KR20130019331A - 쌍동형 비대칭 선체를 이용한 실해역 모형시험 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 쌍동형 비대칭 선체를 이용한 실해역 모형시험 방법에 관한 것으로, 실해역 운항이 가능하고, 중앙이 비어 있으며, 간격을 둔 양측이 판상의 선체로 가려진 쌍동형 비대칭 선체를 갖는 견인선; 견인선의 선미쪽을 선체의 길이방향과 수직된 방향으로 가로질러 고정된 다수의 지지프레임; 지지프레임의 중앙부를 기점으로 간격을 두고 고정되고, 해수면을 향해 수직 연장된 한 쌍의 고정플레이트; 고정플레이트에 결속되고, 해수면에 부유된 상태로 배치되는 시험 대상인 모형선; 모형선이 받는 각종 저항, 트림, 침하량을 측정하도록 설치된 센서; 센서와 연결되고, 측정값을 수집 저장하도록 지지프레임 상에 고정된 제어박스;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 쌍동형 비대칭 선체를 이용한 실해역 모형시험 장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 실해역 모형 시험이 가능하여 계측결과를 고속선의 실제 운용상황에 근접하게 선체 및 엔진효율을 설계할 수 있어 선형설계오차를 줄이고, 손실을 최소화시킴으로 선형을 개발하고, 시험하고자 하는 속도까지 제한없이 안정적으로 테스트할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Description

쌍동형 비대칭 선체를 이용한 실해역 모형시험 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR TESTING WITH A MODEL IN OPEN SEA BY USING CATAMARAN TYPE ASYMMETRIC HULL}

본 발명은 쌍동형 비대칭 선체를 이용한 실해역 모형시험 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고속선박의 개발과 관련하여 실해역 테스트를 통해 얻은 정보를 활용하여 고속선박의 설계를 더 정확하고 효율적으로 수행할 수 있도록 한 쌍동형 비대칭 선체를 이용한 실해역 모형시험 장치 및 방법에 관한 것이다.

고속선(고속선박)의 성능 연구와 관련하여 모형 시험은 매우 중요한 부분을 차지한다.

이러한 이유 때문에 고속선의 모형 시험과 관련된 부분은 국제 선형시험 수조회의(ITTC)의 고속정기술위원회(High Speed Marine Vehicle Commitee, HSMVC) 보고서에도 잘 정리되어 있다.

HSMVC에서 채택되어진 주요연구로는 실선과 모형선의 상관관계에 해당하는 것이 가장 많으며, 기타 Water-jet 추진시험법, 구조에 가하여지는 파랑외력시험 등과 같은 고속정 특유의 문제도 순차적으로 조사되고 있다.

고속선의 수조 모형 시험과 관련하여, 고속선 특유의 수조시험법의 핵심문제는 예인전차의 속도 부족으로 인하여 충분한 크기의 모형선을 사용할 수 없는 점이 활주형 고속정의 모형시험이 가장 어려운 부분이다.

한편, HSMVC에서는 단동 활주선의 상사모형을 써서 동일조건의 예인시험연구를 공동으로 수행하여 일본의 16개 선형시험수조에서 길이 0.54m의 상사모형을 사용한 시험을 수행한 바 있다.

또한, 일본 선박기술연구소의 고속수조에서도 천수영향과 시험법과 관련된 여러 가지 문제 때문에 각 시험수조에서는 소규모 고속정에 관하여서는 독자적인 실용적인 실험법을 개발하고 있는 실정이다.

아울러, Ikeda 등은 모형선을 저항, 양력, 모멘트가 계측되는 3분력계에 완전히 고정시킨 자세구속시험법을 제안하여 모형선에 작용하는 유체력의 계통적인 계측하고 유체력 데이터를 데이터베이스로 사용해서 항주중의 자세 및 저항을 구하는 프로그램을 개발하였지만, 배의 부상량은 저속에서의 각의 위치로부터 고속 위치 값까지 길이에 따라 수없이 변화하고, 트림(trim)은 많은 각도가 변화하기 때문에 이러한 상태를 모두 포함할 수 있는 방대한 수의 실험을 수행해야 한다는 단점을 가지고 있다.

