1. 서 론
최근 몇 년간 지속되고 있는 세계적인 경기 침체와 저유가로 인해 국내 조선 및 해양플랜트 산업도 침체 국면을 맞고 있다.
하지만 장기적인 관점에서 유가는 자원 고갈 및 수요처 확대로 인하여 점차 상승할 것으로 예상되며, 이로 인해 국내․외의 조선 및 해양플랜트 산업도 침체기를 벗어나 안정화 될 것으로 기대된다.
특히 해양플랜트 산업이 활성화되면 해양플랜트 지원 선박들도 새롭게 발주되어 질 것으로 전망되는데, 현재 운용되고 있는 여러 종류의 해양작업지원선(OSV, PSV)은 해양플랜트에서 석유나 가 스의 시추 및 생산에 필요한 인력과 기자재, 건화물의 운송 및 각종 폐기물을 회수하고, 유출된 유류 오염의 방제와 화재 진압, 비상탈출 상황에서 인명 구조 등과 같은 다양한 임무를 수행한다.
전 세계 바다에 매장되어 있는 천연자원은 대륙붕을 중심으로
많은 개발이 진행되어 왔으나, 최근 탐사 및 채굴기술의 발전으로 수심이 200m 보다 깊은 심해역과 북위 66° 이상인 극지해역에 서의 개발도 진행되고 있는 상황이다. 극지해역에서 운용되는 PSV는 평탄빙과 유빙이 존재하는 해역에서 운항이 가능해야하 므로 일반해역 운항 성능은 물론 빙해역 운항 성능에도 초점을 맞추어 선박을 설계해야 한다. 일반적으로 PSV 선박은 길이가 120m 이하로 국내 중․소 조선소에서 건조하기에 적합한 선박이 지만 지금까지 설계 자료의 대부분을 해외에서 도입하여 왔으나 극지 PSV에 대한 자료는 구하기가 어려운 상황이다.
현재 일반해역에서 운용되고 있는 PSV는 싱가폴과 중국을 중심으로 건조되고 있으며, 극지용 PSV는 핀란드 등지에서 설 계와 건조가 이루어지고 있다.
Fig.1에는 극지 해역에서 운용되고 있는 쇄빙 PSV 선박의 예를 보인다.
극지해역 운용 해양작업지원선(PSV)의 선형설계와 빙 저항추진 성능 연구
염종길･강국진･장진호･정성엽†
한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소
A Study on the Hull Form Design and Ice Resistance & Propulsion
Performance of a Platform Support Vessel (PSV) Operated in the Arctic Ocean
Jong-Gil Yum･Kuk-Jin Kang･Jin-ho Jang･Seong-Yeob Jeong† Korea Research Institute of Ships and Ocean Engineering, KRISO
This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
Platform Support Vessels operated in the Arctic Ocean support diverse operations of offshore plant in the sea, and the PSV is also needed to support works to exploit the oil and gas in the Arctic Ocean. Both of the ice breaking and the open sea performance have been considered together to secure the enhanced operational performance at the harsh environment in the Arctic Ocean and the open sea as well. In this study, One of the design requirements of a PSV is to guarantee continuous icebreaking performance with 3 knots at 1 m thickness of level ice, where the design draft is 7.5m and the engine power is 13 MW. Three hull forms were designed, and the ice resistance based on empirical formulas was estimated to select the initial hull form having an outstanding performance. The full scale performance of the designed hull forms was predicted by the ice model test conducted in the ice model basin of Korea Research Institute of Ships & Ocean Engineering(KRISO). The analysed results show that the selected hull form satisfies the above design requirement.
Keywords :
Platform supply vessel(해양작업지원선), Hull form design(선형 설계), The Arctic Ocean(북극해), Ice resistance(빙 저항), Icebreaking performance(쇄빙 성능)Fig.1 Arctic PSV ‘Aleksey Chirikov’ & ‘Green Ships’
(Arctech, 2018)
다소 늦은 감이 있지만 우리나라는 향후 극지해역에서 운용 이 가능한 PSV 신조 시장에서 수주 경쟁력을 높이기 위해서는 우수한 PSV 선박 개발을 위하여 그 기본이 되는 선형에 대한 연구가 필요하다.
따라서 본 연구에서는 향후 수주 경쟁력을 강화하기 위해 극 지용 PSV의 선형 설계를 수행하였고, 수치계산과 모형시험을 통해 선박의 저항추진 성능을 평가하였다.
