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소형선박의 연료절감을 위한 전류고정날개 개발
- Development of energy saving stator for small vessel -
조선대학교 대학원
선 박 해 양 공 학 과
김 현 경
2 0 1 5 년
3 월
석 사 학 위 논 문
소 형 선 박 의 연 료 절 감 을 위 한
전 류 고 정 날 개
김 현 경
2015년 2월
석사학위 논문
소형선박의 연료절감을 위한 전류고정날개 개발
- Development of energy saving stator for small vessel -
2015년 2월 25일
조선대학교 대학원
선 박 해 양 공 학 과
김 현 경
소형선박의 연료절감을 위한 전류고정날개 개발
- Development of energy saving stator for small vessel -
지도교수 이 귀 주
이 논문을 선박해양공학 석사학위신청 논문으로 제출함
2014년 10월 15일
조선대학교 대학원
선 박 해 양 공 학 과
김 현 경
김현경의 석사학위논문을 인준함
위원장 조선대학교 교 수 권 영 섭 (인) 위 원 조선대학교 교 수 이 귀 주 (인) 위 원 CIP 정책기획단 선임연구원 안 정 선 (인)
2014년 11월
조선대학교 대학원
-i-
목 차
제 1장 서론 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1
제 1절 개발대상기술의 개요 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1
제 2절 기술개발의 필요성 및 중요성 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 2
제 3절 관련기술 현황 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 6
제 2장 연구개발 내용 및 방법 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 2 제 1절 연구개발 내용 및 방법 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 2
제 3장 결론 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 1 1
표 목 차
Table. 1-1 Chemical Tanker의 Eco-Stator 부착 후 에너지 절감효과 비교 ···4
Table. 1-2 외국기관(FTC)에서 개발한 연료절약형 부가물 부착선박에 대한 리스트····9
Table. 2-1 Main dimension of ship ···14
Table. 2-2 1차년도 개발 연료절감 부가물 도면 ···15
Table 2-2. 연료절감 부가물 도면(continue) ···16
Table 2-2. 연료절감 부가물 도면(continue) ···18
Table 2-3. Comparison of resistance components ···18
Table 2-4. Results of theoretical calculation by Shipflow ···19
Table 2-5. 실선과 모형선의 주요요목 및 Test condition ···39
Table 2-6. RESISTANCE TEST IN CIRCULATING WATER CHANNEL ···69
Table 2-7. 만재상태 9.5노트에서 모형시험결과 비교 ···70
Table 2-8. 나선상태에서의 모형시험 결과(FULL LOAD) ···71
Table 2-9. 부가물 부착상태에서의 모형시험 결과(FULL LOAD) ···72
Table 2-10. Main particulars of Towing Tank in Hiroshima university ···83
Table 2-11. Main dimension of ship and model ···84
Table 2-12. Main characteristics model propeller ···85
Table 2-13. Test conditions ···88
Table 2-14. 저항시험 결과(나선상태) ···89
Table 2-14. 저항시험 결과(나선상태_continue) ···90
Table 2-15(a) 자항시험결과(나선상태) ···100
Table 2-15(b) 자항시험결과(BF부착상태) ···101
Table 2-15(c) 자항시험결과(Duct부착상태) ···102
Table 2-15(d) 자항시험결과(R.Fins부착상태) ···103
Table 2-15(e) 자항시험결과(BF+Duct부착상태) ···104
Table 2-15(f) 자항시험결과(BF+R.Fins부착상태) ···105
Table 2-15(g) 자항시험결과(Duct+R.Fins부착상태) ···106
Table 2-15(h) 자항시험결과(BF+Duct+R.Fins부착상태) ···107
Table 2-16 속도와 부가물 미/부착별에 대한 제동마력(kW) ···110
Table 2-17 나선상태와 연료절감 부가물의 제동마력 차이(%) ···110
-iii-
도 목 차
Fig. 1-1 국내 및 국외의 온실가스 감축 목표 ···1
Fig. 1-2 기존의 연료절감형 부가물 형상 ···2
Fig. 1-3 선박으로부터 발생하는 환경오염 ···5
Fig. 1-4 Ecoship project 기본 계념도 ···8
Fig. 1-5 국외에서 개발한 부가물 ···8
Fig. 2-1 Lines of car ferry ···13
Fig. 2-2 Modeling of hull ···14
Fig. 2-3 Four Different Configuration of Energy Saving Device ···12
Fig. 2-4 Resistance components vs Fn ···18
Fig. 2-5 Fn vs propulsion coefficients ···19
Fig. 2-6(a) Comparison of potential flow streamlines ···20