그리고, Kawahara, Otsuka는 상하방향을 자유롭게 하고 트림 만을 구속한 저항시험기를 만들어서 저항과 트림 모멘트(trim moment)의 2분력과 부상량을 계측하는 방법을 제안하고 있다.

다른 예로, 일본 오사카부립대학의 Toru Katayama 교수 등은 고속 레저선을 0.5m 이하의 초소형 모형선으로 제작하여 고속 예인수조에서 완전 구속 타입(Type)으로 유체력을 계측하는 저항시험법을 개발하였으며, 또한 Shigeru, Hayashita 등은 고속 레저선의 선체에 작용하는 유체력을 계측하고 이를 통해 선체를 힘과 모멘트 평형이 되는 자세로 변화를 시켜 저항계측을 하고 이러한 계측시험을 반복하여 실제 항주시 선체자세 및 저항 계측이 가능하다는 방법을 제안한 적이 있다.

이외에도 유럽에서는 쌍동선의 선체 중간에 모형선을 장착하여 모형시험을 수행한 바 있으며, 일본에서도 실 해상에서 실선에 모형선을 지지하여 모형선의 항주자세 등을 관측하는 시험기법도 제안한 바 있다.

그러나, 고속선의 수조 모형 시험은 고속선의 선형 특성상 Froude 수가 크기 때문에 기존 예인전차로서는 예인속도가 부족하여, 모형선을 작게 만들어야 하고 측벽이나 수조 깊이에 따르는 천수영향이 나타난다는 점, 그리고 일반적인 배수량 선형과는 달리 주행 중에 자세변화가 크게 나타나고 그 영향이 저항특성에 크게 영향을 주게 된다는 점, 또한 자세의 변화에 따라서 침수표면의 형상이나 침수표면적이 크게 변화하게 되어 마찰저항을 추정하는 것도 곤란하다는 등의 다양한 문제점들로 인해 상당한 한계를 가지고 있음은 주지된 사실이다.

바꾸어 말하자면, 고속선의 모형시험 특징은 일반 배수량형 선박과 비교해서 동적인 부력에 의하여 배의 중량이 받쳐지게 되기 때문에 항주속도에 따라 주행자세(트림, 부상량) 변화가 커서 침수면적의 변화도 크고, 배의 중심의 전후위치를 변형(트림 변경)하는 것에 의하여 항주자세의 변화는 선박의 성능과 밀접하게 관계하고 있다는 것이다.

또한, 고속선의 저항시험방법에는 크게 모형선을 검력계에 취부하고 항주자세를 여러 가지로 바꾸어서 힘이나 모멘트를 계측하는 구속시험과 추력선상을 추력방향으로 자동적으로 예항하는 자유 시험으로 나누어지며, 구속시험은 구속항목이 많을수록 검력계의 분력의 수가 많이 필요하며, 계측주행도 많아지는 특징이 있으며, 자유 시험은 실제의 주행상태를 직접 실현해버리므로 실험효율도 좋고, 성능확인 시험에는 유효하나, 추(weight)를 이용해서 초기 트림 시리즈(trim series) 시험 등을 동시에 수행하는 일이 많아 많은 불편이 따른다.

고속 활주형선과 같은 소형, 경량이며 고속으로 항주하는 선형의 성능 검토는 건조가격 등의 이유로부터 모형시험을 하는 것은 드물며, 대부분 실선 시운전 평가로 이루어지고 있다. 그러나 건조이전에 유체역학적 문제에 직면했을 때의 선형검증의 최적의 해결방법으로는 모형시험이 필수적이나, 대부분의 국내외 회류수조 유속 및 예인전차의 속도제한과 수조 천수영향, 측벽효과 등의 여러 가지 문제가 작용하였기 때문에 국가별 시험수조에서는 고속 활주형선 선형개발을 위해 독자적이고 실용적인 실험법을 개발하고 있는 실정이다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점들을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 너울과 파랑의 존재로 인한 추가적인 저항이 존재하는 실해역에서 실제 모형 시험을 수행할 수 있는 방법을 제공하여 엔진 설계에 따른 손실 추정 편차를 줄이고, 보다 정확하고 효율적인 선체 및 엔진 설계가 가능하도록 한 쌍동형 비대칭 선체를 이용한 실해역 모형시험 장치 및 방법을 제공함에 그 주된 목적이 있다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 실해역 운항이 가능하고, 중앙이 비어 있으며, 간격을 둔 양측이 판상의 선체로 가려진 쌍동형 비대칭 선체를 갖는 견인선; 견인선의 선미쪽을 선체의 길이방향과 수직된 방향으로 가로질러 고정된 다수의 지지프레임; 지지프레임의 중앙부를 기점으로 간격을 두고 고정되고, 해수면을 향해 수직 연장된 한 쌍의 고정플레이트; 고정플레이트에 결속되고, 해수면에 부유된 상태로 배치되는 시험 대상인 모형선; 모형선이 받는 각종 저항, 트림, 침하량을 측정하도록 설치된 센서; 센서와 연결되고, 측정값을 수집 저장하도록 지지프레임 상에 고정된 제어박스;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 쌍동형 비대칭 선체를 이용한 실해역 모형시험 장치를 제공한다.

