 노출될(선저노출)수 있으며 노출된 부분이 입수되면서 파면과 만나면서 충격력이 작용하기도 하는데, 이를 슬래밍(slamming)이라고 한다.
선체 6자유도 운동이 선박의 위치와 무관하게 정의되는 것에 비해 선박에서의 위치에 따라 변화하는 국부가속도, 갑판침수, 선저노출, 슬래밍 등의 운동을 국부운동이라 한다.
가. 회전운동
1) 로울링(Rolling):배의 길이방향 중심선(종축)주위의 회전운동이며 일반적으로 가장 강하게 느껴지는 것으로서 그 영향도 가장 크다.
2) 피칭(Pitching):배의 길이방향 중앙부의 좌우축(횡축)을 중심으로 한 회전운동으로 선박의 전후단에 있어서 그 영향이 크다.
3) 요잉(Yawing):배의 길이방향 중앙부의 연직축을 중심으로 한 회전운동으로 선박의 침로유지에 대한 영향이 크다.
나. 병진운동
1) 히이빙(Heaving):선체가 상하로 평행하게 동요하는 것으로 배가 파정을 수직으로 통과하는 경우에 발생한다.
2) 스웨잉(Swaying):선체가 좌우로 평행하게 동요하는 것을 말한다.
3) 서어징(Surging):선체가 전후로 평행하게 동요하는 것으로 배가 파정에 평행하게 진행하는 경우에 발생한다.
이러한 선체의 운동은 선박들이 거칠고 불규칙한 해양을 운항할 때 하나만 단독으로 발생하는 경우는 드물며, 선박이 파랑에 부딪히면 반드시 몇 개가 동시에 발생하게 된다.
예를 들면, 큰 로울링은 일반적으로 피칭과 히이빙을 동시에 유발시킨다. 이에 따라 배의 대한 이들의 영향도 특정의 성분에 기인한다기 보다는 연합된 효과라 볼 수 있다.
이러한 파도속에서의 배의 운동은 항해속력을 떨어뜨려 소요동력과 연료소비율의 증가를 야기하기도 하고, 선수가 파도를 덮어 쓰는 경우가 생겨 선수구조나 의장품들 또는 갑판화물에 손상을 입힐 수도 있고, 심할 경우에는 창구덮개를 날려버리고 선창속까지 침수하게 할 수도 있다.
또한, 슬래밍으로 인한 선저구조의 손상, 프로펠러 공전(Racing)으로 인한 추진효율의 감소 등이 생겨난다. 그리고 연직방향의 가속도가 승조원들의 불쾌감과 뱃멀리에 시달리게도 하며 배의 침로를 바꾸기도 한다.
이들중 지금까지 가장 많은 연구와 함께 내용이 많이 알려진 로울링과 피칭 및 히이빙의 특성을 간단히 살펴보면 다음과 같다.
가. 로울링
횡경사각과 연관하여 배의 안전성과 직결되며 승선감에 가장 큰 영향을 미치는 요소로서, 화물이 이동할 위험을 초래하고, 운항비를 증가시킨다.
그리고, 배의 침로가 바뀌는 가장 흔한 원인은 큰 경사각과 가속도를 수반하는 심한 로울링 때문이라 것이 밝혀져 있으며, 게다가 이로 인한 침로변경은 심한 피칭을 유발하게 됨에 따라 항해속력이 떨어지게 된다.
이에 대한 주요대책으로는 앞서 종래 기술에서 언급하였던 빌지킬(bilge keel), 안티 롤링탱크(anti rolling tank), 핀 안정기(stabilizing fin) 등을 들 수 있다.
나. 피칭과 히이빙
선수운동과 연관하여 선속유지에 결정적인 인자로서 특히, 배의 피칭 및 히이빙의 고유주기에 가까운 파도성분들과 배의 운동이 공진상태에 접근할 때의 피칭운동은 과대한 운동과 가속도를 초래하고 이에 따라, 선수부분이 물을 덮어 쓰게 될 뿐만 아니라(deck wettness, 연속가속도), 슬래밍(slamming, 연직속도)의 가능성이 한층 더 증가하게 된다.
또한, 앞서 언급한 프로펠러의 공전(racing)현상이 생겨나기도 한다. 따라서 이에 대한 대책으로는 선형, 치수비, 중량분포 등을 분포시켜 피칭의 고유주기를 감소시키는 한편, 공진상태 근처에서도 배의 운동을 최소로 줄일 수 있도록 선형의 개량(배의 앞뒤 끝에서 수선을 불록하게 하고, V형 단면형상을 채택하여 감쇄력을 증가시키는 노력이 요구된다.
그리고, 갑판이 파도를 덮어쓰는 현상과 슬래밍을 최소로 줄일 수 있는 추가 조치로는 선수 건현과 흘수를 증가시키고, 너무 크지도 작지도 않은 적합한 플레어를 붙이며 선수갑판을 가능한 한 간결하게 설계한다.
또한, 적절한 물막이를 설치하여 물이 빨리 빠져 나가게 고려하여, 선수 바닥의 편평한 부분을 가능한 한 뒤로 미루는 방법도 생각할 수 있으며, 충분한 용량의 밸러스트 탱크를 마련함으로써 프로펠러 공전현상을 최소화할 수 있는 적절한 선미흘수와 슬래밍 현상을 줄이도록 적절한 선수흘수를 주는 것도 중요하다.
이러한 선형 요소들은 선박의 내항성능에 영향을 미치게 되는데, 즉 파도의 주기가 늘어나면 파장은 주기의 제곱에 비례해 길어지는 성질을 갖는다. 따라서 주기에 따라 선박의 크기는 상대적으로 변화하는 것으로 생각할 수 있다.