2. 초기선형 도출
2.1 유사선 조사 및 모선 선정
본 연구에서 설계되는 선박은 설계흘수에서 13 MW의 최대 출력으로 1.0 m 두께의 평탄빙을 3노트의 속도로 연속 쇄빙할 수 있는 빙 저항추진 성능을 확보함과 동시에, 50% 출력으로 일반 해역에서 최대속도 15 노트로 운항하는 것을 목표로 하고 있다. 또한 재화중량은 PSV 시장의 현 수요상황을 감안하여 4,500 톤급으로 상정하였다.
아래 Table 1에는 유사선의 주요목이 정리되어 있다. 쇄빙 기능을 갖춘 선박들은 크기에 비해 높은 엔진출력을 확보하고 있으며, 선수 쇄빙을 위해 대체로 작은 선수각을 가지고 있다.
조사된 빙 해역 운항용 PSV들의 경우 Lpp가 80~120 m, 선폭은 18~25 m, 선수각은 24°~35° 정도의 범위에 있으며, 엔진출력은 10~14 MW 정도로 높은 출력의 엔진을 탑재하고 있다. 특히 국내에서 설계 및 건조되어 극지연구소가 운용하고 있는 쇄빙연구선 ‘아라온’은 본 연구에서 설계 목표로 하는 극지
Table 1 Principle dimensions of the similar PSV
Ship name Lpp(m) B(m) T(m) Stem
angle Power
Araon 95.0 19.0 6.8 35° 10 MW
Akademik
Fedorov 125.0 23.2 8.5 25° 12 MW
Svalbard 89.0 19.1 6.5 33° 10 MW
Polarbjom 80.4 18.0 7.85 27° 13.6 MW Polar stern 110.5 25.0 11.2 24° 14 MW Desing Hull 96.0 24.0 7.5 30° -
운항용 PSV와 유사한 성능과 주요목을 가지고 있으므로 ‘아라 온’을 모선으로 선정하고 그 선형 자료와 빙 저항추진 성능을 선형 설계 시 참고하였다(Leiviska, 2005).
2.2 초기선형 설계
2.2.1 선수부 선형 설계
극지용 PSV 선형을 설계하는데 있어서 주안점은 쇄빙 성능 확보에 있다. 여기서 선박의 쇄빙 성능은 선수부 선형에 큰 영 향을 받게 되는데 주요 선형설계인자로 선수 각도와 늑골선의 형상을 고려해야 한다. 모선으로 선정된 쇄빙연구선 아라온의 선수 각도는 35° 정도인데, 작은 선수각의 경우 쇄빙 과정 시 빙판의 굽힘파괴가 보다 쉽게 발생하므로 우수한 쇄빙 성능을 확보하기 위해 선수 각도를 30° 로 설정하였다. 앞서 언급한 바와 같이 선수 각도와 함께 늑골선의 형상이 쇄빙 능력을 좌 우하므로 동일한 선수 각도에 대해 늑골 형태를 세 가지로 변 화시켜 선수 선형 설계를 진행하였다. 첫 번째 선형(Type 1) 은 모선의 횡단면적( Cp) 곡선을 유지하고 선수 늑골선도 모선 과 비슷한 형태인 V 형상으로 설계된 전통적인 쇄빙선의 선수 형상으로서, Fig. 2에 보인다.
Fig. 2 1st hull form(Type 1)
두 번째 선형(Type 2)은 선수각 30° 에서 첫 번째 선형과 동일한 Cp와 종방향부력중심(Lcb)을 유지하는 반면, 선수 늑 골선의 각도를 키워 쇄빙 능력을 향상시키도록 변화를 주었으 며, Fig. 3에 보인다.
Fig. 3 2nd hull form(Type 2)
세 번째 선형(Type 3)은 동일한 선수각 30°에서 쇄빙 성능 을 극대화 할 수 있는 늑골선 형태로 앞선 두 가지 선형보다 Lcb를 앞쪽으로 이동시켜 스푼형 선수 형상을 가지도록 설계 하였다. 평탄빙에서의 쇄빙 성능은 빙판과 부딪히는 수선면 각 도와 늑골선의 각도가 중요 인자로서 스푼형 선수(Spoon type bow) 형상은 선수부가 평탄빙을 올라타면서 보다 작은 힘으로 빙판의 굽힘파괴를 발생시켜 빙저항을 감소시키게 된 다. Fig. 4에 세 번째 설계 선형을 보인다.