이때, 상기 고정플레이트에는 볼스크류가 설치되고, 상기 모형선에는 볼스크류에 치결합되는 연결구가 구비되어 모형선의 흘수를 조절하도록 구성된 것에도 그 특징이 있다.

또한, 본 발명은 준비된 모형선을 실해역에 배치된 쌍동형 비대칭 선체를 갖는 견인선의 선체 폭 중앙부에 결속하는 단계; 모형선이 결속된 상태에서 높이를 조절하여 모형선의 흘수를 조절하는 단계; 모형선의 흘수가 조절되면 저항 측정센서, 트림 측정센서, 침하량 측정센서를 설치하고, 이들 센서를 견인선에 구비된 제어박스와 전기적으로 연결하는 센서 세팅단계; 센서 세팅이 완료되면, 견인선을 측정 해역으로 이동 후 최고 속도까지 운항하면서 모형선에 대한 시험을 수행하는 단계; 시험이 완료되면, 모형선을 견인선으로부터 분리하고, 계측된 정보를 종합한 후 분석하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 쌍동형 비대칭 선체를 이용한 실해역 모형시험 방법도 제공한다.

본 발명에 따르면, 실해역 모형 시험이 가능하여 계측결과를 고속선의 실제 운용상황에 근접하게 선체 및 엔진효율을 설계할 수 있어 선형설계오차를 줄이고, 손실을 최소화시킴으로 선형을 개발하고, 시험하고자 하는 속도까지 제한없이 안정적으로 테스트할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 실해역 모형 시험을 위한 모형선의 예시적인 샘플 사진이다.
도 2a,b는 본 발명에 따른 실해역 모형 시험 장치를 보인 예시도 및 예시적인 샘플 사진이다.
도 3은 모형선의 저항성능을 수조 모형 시험에서의 결과치로 보인 테이블이다.
도 4는 모형선의 저항성능을 본 발명 실해역 모형 시험에서 얻은 결과치로 보인 테이블이다.
도 5는 모형선의 트림 및 침하량을 수조 모형 시험에서의 결과치로 보인 테이블이다.
도 6은 모형선의 트림 및 침하량을 본 발명 실해역 모형 시험에서 얻은 결과치로 보인 테이블이다.
도 7은 본 발명을 통해 얻은 데이터로부터 구한 그래프이다.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

보통, 고속선의 모형 시험은 프로펠러 등에 의해 발생된 축계 손실, 선체 모형 축소에 따른 축소비율, 최대 시험 속도 등을 고려하여 엔진의 유효마력을 추정하여 엔진을 설계하게 되는데, 일반적으로 시험결과치를 토대로 30~40% 더 올려 설계에 반영하고 있는 것이 현실이며, 이는 추정치이기 때문에 정확도가 떨어지고 오차가 커 효율적이지 못하였다.

특히, 국내의 회류수조와 예인수조에서는 시험장비의 길이와 구조 등 특성상 으로 인해 고속에 대한 실험이 어려우나, 실해상 모형시험에서는 모형선이 요구하는 최대선속까지 달릴 수 있어 고속 활주형 선형개발 및 설계에 반영할 수 있다.