따라서, 선박이 아무리 크더라도 파장이 무한하다면 선박은 물위에 떠있는 낙엽과 파면과 같이 움직일 것이며 파장이 매우 짧은 경우에는 배의 움직임은 거의 없게 된다. 이는 선체에 걸쳐 있는 파랑의 파정과 파저의 위치에 따라 파정이 걸쳐있는 부분은 양의 압력을 받게 되고 파저가 걸쳐 있는 부분은 음의 압력을 받아 파랑하중이 서로 상쇄되기 때문이다. 그리고, 파장이 길이지면 이러한 상쇄효과가 사 라지게 되고 파장이 짧아지면 상쇄효과가 극대화 된다.
결국, 같은 톤수의 선박이라도 길이가 긴 배가 길이가 짧은 배보다 파랑하중의 상쇄효과가 나타나는 파의 범위가 넓으므로 같은 해상조건에서 내항성능면에서 유리하다.
아울러, 길이가 같은 경우에는 날씬한 배보다 뚱뚱한 배가 내항성능 면에서 유리한데 이는 선형이 뚱뚱함으로 인해 파랑하중이 커지는 비율보다는 질량이 늘어나는 효과가 더 크기 때문이다.
또한, 흘수가 낮아지게 되면 선수상대운동과 가속도 수준은 감소하지만, 선저 노출과 슬래밍 발생확률이 높아지며 슬래밍 발생확률을 감소시키기 위해 흘수를 키우면 가속도 수준의 증가를 감수해야 한다.
이와 같은 선형의 변화에 의해 내항성능 특성이 바뀌며, 선박 설계자는 서로 상충되는 특성들을 선박의 건조목적에 따라 제한된 범위내에서 최적의 선형조합을 이끌어내야 한다.
가. 길이흘수(L/d)비
① 길이-흘수(L/d)비를 증가시킨다는 것은 일반적으로 배수량-길이 비를 줄인다는 것을 의미하는 것으로, 낮은 △/(L/100)3과 높은 L/d을 채택한 배는 슬래밍이 일어날 만큼 흘수가 심하게 감소하지 않는 한은 거친 바다 위에서도 높은 속도를 유지할 수 있다.
이는 L/d가 클수록 선수상태운동이 작아지고 히이빙 가속도가 줄어들기 때문 이다.
② 선수건현이 길이에 비례한다면 선수가 물을 덮어쓰는 현상도 L/d의 증가에 따라 감소할 것이다.
③ d가 작아진다면 흘수가 낮음으로 인하여 선수바닥이 물위에 노출되는 경우가 많아지게 되어 슬래밍 발생빈도가 커지게 된다.
나. 길이-폭(L/B)비
길이-폭(L/B)비의 변화는 선체운동응답에 그다지 큰 영향을 미치지 않는다. 단지 L/B가 증가함에 따라 선수의 연직가속도는 약간 커지는 영향이 있으며, 중앙부의 종굽힘 모멘트는 감소하는 경향이 있다.
다. 폭-흘수(B/d)비
폭-흘수(B/d)비의 변화는 선체운동응답에 큰 영향을 미치지 않는다. 단, 메타센터 높이(GM)에 영향을 주어 횡동요에 대한 영향은 크다. 이는 배의 폭이 적은 경우에는 메타센터가 작아지고, 이에 따라 배의 로울링 주기가 길어지게 되어 공진 로울링이 일어날 가능성이 적을 뿐만 아니라, 주어진 로울링 진폭에서 가속도가 낮아지는 이점이 있다.
하지만, 적당한 메터센터(GM)값은 복원성을 만족하는 범위내에서 결정해야 되기 때문에 폭은 신중하게 줄여야 한다.
이와 같은 사항들을 고려하여 본 발명에 따른 고속보트의 횡동요 감소를 위한 활주형선 선형은 다음과 같이 설계된다.
즉, 전장(LOA) 8.5m급에 적합한 유사 실적선 자료조사를 통해 개략적인 주요 치수를 설정하고, 고속 항주시의 횡방향 안정성 확보와 함께 스텝 적용 선형의 특성인 고속성능에 초점을 두고 개략선도 및 유체역학적 제계산을 수행하였다. 개발대상선의 개념설계를 위한 기본계획은 다음과 같다.
형 태 스텝 적용 선형개념의 선미 보조동체 장착
용 도 고속 주행시 횡동요 감소 고속 레저보트
선 질 FRP선체
속 력 약 50knot(시운전 최대출력), 약 45knot(항해속력)
주 기 관 약 600HP × 6000 RPM 이상
승 선 원 8～10명 가능
적용법규 선박안전법, FRP선 선체구조기준, 수난구호법 수상레저안전법, 기타 관계법규 및 규정
본 발명에 따른 고속보트는 우수한 고속성능과 선박건조의 편리성을 위하여 깊은 V형의 하드차인(hard chine type)을 기본 개념으로 설계되며, 여기에 항주시의 주행 안정성의 확보를 보다 극대화하기 위하여 선미의 스텝 뒤쪽으로 좌우 양현측으로 돌출되며, 작은 V형태의 선체형상의 선미 보조동체 장착 선형을 모델링을 하고 이를 유체역학적 제계산을 통해 최초 계획배수량 및 주요사양과 주요 요목에 맞도록 수정하고 다시 모델링하는 작업을 반복하여 양호한 유체정학적인 특성을 갖는 선형을 구성하였다.