Fig. 4 3rd hull form(Type 3)
Fig. 5는 세 가지 선형을 겹쳐 그린 것으로 각 선형간의 차 이를 비교할 수 있다. 여기서 Type 1과 Type 2는 같은 선미 형상을 가지고 있으며, Type 3는 Lcb의 선수 방향 이동에 의 한 배수용적 감소를 반영하여 변경되었다.
Fig. 5 Comparison of the initial hull forms 2.2.2 선미부 선형 설계
극지해역 운항용 PSV 선박의 선미부 선형은 추진기의 선정 과 엔진룸을 비롯한 축계 배치와 밀접한 관련이 있으며, 빙 추 진성능 측면에서는 추진기로 유입되는 빙편을 최소화시켜 프로 펠러의 구조적 안전성을 확보하도록 설계되어야 한다.
일반적으로 PSV의 추진 시스템은 크게 두 가지로 분류된다.
하나는 전통적 추진방식인 프로펠러 축계 시스템이고 다른 하 나는 선회식 전기추진 시스템이다. 현재 운용되고 있는 실적선 의 경우 두가지 추진 시스템이 양분되어 채택되고 있다. 본 연 구에서는 엔진룸 및 화물창 배치와 선미 갑판 공간의 확보 및
해상 작업을 위한 Dynamic Positioning(DP) 시스템 활용을 위하여 선회식 전기추진 시스템을 채택하였다.
선미에 선회식 전기추진 시스템을 설치하기 위해서는 선미 선 저부에 헤드박스(Head Box)를 설치하게 되는데, 본 설계에서는 부가물에 의한 저항 증가를 억제하기 위하여 헤드박스 없이 추진 시스템 설치가 가능하도록 바지(Barge)형 늑골선을 적용하여 설계하였다. 바지형 늑골선이 적용된 선미는 넓은 작업 갑판을 확보함으로써 PSV의 각종 화물창도 간략하게 배치할 수 있다.
그리고 중앙 횡단면 선측은 약 7° 정도의 경사를 주어 선수에서 쇄빙된 빙편들이 선저 중앙부로 오면서 쉽게 빠져나갈 수 있도록 하여 부력저항과 배제저항을 줄일 수 있게 하였다. 또한 선저에 중앙 스케그(Skeg)를 부착하여 선박의 직진 안정성을 확보하도 록 하였다. 스케그는 1번 스테이션에서부터 6번 스테이션 사이에 부착되었고 침수 표면적은 약 93 m2 정도로서 전체 침수표면적 의 3.5%를 차지한다. 끝으로 세 가지 형태의 선미선형 설계개념 은 거의 유사하게 설계하여 선형 우열 비교 시 선미 선형의 영향 으로 인한 차이를 최소화 할 수 있도록 하였다.
Table 2에는 설계된 세 가지 초기선형들의 주요목이 정리되 어 있다.
Table 2 Principle particulars of the initial hull forms
Type 1 Type 2 Type 3
Lpp (m) 96
B (m) 24
D (m) 9.85
Scale(λ) 19.587
Draft (m) 7.5
Cb 0.5796 0.5800 0.5800
LCB (%) -1.05 -1.05 0.733
Vol (m
3) 10015 10022 10027
2.2.3 초기선형 선정을 위한 빙저항 검토
극지해역 운항용 초기선형을 선정하기 위해 세 가지 설계선 형에 대한 빙저항 계산을 수행하였다. 빙해역에서의 전체 저항 은 개수로에서의 저항(Row)과 빙저항(Rice)으로 구성되며, 빙 저항은 식 (1)과 같이 쇄빙저항(Rbr), 배제저항(Rcl), 부력저항 (Rbu)로 이루어진다.
빙저항 계산은 선박해양플랜트연구소에서 개발된 선형설계 전용 프로그램인 HCAD에서 생성된 2차원 선형정보를 3차원 정보로 변환하여 선체와 해빙의 접촉면에 대한 접선벡터와 법 선벡터를 구한 후에 기존의 빙 저항 경험식을 기반으로 개발된 빙 저항 추정 프로그램으로 수행되었다(Ryu, et al, 2013).
(1)Table 3에는 세 가지 설계선형에 대한 빙저항 계산 결과를 비교하여 보인다.