Fig. 2-6(b) Comparison of potential flow streamlines ···20
Fig. 2-6(c) Comparison of potential flow streamlines ···21
Fig. 2-6(d) Comparison of potential flow streamlines ···22
Fig. 2-6(e) Comparison of potential flow streamlines ···23
Fig. 2-7(a) Comparison of Stream line ···23
Fig. 2-7(b) Comparison of Stream line ···24
Fig. 2-7(c) Comparison of Stream line ···25
Fig. 2-7(d) Comparison of Stream line ···25
Fig. 2-7(e) Comparison of Stream line ···26
Fig. 2-8(a) Comparison of Stream line ···27
Fig. 2-8(b) Comparison of Stream line ···28
Fig. 2-8(c) Comparison of Stream line ···28
Fig. 2-8(d) Comparison of Stream line ···29
Fig. 2-8(e) Comparison of Stream line ···30
Fig. 2-9(a) Stern flow direction ···30
Fig. 2-9(b) Stern flow direction ···31
Fig.2-9(c) Stern flow direction ···32
Fig.2-9(d) Stern flow direction ···33
Fig.2-9(e) Stern flow direction ···34
Fig. 2-10(a) Comparison of the / (Bare Hull) ···34
Fig. 2-10(b) Comparison of the / (BF1) ···35
Fig. 2-10(c) Comparison of the / (BF2) ···36
Fig. 2-10(d) Comparison of the / (BF1+LS) ···36
Fig. 2-10(e) Comparison of the / (LS) ···37
Fig. 2-11(a) Comparison of the (Bare Hull) ···38
Fig. 2-11(b) Comparison of the (BF1) ···39
Fig. 2-11(c) Comparison of the (BF2) ···39
Fig. 2-11(d) Comparison of the (BF1+LS) ···40
Fig. 2-11(e) Comparison of the (LS) ···41
Fig. 2-12(a) Comparison of the (Bare Hull) ···41
Fig. 2-12(b) Comparison of the (BF1) ···42
Fig. 2-12(c) Comparison of the (BF2) ···43
Fig. 2-12(d) Comparison of the (BF1+LS) ···44
Fig. 2-12(e) Comparison of the (LS) ···44
Fig. 2-13(a) Comparison of the wakefraction (Bare Hull) ···45
Fig. 2-13(b) Comparison of the wakefraction (BF1) ···45
Fig. 2-13(c) Comparison of the wakefraction (BF2) ···46
Fig. 2-13(d) Comparison of the wakefraction (BF1+LS) ···47
Fig. 2-13(e) Comparison of the wakefraction (LS) ···48
Fig. 2-14(a) Comparison of the vtr (Bare Hull) ···48
Fig. 2-14(b) Comparison of the vtr (BF1) ···49
Fig. 2-14(c) Comparison of the vtr (BF2) ···49
Fig. 2-14(d) Comparison of the vtr (BF1+LS) ···49
Fig. 2-14(e) Comparison of the vtr (LS) ···50
Fig. 2-15(a) Comparison of the wake (Bare Hull) ···51
Fig. 2-15(b) Comparison of the wake (BF1) ···51
Fig. 2-15(c) Comparison of the wake (BF2) ···52
Fig. 2-15(d) Comparison of the wake (BF1+LS) ···52
Fig. 2-15(e) Comparison of the wake (LS) ···53
Fig. 2-16(a) Comparison of Wake in (Bare Hull) ···53
Fig. 2-16(b) Comparison of Wake in (BF1) ···54
Fig. 2-16(c) Comparison of Wake in (BF2) ···55
Fig. 2-16(d) Comparison of Wake in (BF1+LS) ···55
Fig. 2-16(e) Comparison of Wake in (LS) ···56
Fig. 2-17(a) Comparison of Wake in (Bare Hull) ···57
Fig. 2-17(b) Comparison of Wake in (BF1) ···57
Fig. 2-17(c) Comparison of Wake in (BF2) ···58
Fig. 2-17(d) Comparison of Wake in (BF1+LS) ···59
Fig. 2-17(e) Comparison of Wake in (LS) ···59
Fig. 2-18(a) Comparison of Wake in (Bare Hull) ···60
Fig. 2-18(b) Comparison of Wake in (BF1) ···61