이러한 반복작업을 통하여 작성된 선도를 바탕으로 활주형선 계산식를 이용한 유체동역적인 특성을 추정하고 최초 목적한 바에 달성에 문제가 없음을 확인하고 문제가 있으면 다시 최초의 선형 수정 및 절차 반복, 또는 무게중심점의 변경 및 초기 트림값 변경 등의 설계변수들을 수정함으로서 최적의 선형설계를 완료하였다.
이와 같은 본 발명 선형 설계에 따른 선미 보조동체 장착 한 최적선형은 3D 모델링한 개략도 형태로 도 7에 나타내었다.
그리고, 일반적인 고속 활주형선에 적용되는 단면형상으로는 직선형에서 원형 등 여러 가지 변화된 형태가 있으나, 크게 직선(straight), 오목(concave), 볼록(convex), 종(inverted bell)형상의 4가지 기본 단면형상으로 분류할 수 있고, 실제로 현존하는 소형 고속선박은 이러한 단면형상이 한 가지만으로 이루어진 선형보다는 운항조건에 적합한 4가지 기본 형상을 적절히 조합하고 있다.
이에, 직선(straight), 오목(concave), 볼록(convex), 종(inverted Bell) 4가지 단면형상 중에서 본 발명에 따른 횡동요 감소 고속보트의 단면형상을 결정하기 위하여 다음과 같은 단면형상별 특성과 장단점을 비교, 검토하였다.
Figure 112008075802879-PAT00002
직선 단면형상(Straight section type)
Figure 112008075802879-PAT00003
오목 단면형상 (Concave section type)
Figure 112008075802879-PAT00004
볼록 단면형상 (Convex section Type)
Figure 112008075802879-PAT00005
종 단면형상 (Inverted bell Type)
여기에서, 직선 단면형상과 볼록 단면형상은 파랑하중에 따른 충격완화 효과를 볼 수 있어 승선원 및 조난자의 안락한 승선감을 유지할 수 있는 장점이 있는 것으로 분석되었고, 오목 단면형상은 속도향상 면에서는 유리하며, 슬래밍(slamming)이 발생 등 운동성능 차원에서는 불리하다.
또한, 20～30 knot에서는 적절하나 더 이상의 고속에서는 충격하중이 커서, 일본에서는 오래 전부터 85～100마력 범위에서 선속 20knot 미만에서 많이 운항되어졌다.
그런데, 본 발명에 따른 레저용 고속보트는 운항선속을 45knot 이상 유지해야 하므로 오목단면형상을 채택할 경우 충격하중이 커서 다른 단면형상에 비해 승 선감이 떨어지며, 볼록 단면형상은 고속 선형으로서는 불리한 배수량 선형이다.
하지만, 직선과, 볼록오목 단면형상은 고속에서 볼록, 오목 단면형상에 비해 상대적으로 충격하중이 작고, 고속선형에 적합하며, 선회성능(조종성능)도 양호하다.
따라서, 본 발명에서는 직선(Straight), 오목(Concave), 볼록(Convex), 종(Inverted Bell) 4가지 단면형상 중에서 직선형 단면형상이 가장 바람직하다.
아울러, 선체 적용 스프레이 스트립(Spray strip)()은 거친 파도에서 운항개선, 침수표면적 감소에 따른 마찰 저항 및 선수동요(ptching) 감소, 선형에 따라 10%이상까지도 저항 감소, 물을 바깥쪽 아래로 향하게 하여 에너지를 수평으로 분산시키고 양력을 발생시킴, 큰 각(45°)에서는 물이 선체 뒤쪽으로 튀게 하고 작은 각(15°)에서는 물을 바깥쪽 아래로 향하게 하여 에너지를 수형으로 분산시켜 배에 물이 닿는 면적을 줄여주므로 반드시 요구된다.
특히, 본 발명에서는 Fn▽ 값이 4.0 이상이므로 단면형상은 직선형단면 형상과 2개의 스프레이 레일이 고려되며, 그에 따른 선형특성을 다음과 같다.
① 선형은 전면 챠인 형상으로 하여 고속에서도 파도의 분리를 촉진시켜 충격 가속도를 감소시키기도록 하였으며, 챠인 최대폭은 선수 끝단으로부터 전장의 60%～65% 후방에 위치하도록 한다.
② 파운딩(Pounding)시 선저로부터 박리를 이용하여 충격하중을 감소시키고 횡요, 종요 등의 운동성능을 개선시키기 위하여 스프레이 레일(Spray rail)을 설치 한다. 이는 저속에서 다소 저항증가의 원인이 되나 고속에서는 선형에 따라 10% 이상 까지도 저항을 감소시키는 것으로 알려져 있다.
③ 항해중 파에 의한 충격하중을 감소시키고 선측 면적의 증가로 인한 조종성능을 개선시키기 위하여 흘수하부는 선저경사각을 갖는 형상이며, 선저경사각중 보조동체의 외부쪽 경사각은 10～25°이고, 내부쪽은 10～15°, 그리고 선체의 선저경사각중 선수로부터 배 길이의 10% 위치에서는 30～40°정도가 바람직하다.
④ 선저로부터 발생된 급류를 선미에서 신속히 제거시키기 위하여 선미의 형상은 트랜섬(Transom)으로 하며, 트랜섬의 폭에서 보조동체를 제외한 선체부분은 최대폭의 60～70% 정도가 되도록 함이 바람직하다.
여기에서, 본 발명 조건과 특성을 상기 ①,②,③,④와 같은 수치로 한정하는 이유는 해당 선형에서 상기 수치를 벗어나게 되면 고속 운항시 돌고래현상(Porpoising)을 유발하여 선체를 수면 밖으로 뛰쳐오르게 함으로써 슬래밍(Slamming) 충격을 반복적으로 받게 되어 선박 및 승선자를 매우 위험한 상황에 놓이게 하므로 반드시 상기 범위로 한정되어야 한다.