Table 3 Comparison of calculated ice resistance values
Ice
Condition
Ice
Resistance(KN) Type 1 Type 2 Type 3 1.0 m thick,
570 kPa strength
@ 3knots
Rbr
110.3 81.4 94.8
Rbu
157.6 183.1 132.1
Rcl
305.2 234.2 264.2
Rice573.1 498.7 491.1
Table 3에 보인바와 같이 Type 1과 같은 V 형상의 선수늑 골 형상에 비해 Type 2와 Type 3의 스푼형 선수 늑골 형상이 쇄빙 저항이 작은 것으로 나타났다. 세 번째 선형(Type 3)의 전체 빙 저항이 가장 낮은 것으로 평가되어 이 선형을 극지용 PSV 초기선형으로 선정하였다.
3. 모형시험 및 결과
3.1 모형선과 모형 추진기
Table 4에 앞 절에서 선정된 초기선형의 주요제원을 보인다.
Table 4 Principle particulars of the initial hull form
Model Ship ICE BREAKER PSV(KS1654)
Lpp (m) 96
B (m) 24
D (m) 9.85
Scale(λ) 19.587
Propeller KP811/812(Dia. 4.2m) Loading condition Design Ballast
Tf(m) 7.5 4.158
Ta(m) 7.5 5.633
Cb 0.58 0.468
Cw 0.898 0.668
Cm 0.888 0.848
Cp 0.654 0.552
LCB (%) 0.733 2.837
KB(m) 4.444 2.804
Vol (m
3) 10027 5288
상기 초기선형의 모형선은 KRISO에서 목재로 제작되었으며 축척비(λ)는 19.587이다. 최종 도장 공정에서 투명 락카와 희 석제에 증점제인 마그네슘 실리게이트를 첨가하여 도장함으로 써 모형선 표면의 빙 마찰계수를 0.05가 되도록 하였다.
모형 시험을 위한 스톡(Stock)추진기로 쇄빙연구선 ‘아라온’의 모형시험 시에 사용한 두 개의 아지무스 추진기를 사용하였다.
모형프로펠러(KP811/812)의 주요 제원은 Table 5 에 보인다.
Fig. 6에 모형선의 선수와 선미 형상을 보인다.
Table 5 Principle dimension of the model propeller
PR No. Dia. P/D Ae/Ao Z
KP811/812 21.428 0.8891 0.7888 4
Fig. 6 Bow and stern part of the model ship of the intial hull form
3.2 모형빙 및 빙자항 시험조건
초기선형에 대한 빙자항 시험은 선박해양플랜트연구소 빙해 수조에서 수행되었다. 모형시험속도는 설계흘수 상태에서 1, 3, 5 노트에 대해서 수행되었으며 모형빙의 두께와 굽힘강도는 50mm, 30kPa로서 실해역으로 확장시키면 빙두께 0.98m, 강도 596 kPa에 해당한다.
3.3 빙 자항시험
빙 자항시험은 선수 예인 방식으로 KRISO 표준시험 및 해 석법에 따라 수행되었는데, 볼라드풀(Bollard pull) 시험에서 얻어진 회전수, 추력, 토크를 참고로 하여 각 시험 속도에서 2
∼3개의 회전수(rps) 변화에 따른 추력, 토크, 예인력을 계측 하고 예인력이 0이 되는 자항점을 찾는 것이다. 목표한 빙상조 건에 해당하는 값으로 빙 두께와 강도에 대한 보정을 실시하였 다. 실선의 소요마력은 식 (2)와 같이 추정하였다.
(2)여기서 은 자항점에서의 회전수, 는 토크이다.
Fig. 7은 초기선형에 대한 선수예인 방식의 빙자항 시험 모 습을 보여주고 있으며, Fig. 8은 선미부의 수중 사진으로 3노 트 선속 조건에서 깨진 빙편들의 거동을 보여준다. 본 사진을 살펴보면 선수부에서 깨어진 빙편들이 선저 바닥을 통하여 선 미부로 빠져 나가면서, 일부 빙편들이 추진기에 유입되는 것을 확인할 수 있다. 향후 이러한 빙편들이 가급적 추진기로 유입 되지 않도록 선형 개선 노력이 필요하고, 빙편들에 의한 충격 이 추진기에 발생시키는 진동과 손상 등에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.