Fig. 2-18(c) Comparison of Wake in (BF2) ···61
Fig. 2-18(d) Comparison of Wake in (BF1+LS) ···62
Fig. 2-18(e) Comparison of Wake in (LS) ···63
Fig. 2-19 CWC Model Ship with Appendage ···65
Fig. 2-20 TT Model With Appendage ···66
Fig. 2-21 모형시험 장면 ···67
Fig 2-22 만재상태에서 속도-마력 곡선 ···73
-v-
Fig. 2-23 Calibration of rps vs ···74
Fig. 2-24 Model wake() vs for with and without BF1 ···74
Fig. 2-25 vs for Without BF1 and With BF1 condition ···74
Fig. 2-26 vs for Without BF1 and With BF1 condition ···75
Fig. 2-27 1-t vs for Without BF1 and With BF1 condition ···75
Fig. 2-28 1-w vs for Without BF1 and With BF1 condition ···75
Fig. 2-29 vs for Without BF1 and With BF1 condition ···76
Fig. 2-30 vs for Without BF1 and With BF1 condition ···76
Fig. 2-31 vs for Without BF1 and With BF1 condition ···76
Fig. 2-32 프로펠러 단면에서의 유동계산 결과 ···77
Fig. 2-33 부가물 단면에서의 유동계산 결과 ···77
Fig. 2-34 2차년도에 개발한 연료절감 부가물의 type 별 2D 도면 ···78
Fig. 2-34 2차년도에 개발한 연료절감 부가물의 type 별 2D 도면 (continue) ···79
Fig. 2-35 2차년도 개발 연료절감 부가물 전체 도면 ···80
Fig. 2-35 2차년도 개발 연료절감 부가물 전체 도면(continue) ···81
Fig. 2-35 2차년도 개발 연료절감 부가물 전체 도면(continue) ···82
Fig. 2-36 Photo of Towing Tank of Hiroshima Univ. ···83
Fig. 2-37 Hull model ···84
Fig. 2-38 Propeller model ···85
Fig. 2-39 Photo of Energy Saving Devices ···86
Fig. 2-39 Photo of Energy Saving Devices(continue) ···87
Fig. 2-40 Resistance force ···92
Fig. 2-41 Total Resistance coefficient ···92
Fig. 2-42 Residual resistance(rR) ···93
Fig. 2-43 Wave-making resistance(rW) ···93
Fig. 2-44 Trim angle ···94
Fig. 2-45 Actual ship sinkage ···94
Fig. 2-46 모형시험 장면(Front view) ···95
Fig. 2-46 모형시험 장면(Front view_continue) ···96
Fig. 2-46 모형시험 장면(Side view_continue) ···97
Fig. 2-46 모형시험 장면(Side view_continue) ···98
Fig. 2-47 EHP vs Vs ···108
Fig. 2-48 BHP vs Vs ···108
Fig. 2-48 BHP vs Vs(continue) ···109
Fig. 2-49 나선상태 및 BF부착상태에서의 제동마력-속도 곡선 ···109
ABSTRACT
Development of energy saving stator for
small vessels
Kim Hyunkyoung
Advisor : Prof. Lee Kwijoo, Ph.D.
Department of Naval Architecture & Ocean Engineering,
Graduate School of Chosun University
This thesis has covered the result about the energy saving stator for small vessels. This new Pre-swirl type appendage is attached to the port bow and the starboard symmetrically and has a role of controlling the inefficient flow.
Different designs of seven types have been analyzed by CFD calculation and the model test in the towing vessel has been conducted in every case. Fin attached to the port bow was designed to induce the flow of the propeller and distribute wake equally on the side of the propeller by reducing wake peak. This played a part of reducing the loss of energy between the propeller and the port bow. In comparison with the conventional stator, this short Fin showed the same effect as the existing one and as the result of the towing tank test it was expected to get an effect of 6.4% hp reduction in the loaded condition at a planned speed.