이러한 조건과 특성에 따른 본 발명 고속보트의 선형 설계는 도 9의 도시된 바와 같다.
즉, 본 발명에 따른 횡동요 감소 고속 스텝 적용 레저보트의 선형은 파고 2,5m 이상의 해상상태에서도 운영되도록 깊은 V형의 멀티 챠인(multi chine)을 채택하고 극심한 해상상태에서도 우수한 능파성을 위해 Ultra high sheer bow 타입으로 함이 바람직하다.
또한, 고속상태에서의 저항 감소를 목적으로 선체와 수면사이의 동적 압력에 의하여 선체가 부양되어 수면 위를 활주함으로써 고속영역에서 유리한 단면형상은 직선단면의 활주형 선형이고, 저항감소를 위한 선측파형 개선을 위해 양측 2개의 스프레이 스트립(Spray strip)이 장착되며, 선미에는 스턴 드라이브 및 선외기 주기관의 장착이 가능하도록 충분한 선미 공간 확보 선형을 갖는 선형선도이다.
아울러, 조선공학적 제계산 검토를 통해 구현 가능성을 테스트 하였는 바, 배수량(Δ), 부심위치(KB), 침수표면적 등의 조선공학적 유체정역학적(hydrostatic) 제계산 및 유체동역학적(hydrodynamics) 특성은 Savitsky의 활주형선 계산식(Planning formula) 이용하여 검토하였고, 검토결과 충분히 구현가능한 것으로 확인되었다.
이를 뒷받침하기 위해 모형제작을 통한 실험후 실제작을 통해 본 발명이 추구하는 목적 달성 여부를 확인하였다.
[실시예 1]
본 발명에 따른 실시예 1은 전장 8m급 선저 스텝 적용 고속 레저보트 활주형 선형의 선미 보조동체 장착 유무에 따른 고속 주행시 횡동요 감소 선형 개발을 위하여 동일 배수량을 갖는 선미 보조동체 장착 선형(w/ stern planing body)과 선미 보조동체를 가지지 않는(w/o stern planing body)선형 2척을 대상으로 저항특성 및 운동 특성 비교, 검토하였다.
이를 위해, 다음 [표 1]과 같이 실해역 모형시험을 수행하였다.
구분 시험항목 시험상태 비고
선미 보조동체 장착 선형 (w/ stern planing body) 저항 및 동요 시험 Sea Condition 동일 배수량
선미 보조동체 없는 선형 (w/o stern planing body) 저항 및 동요 시험 Sea Condition
이때, 시험설비로는 본 발명에 따른 고속 활주시의 횡동요 감소 레저보트의 경우 설계선속이 최소 45knot 이상으로서, 회류수조 유속으로는 실선선속 15knot 미만이 시험 계측값의 한계가 되기 때문에 고속 선형시험이 가능할 수 있도록 실제 해상에서 예인선에 모형선을 장착하여 시험값을 계측할 수 있는 실해역 모형시험기법을 사용하였다.
이를 위해, 예인선에서 모형선을 예인할 수 있도록 모형선 장착치구(guide)를 제작하였으며, 치구(guide)는 각 모형선의 시험흘수에 적격하도록 상하위치 조정이 가능할 수 있도록 하였고, 또한, 예인선으로부터 발생하는 조류가 모형선의 선수부분과 측면부분에 전혀 영향을 받지 않거나, 최소화하기 위하여 수평 이송으로 위치를 임의로 조정할 수 있도록 설계 제작하였다.
그리하여, 도 10,11의 예시와 같이 시험하였는 바, 그와 관련된 자료로 하기한 [참고사진]을 들 수 있다.
[참고사진:실해역 모형시험시스템 설치모습]
Figure 112008075802879-PAT00006
여기에서, 본 발명에 실시예 1에 따른 시험에 사용된 시험선은 선미 보조동체 장착 유,무에 따른 고속 레저보트 활주형 모형선 2척이었고(도 12a,b 참조), 실선 대응 모형선의 축척비(scale ratio)는 선도(lines)를 바탕으로 실선과 모형선의 전장길이를 고려하여 1/8.82 비율로 하였으며, 모형선 재질은 실해역 모형시험조건인 모형선 배수량, 흘수 등의 변화를 고려하여 FRP와 목재로서 가볍게 제작하였다.
또한, 선미 보조동체 장착 유무에 따른 고속 레저보트 모형선의 시험선속 범위는 연구실에 보유된 회류수조의 시험유속 한계를 벗어날 수 있는 고속영역인 프루드수(Fn(▽)) 3.0～7.2의 범위에서 수행하였다.
그리고, 실해역 모형시험에 사용된 고속보트는 활주형 선형으로서 항해시 충분한 복원성, 내파성, 적절한 트림을 유지하고 기민한 조종성을 갖도록 설계되었다.
아울러, 선형 특징으로는 고속상태에서의 파랑중 충격하중 감소를 위하여 직선 단면형상(straight body)을 채택하였고, 선저로부터 박리를 이용하여 충격하중을 감소시키며 횡요, 종요 등의 운동성능을 개선시키기 위하여 스프레이 스트립(spray strip) 부가물을 선저 좌우현에 각각 2개씩 부착하였는 바, 그 주요 제원은 하기한 표 2와 같다.
Figure 112008075802879-PAT00007
시험은 다음과 같이 실시되었다.