본 발명은 이와 같은 현실적인 상황을 반영하여 실해상 시험이 가능하도록 한 모형 시험 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 실시예에서는 28feet급 고속선에 대한 것을 예시적으로 설명하기로 하며, 모형선은 도 1의 사진에 예시한 바와 같다.

도 1에 예시된 모형선은 활주형 고속선으로서, 모형선(100)에 대한 주요 제원은 하기한 표 1과 같다.

아울러, 도 2a,b에서와 같이, 실해역 모형 시험을 위한 장치는 견인선(200)을 포함하는데, 상기 견인선(200)은 쌍동형 비대칭선으로서, 이와 같은 쌍동형 선체를 갖춘 이유는 쌍동형 선체의 경우 양쪽으로 파 발생이 적어 견인선(200)에 의해 발생되는 파가 모형선(100)에 영향을 주는 것을 극소화시키기에 유리하기 때문이다.

또한, 상기 견인선(200)의 후측 일부에는 이를 가로질러 지지프레임(210)이 견인선(200)의 선체에 고정되고, 상기 지지프레임(210)의 중앙에는 고정플레이트(220)가 수직하게 하방향으로 돌출된다.

그리고, 상기 고정플레이트(220)의 하단에는 앞서 설명한 모형선(100)이 고정되어 상기 견인선(200)에 의해 함께 움직이면서 견인될 수 있도록 구성된다.

덧붙여, 상기 고정플레이트(220)에는 높이조절기(230)가 더 구비되는데, 상기 높이조절기(230)는 일종의 볼스크류 형태로서 모형선(100) 선과 연결되는 연결구(도면번호 생략)는 상기 볼스크류에 치결합되게 구성되고, 모형선(100)에 고정된 상태로 구비되며, 이들 고정플레이트(220) 및 높이조절기(230)는 모형선(100)의 길이방향으로 간격을 두고 한 쌍이 구비됨이 바람직하다.

이 경우, 상기 견인선(200)은 앞서 설명하였듯이, 쌍동형 비대칭선으로서 모형선(100)을 기준으로 양측이 선체(Hull)에 의해 보호되기 때문에 운항시 실해역에서 발생되는 파랑이 전달되지 못하고 차단되게 되므로 계측시 모형선(100)을 안전하게 보호할 수 있다.

뿐만 아니라, 상기 모형선(100)의 배치에 있어서도 견인선(200)의 선수-선미 방향과 동일하게 모형선(100)의 선수-선미간 방향이 일치되게 배치하여야 한다.

아울러, 각 종 센서, 즉 모형선(100)에 걸리는 저항을 측정하는 센서, 모형선(100)의 트림을 측정하는 센서, 모형선(100)의 침하량을 측정하는 센서 등이 기존 수조 시험에서와 같은 방식으로 구비되어 각각의 측정값을 제어박스(240)로 전송하도록 구성된다.

이러한 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 실해역 모형 시험 장치를 이용한 시험 방법은 다음과 같다.

먼저, 모형선(100)을 배치하는 단계가 수행된다.

모형선(100)을 배치하는 단계는 구비된 모형선(100)의 연결구를 실해역에 세팅된 견인선(200)의 높이조절기(230)에 연결 고정하는 단계로서, 상기 연결구를 스크류 고정한 다음 볼스크류를 회전시켜 모형선(100)이 적정한 흘수를 갖도록 조정하게 된다.

이렇게 하여 모형선(100)의 배치가 완료되면 이어 센서 세팅단계가 수행된다.

상기 센서 세팅단계는 모형선(100)을 통해 실해역 테스트시 필요로 하는 정보를 얻기 위한 계측기를 설치하는 단계로서, 저항치, 트림, 침하량 등과 관계된 값을 얻기 위한 센서들을 필요개소에 설치하고 제어박스(240)와 연결하는 과정을 말한다.

이후, 견인선(200)을 테스트할 수 있는 해역으로 이동시킨 후 테스트를 수행하는 단계를 거친다.

테스트 수행단계는 견인선(200)의 속도를 높여, 측정하고자 하는 모형선(100)의 계측 속도까지 최대로 올리면서 계측을 행하는 단계이다.

이러한 단계를 거쳐 계측이 완료되면 회귀한 다음 모형선(100)을 해체한 후 수집된 정보를 분석하는 단계가 수행됨으로써 실해역 테스트가 마무리되게 된다.