-1-
제 1 장 서론
제 1 절 개발대상기술의 개요
세계 38개 선진국은 전 세계의 이산화탄소 배출량을 줄이기 위해 2008년부 터 2012년까지 교토의정서(기후변화협약)에 따라 자국에 할당된 이산화탄소 배출량 감축을 시행하고 있다. 한국은 교토의정서상 38개 의무감축국에서 제 외 됐지만 1990년 이후 제조업 중심의 경제성장으로 온실가스 배출량이 2배 가량 급격히 증가해 OECD 가입국 중 증가율 1위와 온실가스 배출량 9위를 기 록했다. 이에 2010년 4월 녹색성장법이 시행되었으며 Fig. 1-1에서 볼 수 있 듯이 2020년까지 국가 온실가스 중기 감축목표를 2005년 대비 4%(배출전망치 대비 30%) 수준으로 최종 확정했다.
국제해사기구(IMO)는 선박에서 발생하는 온실가스를 줄이고자 기술적, 운영 적, 시장기반적 조치를 제안하였고, 기술적 조치와 운영적 조치는 2013년 1월 1일부터 전 세계 선박을 대상으로 적용하기 시작한다. 현재 국제해사기구에서 는 세 번째 온실가스 저감조치인 시장기반조치(Market based measure)에 대한 논의가 한창이다. 이에 각국 및 단체들은 자국의 이익에 부합하는 대안을 제 안하였고, 각자가 제안한 대안이 국제해사기구 내에서 채택되기를 기대하며, 다방면으로 노력하고 있다.
온실가스 저감을 위한 세계 동향에 맞추어 앞으로의 선박 기술은 새로운 친 환경 기술을 이용한 개발로 이어질 것으로 판단된다. 이를 위하여 친환경 선 박설계기술, 연료절감을 위한 추진시스템 구축 등 선박을 효율적으로 유지하 고 관리하기 위한 각종 신기술들이 적극적으로 인식되고 있다.
Fig. 1-1 국내 및 국외의 온실가스 감축 목표
현재 국내에서는 대형선박의 에너지절감에 대한 관심도는 높은 편이지만 소형선 박의 에너지절감에 대한 관심도는 낮을뿐더러 관련 연구는 거의 이루어지지 않고 있는 실정이다. 반면에 조선기술 선진국인 유럽 및 일본에서는 소형선박에 대한 관심도도 높으며 에너지 절감을 위한 연구도 많이 이루어지고 있다.
본 연구에서는 현재 소형선박을 대상으로 에너지 절감에 대한 연구를 여러 차례 수행한 외국의 우수 연구기관과 공동으로 소형선박을 위한 연료절감 및 속도개선 선미부가물을 개발하였다. 외국의 연구기관이 기존에 개발한 연료절감 선미부가물 은 Fig. 1-2의 형상이며 시운전을 통하여 취부전과 비교하여 취부후의 연료절감 효과는 3% 이상이었다. 이 부가물은 용접강도상 stator span 크기에 제약이 있고 유동유입의 조절이 어려운 단점이 있어, 이를 보완하여 설치에도 용이하고 선박운 항시 온실가스 저감과 연료를 절감할 수 있는 새로운 부가물을 개발하였다.
-2-
좌현 우현 좌현 우현
Fig. 1-2 기존의 연료절감형 부가물 형상
제 2 절 기술개발의 필요성 및 중요성
1. 기술적 측면
현재 우리나라는 선박 수주량에서 세계 1,2위를 다투고 있다. 그러나 건조선박 의 대부분이 유조선, 산적 화물선 등 일반 화물선이 주종을 이루고 있다. 이로 인 해 건조 선박의 총톤수(GT)는 많지만 최근 Green Ship 관련 고부가가치를 고려한 compensated gross tonnage (CGT)의 관점에서는 아직도 많이 부족한 실정이다. 이 러한 선박은 유럽, 일본 등 조선 선진국에서 점유해온 선종으로 유체성능과 친환 경측면이 일반 상선에 비해 특히 중요시되는 선박으로. 우리나라 조선 산업이 향 후 앞으로도 세계 1위를 유지하기 위해서는 이러한 고부가가치선의 설계 기술에서 선진국 수준을 보장할 수 있어야만 경쟁력을 확보할 수 있다.