먼저, 예인선에 취부된 가이드(guide)와 모형선의 선수 맨 앞쪽을 예인줄로 연결하여 예인줄 사이에 수중장력계 로드셀(load cell)를 부착시켰고, 이어 모형선의 선수회전(yaw)과 좌우(sway)가 자유로운 상태에서 예인선의 선속에 따른 모형선의 저항치를 계측하였다. 또한, 동요시험은 자이로(gyro) 센서(sensor)를 모형선의 길이방향 중심(L.C.G)위치와 세로방향 중심(V.C.G)위치에 고정시켜서 예인선의 선속에 따른 모형선의 횡동요, 종동요 각도를 계측하였다.
그리고, 예인선에 취부된 가이드(guide)와 모형선의 선수 맨 앞쪽의 예인줄은 모형선의 흘수에 맞도록 상하위치 조정하여 수평이 되도록 하였다.
또한, 시험 계측치의 정도향상을 위하여 예인선으로부터 발생하는 선수파가 모형선의 선수부분과 선측부분에 미치는 영향을 제거하거나 최소화하기 위하여 수평이송을 통하여 모형선의 이동위치를 조정하였다.
아울러, 실제 해상에서의 모형선 수선 상부 공기저항을 고려하여 각 모형선의 상부는 비닐 랩을 이용하여 완전 기밀하였으며, 모형선의 흘수조절은 추(weight)를 사용하여 모형시험 중에도 흔들리지 않게 테이프로 고정시켜, 횡동요 감소 선저 스텝 적용 레저보트의 선미 보조동체 장착 유무에 따른 모형선 2척의 저항시험과 동요시험을 각각 수행하였다.
이와 같은, 실해역 모형시험은 Froude의 상사법칙에 따른 선속으로 수행되었으며, 해석방법은 1978 ITTC 해석법을 따르되 2차원법을 적용하였으며, 모형시험 결과 해석방법을 요약하면 다음과 같다.
Figure 112008075802879-PAT00008
이를 통해, 일정한 축척비 λ로 만들어진 모형선을 사용하여 실선의 속도에 대응하는 Froude수와 모형선의 Froude수가 같은 속도 범위에서 전저항 RTM을 계측하고, 이로부터 CTM을 구할 수 있다.
Figure 112008075802879-PAT00009
이와 같은 실험결과는 하기한 표 3에 정리한 것과 같다.
항 목 시험결과
선미 보조동체 없는 선형의 저항계수/유효마력 결과 Table 1
선미 보조동체 선형의 저항계수/유효마력 결과 Table 2
선미 보조동체 유무 선형 Fn(▽) 대응 전저항계수(Cts) 비교곡선 Table 3
선미 보조동체 유무 선형 선속 대응 전저항계수(Cts) 비교곡선 Table 4
선미 보조동체 유무 선형 Fn(▽) 대응 유효마력(EHP) 비교곡선 Table 5
선미 보조동체 유무 선형 선속 대응 유효마력(EHP) 비교곡선 Table 6
w/o Stern planing 선형의 횡동요(Roll)각 곡선 (V≒21 knot) Table 7
w/ Stern Planing 선형의 횡동요(Roll)각 곡선 (V≒21 knot) Table 8
w/o Stern planing 선형의 횡동요(Roll)각 곡선 (V≒31 knot) Table 9
w/ Stern planing 선형의 횡동요(Roll)각 곡선 (V≒31 knot) Table 10
w/o Stern planing 선형의 횡동요(Roll)각 곡선 (V≒40 knot) Table 11
w/ Stern planing 선형의 횡동요(Roll)각 곡선 (V≒40 knot) Table 12
w/o Stern planing 선형의 횡동요(Roll)각 곡선 (V≒45 knot) Table 13
w/ Stern planing 선형의 횡동요(Roll)각 곡선 (V≒45 knot) Table 14
w/o Stern planing 선형의 횡동요(Roll)각 곡선 (V≒52 knot) Table 15
w/ Stern planing 선형의 횡동요(Roll)각 곡선 (V≒52 knot) Table 16
w/o Stern planing 선형의 종동요(Pitch)각 곡선 (V≒21 knot) Table 17
w/ Stern planing 선형의 종동요(Pitch)각 곡선 (V≒21 knot) Table 18
w/o Stern planing 선형의 종동요(Pitch)각 곡선 (V≒31 knot) Table 19
w/ Stern planing 선형의 종동요(Pitch)각 곡선 (V≒31 knot) Table 20
w/o Stern planing 선형의 종동요(Pitch)각 곡선 (V≒40 knot) Table 21
w/ Stern planing 선형의 종동요(Pitch)각 곡선 (V≒40 knot) Table 22
w/o Stern planing 선형의 종동요(Pitch)각 곡선 (V≒45 knot) Table 23
w/ Stern planing 선형의 종동요(Pitch)각 곡선 (V≒45 knot) Table 24
w/o Stern planing 선형의 종동요(Pitch)각 곡선 (V≒52 knot) Table 25
w/ Stern Planing 선형의 종동요(Pitch)각 곡선 (V≒52 knot) Table 26
Table 1. 선미 보조동체 없는 스텝 적용 레저보트 저항시험결과
===================================================================
RESISTANCE PERFORMANCE
===================================================================
========== SHIP DIMENSIONS =========
DESIGNER : RIMS SHIP MODEL
SHIP NAME : 고속보트 SCALE : 8.820
SHIP TYPE : Stepped Hull선형 LPP (m): 8.820 1.0000
(W/O Stern Planing) B (m): 3.260 0.3700
D (m): 1.100 0.1240
DRAFT : FULL LWL (m): 6.885 0.7810 CB :0.1790
TF : 0.529 S (m2): 16.570 0.2130 CW :0.4820
TA : 0.529 SBK(m2): 0.000 0.0000 CM :0.3120
AT (m2): 1.500 0.0193 CP :0.5870
Temp Density Kin.visc DIS(m3): 2.793 0.0041
(deg) (kg/m3) (m2/s) LPP/B : 2.706 2.706 LCB%:56.25
Test:14.9 1026.13 0.1191E-05 B/T : 6.163 6.163 LCF%:56.24