이하, 실시예에 대하여 설명한다.

본 발명에 따른 장치를 이용한 실해역 테스트 결과를 확인하기 위해 앞서 설명한 제원을 갖는 28 feet급 고속보트 모형선(100)을 가지고 실해역 테스트(낙동강 하구둑에 있는 조정경기장에서 수행)한 결과값을 부산대학교에서 한 동급의 모형선 실험결과와 비교하였다.

먼저, 저항성능에 대한 측정결과, 도 3 및 도 4에서와 같이, 수조 시험에서는 최대 속도 24노트를 넘을 수 없었지만, 실해역 시험에서는 최대 37노트가지 시험할 수 있었다.

아울러, 저항성능에 대한 해석은 2차원 저항 성능해석 방법인 ITTC 1957법을 사용하였고, 이를 통해 25노트 일 때의 유효마력을 추정하였다.

이때, 부산대학교에서의 시험에는 PNU를 표기하였고, 본 발명 실해역 시험은 SMT를 표기하였다.

뿐만 아니라, 트림과 침하량에 대한 측정결과는 도 5,6에 각각 나타내었고, 이들 자료를 토대로 속도별 유효마력 곡선, 속도별 실선 전저항계수 곡선, 속도별 실선 트림 곡선, 속도별 실선 침하량 곡선은 도 7에 그래프로 표시하였다.

이와 같은 실해역 시험을 통해 얻은 결과들을 종합한 결과, 수조시험과 비교하였을 때 평균 11.54%의 오차를 확인할 수 있었으며, 실해역 시험을 토대로 수조 시험결과를 보정한 결과 최종적으로 엔진설계시 25노트일 때 엔진의 유효마력은 152.41hp가 되었고, 최대속도 37노트에서는 유효마력이 433.50hp가 되어 설계의 효율화와 설계 오차 최소화를 달성할 수 있음을 확인하였다.

100 : 모형선 200 : 견인선
210 : 지지프레임 220 : 고정플레이트
230 : 높이조절기 240 : 제어박스

Claims (3)

1. 실해역 운항이 가능하고, 중앙이 비어 있으며, 간격을 둔 양측이 판상의 선체로 가려진 쌍동형 비대칭 선체를 갖는 견인선;
   견인선의 선미쪽을 선체의 길이방향과 수직된 방향으로 가로질러 고정된 다수의 지지프레임;
   지지프레임의 중앙부를 기점으로 간격을 두고 고정되고, 해수면을 향해 수직 연장된 한 쌍의 고정플레이트;
   고정플레이트에 결속되고, 해수면에 부유된 상태로 배치되는 시험 대상인 모형선;
   모형선이 받는 각종 저항, 트림, 침하량을 측정하도록 설치된 센서;
   센서와 연결되고, 측정값을 수집 저장하도록 지지프레임 상에 고정된 제어박스;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 쌍동형 비대칭 선체를 이용한 실해역 모형시험 장치.
   
2. 청구항 1에 있어서;
   상기 고정플레이트에는 볼스크류가 설치되고, 상기 모형선에는 볼스크류에 치결합되는 연결구가 구비되어 모형선의 흘수를 조절하도록 구성된 것을 특징으로 하는 쌍동형 비대칭 선체를 이용한 실해역 모형시험 장치.
   
3. 준비된 모형선을 실해역에 배치된 쌍동형 비대칭 선체를 갖는 견인선의 선체 폭 중앙부에 결속하는 단계;
   모형선이 결속된 상태에서 높이를 조절하여 모형선의 흘수를 조절하는 단계;
   모형선의 흘수가 조절되면 저항 측정센서, 트림 측정센서, 침하량 측정센서를 설치하고, 이들 센서를 견인선에 구비된 제어박스와 전기적으로 연결하는 센서 세팅단계;
   센서 세팅이 완료되면, 견인선을 측정 해역으로 이동 후 최고 속도까지 운항하면서 모형선에 대한 시험을 수행하는 단계;
   시험이 완료되면, 모형선을 견인선으로부터 분리하고, 계측된 정보를 종합한 후 분석하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 쌍동형 비대칭 선체를 이용한 실해역 모형시험 방법.

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