추진효율 향상을 위한 복합 추진 장치(Compound Propulsor)의 개발은 조선기술 선진국인 유럽 및 일본을 중심으로 새로운 장치의 개발에 많은 노력을 투입하고 있는 연구 분야이다. 현재까지 개발된 복합 추진 장치로는 상반회전 프로펠러 (Contra-Rotating Propeller), Vane wheel 추진 장치, 덕트 추진 장치 등이다.
본 연구과제로 제안하는 복합 부가물은 프로펠러에 의해 유기되는 접선속도와 반대방향인 접선속도(Counter-swirl)를 주기 위하여 프로펠러 전방에 비대칭 고정 날개를 설치함으로써 고정날개-프로펠러 추진시스템 후류에서의 회전방향 운동에 너지의 손실을 최소화함으로써 추진효율향상을 꾀하기 위한 장치다. 이와 같이 추
진효율 향상을 위한 추진 시스템은 새로운 개념이 아니며 현재 몇 가지의 형태로 대형선박에 실용화되어 많은 실적선을 갖고 있다. 하지만 본 연구에서 개발하고자 하는 복합 부가물은 핀과 전류고정날개를 같이 부착한 형태로 기존의 stator와는 조금 다르며 우리나라에서는 연구되지 않았다.
본 연구를 함께 수행할 외국기관인 일본의 FTC는 1995년부터 이러한 연구를 계 속적으로 수행해 왔으며 100척 이상의 실적선 데이터를 보유하고 있다. 한국의 선 박관련 설계 기술은 세계에서 가장 우수한 편이지만 소형선박용 연료절감 부가물 에 대한 연구가 거의 이루어지지 않아 실적선 데이터가 전무한 실정이다. 그러므 로 1차적으로 일본과 공동으로 연구를 수행하고자 하며, 소형 조선소가 밀집해 있 는 전남지역의 조선경쟁력 우위 유지와 국제공동연구를 통한 기술이전 면에서 매 우 중요하다.
2. 경제적 측면
기존 에너지 절약장치 중 현재 가장 효과적이고 실제적으로 큰 문제없이 적용 되어 온 에너지 절약장치인 전류고정날개는 이미 1990년대 초부터 Mitsubishi조선 소에서 VLCC에 적용하였다. 이는 국내에서 건조되고 있는 VLCC 대비 속도경쟁력이 있는 것으로 보고되고 있다. 국내 조선소의 설계수준이 높고 시운전에 의한 차이 가 조금 있다하더라도 상당부분 전류고정날개에 의한 효과가 있는 것으로 분석되 고 있다. 전류고정날개 추진 장치는 상반회전 프로펠러에 비하여 축계가 복잡해지 지 않고 설치가 용이하기 때문에 초기 설치비가 저렴할 뿐 아니라 운항 중 고장의 염려가 적다는 이점이 있다.
대형선박에 적용할 전류고정날개에 대한 국내에서의 연구는 1990년대 초부터 끊임없이 KRISO를 중심으로 이어 왔고 KRISO에서 최종적으로 개발된 기존 전류고 정날개의 모형시험 결과 전류고정날개를 부착하지 않았을 때 대비 약 4~5%정도의 에너지 절감효과가 있는 것으로 나타났다. 이를 전류고정날개 단가로 환산하여 계 산하면 44만 불 투자된 비용을 약 2년 반 만에 회수할 수 있고 선박 수명을 25년 으로만 보아도 전체적으로 약 400만 불의 에너지 절감효과가 있다고 할 수 있다.
본 연구를 공동으로 수행 할 외국기관에서는 Eco-Stator를 개발하여 소형선박에 취부한 후 1년 동안 4% 정도의 에너지 절감효과를 보았으며 그 결과를 아래 표에 나타내었다. 표에서 알 수 있듯이 1년간 3천 2백만원 정도의 절감효과가 있었음을
-4-
확인 할 수 있고 Eco-Stator를 제작하고 설치한 비용을 감안할 시 1년 7개월 만에 그 비용을 회수할 수 있었으며 선박 수명을 25년으로만 보아도 척당 8억 정도의 에너지 절감효과가 있다고 할 수 있다. 본 연구에서 개발하고자 하는 연료절감부 가물의 성능을 최대 6%로 예상하여 계산한 결과를 Table 1-1에 나타내었다.