Sea :15.0 1025.89 0.1188E-05
Analysis method:Based on 1978 ITTC performance, 2 dimension method
* Cts = Cfs + Cr + Ca + Caa
* Model-Ship corr. line : 1957 ITTC
* Air resistance : Caa = 0.001*AT/S
* Model-Ship corr. allo. : Ca =[105*(ks/Lwl)**(1/3)-0.64]*0.001
* Mean height of ship sur. rough.: ks=150*(10**(-6))
===================================================================
VS PE CTS CR CFS CFM CTM RTM VM FN
(Knot) (PS) (e-3) (e-3) (e-3) (e-3) (e-3) (N) (m/s)
===================================================================
21.7 122.56 7.617 3.013 2.221 3.888 6.901 10.662 3.760 1.358
30.5 227.00 5.066 0.571 2.112 3.639 4.209 12.873 5.290 1.911
39.9 333.22 3.322 -1.093 2.032 3.459 2.366 12.381 6.920 2.500
45.0 422.86 2.955 -1.426 1.998 3.383 1.958 12.983 7.790 2.814
52.3 591.83 2.629 -1.710 1.956 3.291 1.581 14.186 9.060 3.273
Table 2. 선미 보조동체 장착 스텝 적용 레저보트 저항시험결과
===================================================================
RESISTANCE PERFORMANCE
===================================================================
========== SHIP DIMENSIONS =========
DESIGNER : RIMS SHIP MODEL
SHIP NAME : 고속보트 SCALE : 8.820
SHIP TYPE : Stepped Hull선형 LPP (m): 8.820 1.0000
(W/ Stern Planing) B (m): 3.260 0.3700
D (m): 1.100 0.1240
DRAFT : FULL LWL (m): 6.885 0.7810 CB :0.1850
TF : 0.534 S (m2): 16.700 0.2147 CW :0.4820
TA : 0.534 SBK(m2): 0.000 0.0000 CM :0.3360
AT (m2): 1.500 0.0193 CP :0.5510
Temp Density Kin.visc DIS(m3): 2.793 0.0041
(deg) (kg/m3) (m2/s) LPP/B : 2.706 2.706 LCB%:57.32
Test:14.9 1026.13 0.1191E-05 B/T : 6.163 6.163 LCF%:57.31
Sea :15.0 1025.89 0.1188E-05
Analysis method:Based on 1978 ITTC performance, 2 dimension method
* Cts = Cfs + Cr + Ca + Caa
* Model-Ship corr. line : 1957 ITTC
* Air resistance : Caa = 0.001*AT/S
* Model-Ship corr. allo. : Ca =[105*(ks/Lwl)**(1/3)-0.64]*0.001
* Mean height of ship sur. rough.: ks=150*(10**(-6))
===================================================================
VS PE CTS CR CFS CFM CTM RTM VM FN
(Knot) (PS) (e-3) (e-3) (e-3) (e-3) (e-3) (N) (m/s)
===================================================================
21.0 124.72 8.547 3.931 2.233 3.916 7.847 11.390 3.630 1.311
30.6 239.85 5.281 0.787 2.111 3.637 4.424 13.690 5.300 1.915
39.8 348.09 3.473 -0.942 2.033 3.460 2.519 13.210 6.900 2.493
44.8 424.97 3.015 -1.316 1.999 3.386 2.070 13.730 7.760 2.804
51.6 535.32 2.464 -1.878 1.960 3.300 1.422 12.490 8.930 3.226
Figure 112008075802879-PAT00010
Table 3. Fn(▽) 대응 전저항계수(Cts) 비교곡선
Figure 112008075802879-PAT00011
Table 4. 선속 대응 전저항계수(Cts) 비교곡선
Figure 112008075802879-PAT00012
Table 5. Fn(▽) 대응 유효마력(EHP) 비교곡선
Figure 112008075802879-PAT00013
Table 6. 선속 대응 유효마력(EHP) 비교곡선
Figure 112008075802879-PAT00014
Table 7. 선미 보조동체 없는 선형의 횡동요(Roll)각 곡선 (V≒21 kt)
Figure 112008075802879-PAT00015
Table 8. 선미 보조동체 장착 선형의 횡동요(Roll)각 곡선 (V≒21 kt)
Figure 112008075802879-PAT00016
Table 9. 선미 보조동체 없는 선형의 횡동요(Roll)각 곡선 (V≒31 kt)
Figure 112008075802879-PAT00017
Table 10. 선미 보조동체 장착 선형의 횡동요(Roll)각 곡선 (V≒31 kt)
Figure 112008075802879-PAT00018
Table 11. 선미 보조동체 없는 선형의 횡동요(Roll)각 곡선 (V≒40 kt)