Fig. 7 Towed propulsion test in a level ice condition
Fig. 8 Underwater feature of the stern part 3.4 초기선형의 빙 자항시험 결과
일반적으로 쇄빙 선박의 주기관 마력을 정확하게 산정하는 것은 매우 중요한 사항으로 본 연구에서는 평탄 빙 조건에서 세 가지 속도에 대한 선수예인 빙 자항 시험을 통해 초기선형 의 빙 성능을 평가하였다. Table 6에는 빙 두께와 강도 보정 을 통해 추정된 초기선형의 빙 성능 추정 결과를 보여준다. 빙 해역에서의 빙 성능 목표는 최대 엔진출력 13MW에서 1.0m 두께의 평탄빙을 3노트로 연속 쇄빙할 수 있도록 하는 것인데 본 결과는 목표를 상회하고 있다.
Fig. 9는 초기선형의 선속에 따른 엔진 요구마력을 도시한 것으로서 최대마력 13MW에서 빙해역 운항 목표로 설정한 1.0 m 두께의 평탄빙을 약 4.4노트의 속도로 연속 쇄빙할 수 있으며, 3노트의 연속쇄빙 시에는 약 9.2MW의 마력이 소요될 것으로 판단된다.
Fig. 9 Speed and power curve of the initial hull form (Level ice thickness = 1.0m)
Table 6 Powering performance of the initial hull form (Level ice thickness = 1.0m)
V(kts) RPM(n) Rice(kN) PD(kW)
1.0 100.94 742 4901
3.0 124.71 970 9189
5.0 152.20 1205 14870
3.5 초기선형의 개수로(Open sea) 저항추진시험 결과
초기선형의 개수로 저항추진 성능을 추정하기 위하여 모형 시험을 수행하였다. 설계 흘수와 발라스트 흘수에서 각각 저항 시험과 자항시험이 수행되었다. 저항추진시험 해석은 KRISO 의 표준시험해석법을 이용하였다(Kim & Yang, 1987).
Fig. 10은 초기선형의 설계흘수(7.5 m), 설계속도(15 노 트)에서의 저항시험 모습을 보여주고 있다.
Fig. 10 Resistance test of the initial hull form at design draft(15 knots)
Fig. 11 Powering performance prediction for the initial hull form
자항시험에서 계측된 선속별 프로펠러 회전수와 토크 및 추 력 값들을 이용하여 해석된 결과를 Fig. 11의 속도-마력 곡선 으로 보인다. 50%의 엔진 출력에서의 설계흘수 속도는 약 15.05 노트로 추정되었고, 발라스트 흘수에서는 약 16.15 노 트로 추정되었다.
4. 개선 선형설계
4.1 선형 개선안
극지해역에서 운용가능한 PSV 초기선형의 모형시험 결과를 살펴보면, 빙해역 평탄빙에서의 연속 쇄빙성능과 개수로에서의 저항추진성능 측면에서 만족스러운 결과를 보였다. 극지용 PSV에 사용되는 선회식 전기추진시스템으로는 아지무스 (Azimuth) 추진기와 포드(Pod) 추진기가 있는데 초기선형에 는 아지무스 추진기가 적용되었다. 선미부 선형을 개선하면서 포드 추진기를 설치할 수 있도록 수정하였으며, 선미방향으로 의 충격쇄빙(Ramming)이 가능하도록 선미각을 29°로 만들고 이에 맞추어서 선미끝단을 수정하였다. Fig. 12에 개선선형을 도시하였다. 개선선형의 선수부는 초기선형의 선수부과 동일하 며 선미부분의 추진기 설치 위치와 선미 끝단의 형상이 수정되 었다.
Table 7에서 극지해역 운항 PSV의 초기선형과 개선선형의 주요목을 함께 비교하였다. 발라스트 흘수에서 개선선형이 초 기선형보다는 더 많은 화물적재량을 확보할 수 있도록 배수량 을 키웠다.
Table 7 Comparison of the principle particulars of the initial hull form and the improved hull form
Model Ship ICE BREAKER PSV
(KS1654 / KS1713)
Lpp (m) 96
B (m) 24
D (m) 9.85 / 12.0
Scale(λ) 19.587
Propeller KP811-2 / KP1038-9 (Propeller Dia. 4.2m) Loading condition Design Ballast
Tf(m) 7.5 4.158 / 6.561
Ta(m) 7.5 5.633 / 6.838
Cb 0.58 / 0.582 0.468 / 0.547 Cw 0.898 / 0.911 0.668 / 0.856
Cm 0.888 0.848 / 0.879
Cp 0.654 0.552 / 0.622
LCB (%) 0.733 / 0.58 2.837 / 0.91 KB(m) 4.444 / 4.429 2.804 / 3.943 Vol (m
3) 10027 / 10051 5288 / 8439
Fig. 12 Improved hull form of PSV
스톡(Stock)추진기로 쓰인 KP1038/1039 프로펠러는 초기 선형에서 사용된 프로펠러와 같은 형상 정보를 가지고 있고 포 드 추진기를 채택하였기 때문에 추력만 반대방향이다.