Table 1-1 Chemical Tanker의 Eco-Stator 부착 후 에너지 절감효과 비교 Kind of
Vessel Chemical
Tanker Chemical Tanker GrossTonage(domestic) GrossTonage(international) Principal Dimension
Lpp m 67 67
B m 12.5 12.5
D m 4.55 4.55
MainEngine
M/EMaxOutput kW 1471 1471 NormalOutputRatio % 80% 80% NormalOutput kW 1177 1177 Operatingdayperone
year day/year 292 292
Fuel
SpecificFuelOil
Consumption(SFOC) g/kW・hr 217 217 FuelOilConsumption ton/day 6.1 6.1
FuelOil
Price(international) $/ton US$400.00 US$400.00 Gaindueto "Eco-Stator" ％ 4% 6%
FuelOil
Saving
① Saving L/day 298.8 298.8 SavingAmountofF.O.C. ton/year 71.6 107.4 Operationterm year 1 1 SavingCostperone year 1000won 32,000 47,300 SavingCostperone
year(international) US$ US$28,634 US$42,950 Eco-StatorPrice(ForJapaneseusers) 1000won 40,000 40,000 Paybackyear years 1.9 1.2
Another requiringcost(dependentoncasebycase) Workingcostinshipyardforinstalling 1000won 10,000 10,000 Totallyat mostthreedaysby3workers
InspectionfeebyCLASS 1000won 5,000 5,000
3. 사회적 측면
1997년 일본 교토에서 지구온난화가스(GHG, Green House Gas)의 삭감 목표를 정 한 “교토의정서”가 채택되었다. 교토의정서에 의하면 선진 공업국은 온실가스 배출량을 1990년 배출량 기준으로 2008년~2012년까지 평균 5%이상을 감축해야한 다. 특히 운송 분야에 있어서는 Fig. 1-3에 나타난 것과 같이 선박의 운항에 따라 많은 종류의 환경오염이 발생되고 있다. 선박으로부터 발생하는 환경오염에 대한 대책으로서 국제해사기구(IMO)는 선박에서 발생되는 오염물질 등에 대한 규제를 강화하는 한편 새로운 해사환경협약의 채택 및 발효를 강력히 추진하고 있다.
이렇듯 환경오염에 의한 지구온난화가 세계적으로 이슈화되고 있는 시점에서 목 적과 상황에 맞는 연료절감 부가물을 통해 에너지 절감과 환경오염을 최소화할 수 있다.
Fig 1-3 선박으로부터 발생하는 환경오염
-6-
제 3 절 관련기술 현황
1. 국내 관련기술 현황
고효율 친환경 선박 개발에 대한 연구가 대형 조선소와 연구소에서 대형선박 위 주로 진행되고 있다. 대우조선해양은 최근 선미 프로펠러 앞부분에 전류고정 날개 를 설치한 초대형유조선의 시운전을 성공적으로 마쳤다.
삼성중공업은 최근까지 20척의 선박에 ‘세이버 핀(SAVER Fin)’을 선주들의 요 청에 따라 부착했으며 60여척의 선박이 장착을 대기 중으로, 총 85척에 이르는 선 박에 날개를 부착하기로 확정했다. 현대중공업은 추력날개(Thrust Fin)는 프로펠 러 뒤에 있는 방향타에 장착돼 추진력을 극대화하는 비행기 날개 모양의 장치로, 추력날개 장착으로 3∼4%의 연료절감 효과가 있어 하루에 300톤 이상 연료가 들어 가는 대형 컨테이너선의 경우 연료비 절감효과가 크다.
현재 소형선박에 대한 연구는 전무한 실정이며 또한 본 연구에서 수행하고자 하 는 연료절감 부가물에 대한 연구는 전 세계적으로 수행한 적이 없다.
▪전류고정날개-대우조선해양
▹ 기존 선박에 비해 약 3~4% 가량의 연료 절감 효과
▹ 같은 연료를 사용할 경우 약 0.24노트 정도의 속도 증가 효 과
▹ 장비 설치를 위해 투입된 비용도 선종이나 유가에 따라 다 르지만, 6개월에서 1년 정도만 운항하면 충분히 회수할 수 있 을 정도로 경제성을 가지고 있음.