Figure 112008075802879-PAT00019
Table 12. 선미 보조동체 장착 선형의 횡동요(Roll)각 곡선 (V≒40 kt)
Figure 112008075802879-PAT00020
Table 13. 선미 보조동체 없는 선형의 횡동요(Roll)각 곡선 (V≒45 kt)
Figure 112008075802879-PAT00021
Table 14. 선미 보조동체 장착 선형의 횡동요(Roll)각 곡선 (V≒45 kt)
Figure 112008075802879-PAT00022
Table 15. 선미 보조동체 없는 선형의 횡동요(Roll)각 곡선 (V≒52 kt)
Figure 112008075802879-PAT00023
Table 16. 선미 보조동체 장착 선형의 횡동요(Roll)각 곡선 (V≒52 kt)
Figure 112008075802879-PAT00024
Table 17. 선미 보조동체 없는 선형의 종동요(Pitch)각 곡선 (V≒21 kt)
Figure 112008075802879-PAT00025
Table 18. 선미 보조동체 장착 선형의 종동요(Pitch)각 곡선 (V≒21 kt)
Figure 112008075802879-PAT00026
Table 19. 선미 보조동체 없는 선형의 종동요(Pitch)각 곡선 (V≒31 kt)
Figure 112008075802879-PAT00027
Table 20. 선미 보조동체 장착 선형의 종동요(Pitch)각 곡선 (V≒31 kt)
Figure 112008075802879-PAT00028
Table 21. 선미 보조동체 없는 선형의 종동요(Pitch)각 곡선 (V≒40 kt)
Figure 112008075802879-PAT00029
Table 22. 선미 보조동체 장착 선형의 종동요(Pitch)각 곡선 (V≒40 kt)
Figure 112008075802879-PAT00030
Table 23. 선미 보조동체 없는 선형의 종동요(Pitch)각 곡선 (V≒45 kt)
Figure 112008075802879-PAT00031
Table 24. 선미 보조동체 장착 선형의 종동요(Pitch)각 곡선 (V≒45 kt)
Figure 112008075802879-PAT00032
Table 25. 선미 보조동체 없는 선형의 종동요(Pitch)각 곡선 (V≒52 kt)
Figure 112008075802879-PAT00033
Table 26. 선미 보조동체 장착 선형의 종동요(Pitch)각 곡선 (V≒52 kt)
실험결과, 선저 스텝 적용 활주형 고속보트 선형의 선미 보조동체 장착에 따른 횡동요 감소 영향을 비교, 검토하기 위하여 동일 배수량에서 선미 보조동체(stern planing body) 장착 유무에 따른 2척의 모형선을 대상으로 실해역 모형시험을 수행하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
먼저, 저항시험 결과로서, 계측된 동일배수량에서의 선미 보조동체가 없는 (w/o stern planing body)선형과 선미 보조동체 있는(w/ stern planing body)레저보트 선형의 전 저항계수(Cts)곡선은 선미 보조동체 장착(w/ stern planing body)선형이 없는(w/o stern planing body)선형에 비하여 프루드 수(Fn▽) 6까지는 약간의 저항증가율을 보이다가 프루드 수(Fn▽) 6에서는 거의 동일한 저항값을 가지다가 고속(Fn▽ : 6이상)으로 갈수록 저항 감소율을 보이고 있다.
또한, 대상선의 유효마력(EHP)은 실선속력 20knot (Fn▽=3.0)～40knot (Fn▽=5.5)사이에서는 선미 보조동체 장착(w/ stern planing body)선형이 없는(w/o stern planing body)선형에 비해 약 1.7～5.0% 정도의 소요마력 증가율을 보이다가, 설계선속 45knot (Fn▽=6.2)부근에서는 두 선형이 거의 동일한 소요마력을 보이며, 설계선속 45knot(약 Fn▽=6.2)를 기점으로 고속으로 갈수록 소요마력 감소율이 계속되다가 선속 52knot(약 Fn▽=7.2)부근에서는 약 11% 정도의 소요마력 감소율을 나타내고 있다.
이는, 일반적으로 고속 활주형 선형의 선저에 단이 진 스텝을 설치하게 되면 고속 활주 주행상태에서 공기유입에 따른 선저부분의 공동현상으로 접수면(침수표면적) 감소시켜 마찰저항 감소에 따른 속도 증가와 연비절감 효과 발생시키게 되며, 실선속력 20knot～40knot에서는 선미 보조동체 장착에 따른 침수표면적 증가로 선미 보조동체 장착 선형이 없는 선형에 비해 전저항과 소요마력 증가 보이지만, 설계선속 45knot 이상의 고속 활주 주행상태에서는 횡동요 감소를 위해 장착한 선미 보조동체가 오히려 최적의 선수 및 주행 트림각을 유지시켜 줌으로써 접수면(침수표면적) 감소에 따른 마찰저항과 조파저항 감소에 따른 소요마력을 감소시킨 것으로 보인다.
다음, 횡동요 감소형 개발대상선의 선형검증을 위해 계측한 시간(time history)에 근거한 횡동요 각 곡선의 해석결과는 선미 보조동체 장착 선형이 없는 선형에 비해 시험범위 20knot～55knot사이의 각 시험선속에서는 횡동요 각이 현저하게 감소하는 경향을 보이고 있어 선미 보조동체 장착 선형이 없는 선형에 비해 횡동요 저감 운동특성이 매우 우수한 선형임을 확인하였다.
또한, 종동요 각 시험결과도 2척의 동일배수량에서의 시간 대응 종동요 각은 시험선속 20knot～55knot에서 선미 보조동체 장착 선형이 전체적으로 약 5°정도의 종동요 운동응답 특성을 보였지만, 선미 보조동체가 없는 선형은 대략 10°이상의 종동요 운동응답 특성을 보이고 있어 선미 보조동체 장착 선형이 선미 보조동체 없는 선형에 비해 우수한 종동요 저감 운동응답 특성을 가지는 선형임을 확인하였다.
이는 고속 스텝 적용 활주형 선형은 고속 주행시 선미로 갈수록 선미 끝단의 좌우 접수면이 소실되어 그에 따른 횡동요 운동응답이 저하되지만, 선미 보조동체는 기존 스텝 적용 선형을 안정적으로 구현할 수 있도록 선미측에서 M-hull 기본형상을 하여, 선측으로 파생되는 조파들을 선미에서 효과적으로 감쇠시켜 후미의 파고를 현저하게 낮추어 줌으로써 우수한 성능의 횡동요 운동응답 특성을 나타내는 것으로 보인다.