4.2 개선선형의 개수로 모형시험
Fig. 13은 제작된 개선선형 모형선(KS1713)의 선수와 선미 형상을 보여주고 있다. 초기선형에서 변경된 부분으로는 추진기가 아지무스 추진기에서 포드 추진기로 바뀌었으며 포드 추진기 부근 의 유선의 흐름을 고려해서 4°의 종방향 경사 각도를 주었다.
Fig. 13 Bow and stern parts of the improved hull form model ship
작업 중 PSV의 횡동요 성능을 개선하기 위하여 개선선형에 는 빌지 킬(Bilge keel)이 적용되었으며 모형선에도 설치되었 다. 초기선형의 개수로 시험에서 수행한 유선조사시험을 참고 로 하여 선체의 선저 중앙만곡부(Station 7.8 ~ 12.2)에 빌 지 킬을 부착하였다.
Fig. 14에는 모형선에 설치된 빌지 킬을 보인다.
개수로에서의 성능을 평가하기 위하여 설계 흘수와 발라스 트 흘수에서 저항시험과 자항시험이 수행되었다.
선미부의 수정량이 작기 때문에 저항성능 상에 차이는 미미 하였으며, 파형의 형태도 차이가 없었다.
Fig. 14 Bilge keel of the model ship of the improved hull form
자항시험 결과로부터 Fig. 15와 같은 속도-마력 곡선을 얻 었다. 개수로에서의 운항 조건인 50% 엔진출력에서 설계 흘수 의 선속은 초기선형보다 0.25 노트 높은 약 15.3 노트로 추정 되었고 발라스트 흘수의 선속은 약 15.4 노트로 추정되었다.
발라스트 흘수에서의 속도 차이가 크게 나타난 이유는 초기선 형과 개선선형의 흘수 차이에서 발생한 것이다.
Fig. 15 Comparison of the powering performance prediction results in the open water of the improved and initial hull forms
4.3 개선선형의 모형빙 및 빙 자항시험
개선선형에 대한 빙 자항시험은 초기선형과 거의 동일한 조 건에서 수행되었다. 모형빙 생성 상태에 따라서 모형빙 두께는 51mm, 굽힘강도는 29.7kPa로서 약간의 차이가 있었다. 실선
으로 확장시키면 빙두께 약 1.0m, 강도 581 kPa에 해당하는 조건이다. Fig. 16은 개선선형에 대한 빙 자항시험 모습을 보 여주고 있고, Fig. 17은 선저로 지나가는 빙편들의 수중 영상 을 보여준다. 개선선형과 초기선형은 동일한 선수부를 가지고 있으므로 수중영상에 보여지는 빙편들의 움직임도 거의 동일한 형태를 보이고 있다. 다만, 포드 추진기로 인해서 초기선형에 비해서 빙편이 프로펠러로 더 많이 유입되는 현상을 볼 수 있 다. 빙편들이 프로펠러에 지속적으로 유입되면 추력 손실과 프 로펠러 날개의 구조적 손상을 초래할 수 있으므로 선형 및 추 진기 설계 시 이에 대한 고려를 하여야 한다.
Fig. 16 Towed propulsion test in a level ice condition of the improved hull form
Fig. 17 Underwater feature of the stern part of the improved hull form
4.4 개선선형의 빙 자항시험 결과
Table 8에는 빙 두께와 빙 강도 보정을 통해 추정된 개선선 형의 빙 성능 추정결과를 보여준다. 빙 해역에서의 성능 목표 가 엔진출력 13MW에서 3노트로 연속 쇄빙할 수 있는 것인데 본 결과는 초기선형 보다 더 개선된 결과를 보여주고 있다.
