KR 웹진 164호

1. 서론

산업통상자원부 주최 DHMC, KOMERI 주관의 경제 협력권 산업 육성사업의 일환으로 DWT 3~7k급 중소형 선박에 에너지 절감장치(Energy Saving Device, ESD)를 실선 적용하는 프로젝트에 KR은 구조안전성 검증 부분에 참여하였다. 중소형 선박에 실선 적용된 에너지 절감장치로는 선체에 부착되어 선미의 유동을 제어하는 핀(Hull Fin)과 타에 부착되어 프로펠러 Hub의 유동을 제어하는 타 벌브(Rudder Bulb)가 있다. 이 장치는 약 4~5% 정도의 운항 효율 개선을 기대하며 연료 절감 효과와 함께 IMO(International Maritime Organization) 환경규제 대응 기술로 주목받고 있다.

핀과 타 벌브의 구조안전성을 검증하기 위하여 CFD(Computational Fluid Dynamics)를 이용한 유동해석, 고유진동해석, 항복강도 해석 및 피로해석을 수행하여 공진 여부, 응력수준, 피로 수명 등을 확인하였다.

2. 하중

타의 하중은 항복강도 및 피로해석에서 요구되는 조건에 따라 CFD에서 얻어진 압력장을 타의 구조 모델로 맵핑하여 벡터를 확인하여 검증하였다. 전타(±35도)의 경우 한 쪽 면에 걸리는 타의 하중은 규칙에서 제시하는 값 대비 약 90% 정도로 그 수준이 적절함을 확인하였다.

 

<CFD 유동 해석을 통한 하중 생성 및 하중 맵핑>

핀에 작용하는 모리슨(Morison) 하중을 계산하기 위하여 적하 지침서를 기초로 하여 운항비율이 가장 높은 화물 적재 상태와 평형수 적재 상태에 대한 유체동역학 해석을 수행하여 속도 및 가속도 값을 구하였고 항력계수는 KOMERI에서 제공한 값을 사용하였다. 그리고 선체의 변형에 의해 작용되는 Hull Girder 하중을 적용하였다.

 

<CFD 유동 해석을 통한 항력계수 추정 및 모리슨 하중 적용 >

 

3. 고유 진동

타는 프로펠러에서 작용하는 주기적인 하중을 받는 구조물로 프로펠러 회전수와 타의 고유진동수가 가까울 경우 공진이 발생할 수 있다. 타의 고유진동수는 타의 강성 및 타의 질량에 따라 변화하게 되는데 특히 흘수에 따른 타의 부가 질량에 따라 고유 진동수가 변화한다.
이 프로젝트에서는 흘수 변화에 따른 고유진동수를 계산하고 이를 하중의 주파수와 비교하여 공진 여부를 확인하였다.

<타(Rudder Bulb)의 고유 진동 모드>

 

4. 강도 평가 및 피로 수명

타의 강도 평가는 CFD를 이용해 계산된 동하중과 흘수에 따른 정수압을 모두 적용하여 강도해석을 수행하였다. 적용된 하중은 프로펠러의 회전에 의한 타의 비대칭 하중을 확인하여 위해 타각 0도와 타에 최대 압력이 작용하는 전타(±35도)의 경우에 대해 적용하였으며, 프로펠러의 회전각을 고려하여 하중 조건(Load case)를 구성하였다. 피로수명은 타 벌브의 용접부에 대해 평가하였다.

 

<타(Rudder Bulb)의 강도 평가>

 
핀의 강도 평가는 2장에서 구한 모리슨 하중을 핀에 수직 방향으로 적용하고 선박의 적재 상태에 따른 선체의 Hull Girder 하중을 적용하여 강도 해석을 수행하였다. 핀의 경우 선체에 부가적으로 붙는 구조물로 선체에 손상을 주지 않도록 선체 내부에 국부 보강을 하였으며, 피로 해석부위는 핀의 끝단 및 Double Pad 등 고 응력 부위와 구조적 불연속 부위에 대하여 검토하였다. 

<핀(Hull fin)의 강도 평가>

  

<핀(Hull fin)의 피로 평가 부위>

 

5. 결론

  
● 본 연구에서는 에너지 절감장치(ESD)인 핀과 타 벌브에 대해 구조안전성을 검증하고 유사한 구조물에

    적용할 수 있도록 해석 절차를 수립하였다.
● 벌브가 부착된 타의 고유치 해석은 해수로 인한 부가 질량 및 부식에 의한 중량 감소 및 제조상 발생할 수

    있는 중량 증가에 따른 중량 비율을 하중 조건으로 고려하였다.
● 타의 주요 모드 형상은 Lateral Mode이며 타의 중량 변화에 따른 고유진동수의 변화는 크지 않은 것을

    확인하였다. 하지만 흘수가 증가함에 따라 발생하는 부가 질량의 변화에 타의 고유진동수가 프로펠러에서

    발생되는 하중의 진동수와 가까워지는 것을 확인하였다.
● CFD를 이용해 계산된 동압의 분포를 확인하여 프로펠러의 회전에 의한 타의 비대칭 압력을 확인하였으며,

    동압의 크기는 CFD를 이용해 계산된 값과 Rule 값을 비교해 그 수준이 적절한 것을 확인하였다.
● 피로해석은 프로펠러의 회전에 의한 변동하중 및 타각의 변화에 따른 변동하중을 고려하였고, 이에 따른

    해석 결과, 충분한 수명을 가지는 것을 확인하였다.
● 핀에 작용하는 항력계산을 위하여 적하 지침서를 기초로 운항비율이 가장 높은 화물 적재 상태에서

    선박의 주요 운항 경로에 따른 해역 데이터를 적용해 운동 해석을 수행하였으며, 이때 발생할 수 있는

    가장 큰 속도 및 가속도를 추출하였다.
● 핀(Hull fin)은 선박의 적재 조건에 따른 선체의 Hull Girder 하중 및 국부적인 항력을 적용하여 구조안전성

    을 검토한 결과 만족하는 것을 확인하였다.

 

6. 적용 사례

운항 성능 개선의 실 선박 Retrofit 기술성과 공유 기술세미나 개최

산업통상자원부 주최 DHMC, KOMERI 주관의 중소형(DWT 3~7k급)선박에 에너지 절감장치(Energy Saving Device, ESD)를 실선에 적용한 기술세미나가 2018년 6월 4일 전남 대불산단에서 개최되었다. 이 사업은 중소형 선박의 경쟁력 향상 및 경남, 전남권의 조선소 및 기자재 업체의 상생을 위한 것으로 KR은 타에 부착되는 벌브(Bulb) 및 선체에 부착되는 Hull Fin에 대해 CFD 유동해석, 고유진동해석, 강도 및 피로수명을 평가하여 안전성을 검증하였다.

이 세미나는 KR을 포함하여 한국해운조합, 경남도, 전남도, KIAT, 선사 등이 참석하여 기술성과를 공유하였으며, 기술성과인 에너지 절감장치의 부착으로 약 4~5% 정도의 운항효율 개선을 기대하며, 이는 연간 약 0.7억 정도의 연료비 절감 효과와 함께 IMO 환경규제 대응 기술로 주목받고 있다.

이번 실선 적용은 중소형 선박의 선박 개조를 통한 국내 첫 실용화 성과이며, 중소 조선소의 경쟁력 향상에 큰 도움이 될 것으로 기대된다.

3~7k 급 중소형 선박의 에너지 절감을 위하여 설치된 ESD는 아래의 사진과 같다.

 

<기술세미나>

 

<ESD 적용 사례>

 

<타 벌브(Rudder Bulb) 및 핀(Hull Fin)>