[실시예 2]
본 실시예 2에서는 앞서 설명한 실시예 1의 모형시험을 통해 본 발명에 따른 고속보트의 구현 가능성을 확인하였기에 이어 실선을 제작하여 실제 운항하면서 본 발명이 목적하는 바를 달성하는지 점검하였다.
이때, 선체 길이는 8.82m, 선의 폭은 2.68m, 선의 깊이는 1.10m, 만재 흘수는 0.53245m, 경하배수량은 abt 2.0톤으로 하였고, 재질은 FRP로 하였으며, 기타 구조와 선형 설계는 앞서 설명한 본 발명 내용과 동일하게 하였다.
이렇게 하여 완성된 시제선은 도 13, 도 14, 도 15에 나타낸 사진과 같다.
그리하여, 완성된 시제선을 경남 삼천포항 앞바다(해수온도 14.50℃, 해수 비중 1.024, 파고 약 1.0m)에서 선미 보조동체 장착 고속 스텝 적용 레저보트용으로 실험하였다.
이때, 최고 마력은 600HP, 주기회전수는 6,250 rpm, 주기관(엔진)은 2개로 하였다.
시험결과, 정선시험, 속력시험, 동요시험, 정지시험, 선회시험, 진동계측 모든 측면에서 앞서 설명한 모형선의 실험치와 근접한 수치를 나타내었으며, 원하는 목표치를 충분히 달성하였다.
이를 통해, 본 발명에 따른 횡동요 감소능이 우수한 레저용 고속보트를 설계할 수 있고, 제작 생산할 수 있음을 확인하였다.
도 1은 일반적인 활주형선의 선저부에 작용하는 하중을 보인 개념도,
도 2는 일반적인 활주형선의 버톡라인(Buttock Line)에 따른 압력분포를 보인 설명도,
도 3a,b는 트윈 스텝(Twin Stepped) 선형의 선저 침수표면적 변화를 보인 개념도,
도 4는 스텝 적용 유무에 따른 선형의 선저 침수표면적을 보인 개념도,
도 5 및 도 6은 선박의 선체 운동특성을 설명하기 위한 개념도,
도 7 내지 도 9b는 본 발명에 따른 횡동요 감소를 위한 활주형선 선형 및 그것이 적용된 고속보트의 예시도,
도 10 내지 도 12b는 본 발명에 따라 제작된 모형선의 시험장치 및 그 모형선을 보인 예시도 및 사진,
도 13 내지 도 15는 본 발명에 따라 제작된 실선의 사진.
♧ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♧
100....보조동체 110....스프레이 스트립

Claims (8)

  1. 레저용으로 사용되는 소형 고속보트에 있어서;
    상기 고속보트는 Fn▽ 값이 4.0~7.2이고, 선저를 중심으로 선미에 좌우 대칭되는 형태로 보조동체가 장착되어 전체적으로 선미 부분에서 M형상의 단면을 갖도록 선체를 구성하는 것을 특징으로 하는 횡동요 감소를 위한 활주형선 선형을 갖는 고속보트.
  2. 제1항에 있어서;
    상기 선체의 저면에는 상기 선저를 중심으로 선저로부터 보조동체를 향해 적어도 2개 이상의 계단(Step)이 형성된 것을 특징으로 하는 횡동요 감소를 위한 활주형선 선형을 갖는 고속보트.
  3. 제2항에 있어서;
    상기 계단은 스프레이 스트립(Spray Strip) 형태인 것을 특징으로 하는 횡동요 감소를 위한 활주형선 선형을 갖는 고속보트.
  4. 제1항에 있어서;
    상기 선체의 단면 형상은 직선형 단면 형상(Straight Section Type)인 것을 특징으로 하는 횡동요 감소를 위한 활주형선 선형을 갖는 고속보트.
  5. 제1항에 있어서;
    상기 선체는 깊은 V형 하드차인(Hard Chine) 형태이며, 상기 보조동체는 선미 스텝 뒤쪽에서 좌우 양현측으로 돌출되게 형성된 것을 특징으로 하는 횡동요 감소를 위한 활주형선 선형을 갖는 고속보트.
  6. 제1항에 있어서;
    상기 선체의 선형은 전면 챠인 형상이며, 상기 챠인의 최대폭은 선수 끝단으로부터 전장의 60-65% 후방에 위치되게 하여 고속에서도 파도의 분리를 촉진시켜 충격가속도를 감소시키도록 한 것을 특징으로 하는 횡동요 감소를 위한 활주형선 선형을 갖는 고속보트.
  7. 제1항에 있어서;
    상기 선체의 선형중 흘수하부는 선저경사각을 갖는 형상이며, 상기 선저경사각중 보조동체의 외부쪽 경사각은 10-25°, 내부쪽은 10-15°로 하고, 선체의 선저경사각중 선수로부터 배 길이의 10% 위치에서는 30-40°로 하여 항해중 파에 의한 충격하중을 감소시키고 선측 면적의 증가로 인한 조종성능을 향상시킨 것을 특징으로 하는 횡동요 감소를 위한 활주형선 선형을 갖는 고속보트.
  8. 제7항에 있어서;
    상기 선체의 선미는 트랜섬(Transom)으로 하며, 트랜섬의 폭에서 보조동체를 제외한 선체부분은 최대폭의 60～70%가 되게 하여 선저로부터 발생된 급류를 선미에서 신속하게 제거시키도록 한 것을 특징으로 하는 횡동요 감소를 위한 활주형선 선형을 갖는 고속보트.
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