Table 8 Powering performance of the improved hull form(Level ice thickness = 1.0m)
V(kts) RPM Rice(kN) PD(kW)
1.0 91.48 672 4234
3.0 112.61 893 8835
5.0 131.03 1205 13663
Fig. 18 Comparison of speed vs power curves of the improved and initial hull forms
Fig. 18은 개선선형의 선속에 따른 요구 엔진마력 추정 결 과를 도시한 것으로, 최대 엔진마력 13MW에서 빙 해역 운항 목표로 설정한 1.0 m 두께의 평탄빙을 약 4.8노트의 속도로 연속 쇄빙할 수 있으며, 3노트의 선속에서 연속쇄빙은 약 8.8MW의 엔진마력으로 가능할 것으로 판단된다. 이는 초기 선형보다 엔진마력 관점에서 빙 추진성능이 약 4% 향상된 것 이다.
5. 결 론
본 논문에서는 극지 해역에서 운용 가능한 PSV의 선형 설계 필요성과 설계 과정 그리고 설계 선형에 대한 예인수조와 빙해 수조에서의 모형시험과 저항추진 성능평가 결과를 다루었다.
우선 극지 운항용 PSV의 주요목 선정을 위해 국내․외 실적 선을 조사하였고 이를 바탕으로 기본제원과 엔진출력을 선정하 였으며, 선형설계는 유사 실적선으로 보유하고 있는 쇄빙연구 선 ‘아라온’을 모선으로 수행 되었다.
선형설계 시 아라온 선형의 Cp 곡선을 이용하여 선수 형상 이 다른 세 가지 선형을 설계하였고, 경험식을 이용하여 빙 저 항을 추정하고 이를 통하여 세 가지 선형 가운데 빙 저항추정 값이 가장 작은 선형을 초기선형으로 선정하였다. 초기선형의 선수부는 선수각 30° 를 가지는 스푼형 선수 형상으로 설계하 여 쇄빙 능력을 향상시켰고, 선미부는 선회식 전기추진 시스템 을 적용하면서 넓은 선미 작업 갑판을 확보할 수 있도록 바지 형 선미 늑골 형상 개념을 적용하여 설계하였다.
초기선형에 대하여 개수로 모형시험과 빙해수조 빙 자항시 험을 수행하여 빙 해역에서 13 MW의 최대 출력으로 1.0 m 두께의 평탄빙을 3노트의 속도로 연속 쇄빙하는 것과 50% 출 력으로 일반 해역에서 15노트의 속도로 운항하는 설계 목표를 달성하였다.
개선선형은 선미부에 포드 추진기를 설치할 수 있도록 선미 선형을 수정하였다. 모형시험 결과 초기선형에 비해서 좀 더 개선된 모형시험 결과를 얻었다. 개선선형의 경우 최대 엔진출
력을 25% 정도 낮추어도 극지 해역에서 설계 목표를 만족하 는 것으로 나타났다.
향후 PSV 선형의 빙 선회성능 평가와 양방향 쇄빙을 위한 선형 설계, 깨진 빙편이 추진기에 미치는 영향 등에 대한 연구 가 필요하다고 생각 된다.
후 기
본 논문은 산업통상자원부에서 국내 중소조선 산업의 발전 을 위하여 2012년 6월부터 2016년 5월까지 4차년간 지원한 산업원천기술개발사업인 “극지 환경 조건을 고려한 PSV 핵심 기술 개발(PNS1930)”과 해양수산부의 “북극항로 운항선박용 항해안전지원시스템 개발(PMS3640)”에 의해 수행된 결과의 일부입니다.
References
Arctech, Homepage//References, Multifunctional icebreaking supply vessels, Available at: http://arctech.
fi/ships/nb-506-nb-507/.html [Accessed 23 July 2018]
Kim, E.C. & Yang, S.I., 1987. The development of the analysis program for the resistance and propulsion test result. Bulletin of KIMM, 17.
Leiviska, T., 2005. Ice model tests of the korean research vessel with azipod and aquamaster unit. HUT Report.
Ryu, C.H., Kim, H.S., Park, K.D., Lee, C.J. & Lew, J.M., 2013. Development of ice resistance estimation system using empirical formula. 22nd International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions, Espoo, Finland, June 9-13, 2013.
Yum, J.G., Kang, K.J., Lee, C.J., Jeong, S.Y., 2014.
Development of kriso icetank measurement & analysis system based on GUI. Journal of Ships & Ocean Engineering, 55, pp.47-54.
염 종 길 강 국 진 장 진 호 정 성 엽