[출처 : 메탈넷코리아(대우조선해양, 전류고정날개-PSS기술)]
▪세이버 핀-삼성중공업
▹ 선체의 진동을 50%이상 감소시켜 3~4%의 연료를 절약하는 효 과
▹ 유류비 4% 절감을 연간 비용으로 환산한 경제적 효과는 선 박이 1년간 사용하는 유류비로 환산한다면, 선박 가격의 20~30%에 달함.
▹ 장치의 구조적 안정성과 적용성이 뛰어나 다양한 종류의 선 박에 부착할 수 있는 것도 세이버 핀의 강점.
[출처 : ⓒ 매일경제 & mk.co.kr, 무단전재 및 재배포 금지
‘조류흐름 정확히 감지해 연료비 절감’ ]
▪추력날개-현대중공업
▹ 3~4% 가량의 연료절감 효과
▹ 유가를 감안하면 추력날개를 장착할 경우 컨테이너선 1척 이 연간 240만 달러(약 24억원)를 절감
[출처] 현대중공업 추력날개|작성자 오자룡
2. 국외 관련기술 현황
국외기술개발의 동향은 크게 유럽의 ECOSHIP, TRESHIP project 그리고 일본의 SuperEcoShip projects를 통해 살펴볼 수 있다. 유럽의 Ecoship project는 “에너 지절감/저공해 선박 추진기 및 관련 시스템을 실현하고 설계와 건조단계에서부터 이 시스템에 대한 선박 lifecycle이 고려된 환경적 책임을 완성하는 선박 창조”
에 목표를 두고 있다. 일본의 SuperEcoship 역시 비슷한 내용을 담고 있다. 구체 적인 CAD-CFD 기술 그리고 모형시험을 통해 효율성 높은 선형개발을 하고 전기추 진방식에 맞는 프로펠러개발에 연구를 집중하고 있다. 일본을 중심으로 선박기술 선진국에서는 이미 전류고정날개와 같은 에너지절감장치를 개발하여 주도권을 쥐
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고 있다. (대표적 회사:MHI, IHIMU, Fluid Techno) 선박관련 산업과 기술면에서 높은 수준인 일본은 향후에도 지속적으로 국제 경쟁력을 강화하여 세계 제 1위 조 선국의 위치를 더욱 공고히 하기 위해 범국가적으로 Challenge 21계획이라는 선박 해양기술개발정책을 수립하여 연구개발을 체계적으로 추진하고 있다.
Fig. 1-4 Ecoship project 기본 계념도
수평식그룹
Preswirl stator group Rudder bulb group
Fig. 1-5 국외에서 개발한 부가물
본 연구의 외국기관(FTC)에서 개발한 연료절약형 부가물 부착선박에 대한 리스 트를 Table 1-2에 도시하였다. Fluid Techno Co.,Ltd.(FTC)는 연료절약형 부가물 에 대하여 1995년부터 연구를 시작하였으며 2002년 7월 소형선박에 부가물 (Eco-Stator) 부착을 시작으로 현재까지 100척 이상에 적용하였다.
Table 1-2 외국기관(FTC)에서 개발한 연료절약형 부가물 부착선박에 대한 리스트
제작일 선종 Lpp 제작일 선종 Lpp
2002-07 199ｔ 화물선 52.4 2008-05 14000DW 화물선 119.5 2003-09 499ｔ 화물선 60.9 2008-05 4999GT 시멘트선 108 2003-10 749T container ship 85 2008-05 7800 시멘트선 120 2005-01 유람선 24 2008-06 19500MT CARGO 136 2005-01 499t화물선 67 2008-06 999GT 액체암모니아 66.5 2005-07 749GT LPG 63 2008-06 14000GT bulk carrier 143 2005-07 999GT LPG 66.5 2008-06 6000T 시멘트운반선 107 2006-01 chemical tanker 99.8 2008-07 749GT LPG 63 2006-04 8500DWchemical tanker 108.5 2008-07 749GT 시멘트운반선 64 2006-04 749화물선 80 2008-07 499GT 화물선 68.5 2006-06 chemical tanker 84.95 2008-08 4413GT 시멘트운반선 107 2006-07 8500DW chemical tanker 108.5 2008-09 749GT 시멘트운반선 64 2006-07 489ｔchemical tanker 60 2008-09 498t 자갈운반선 64 2006-08 499ｔchemical tanker 60 2008-09 749GT 유조선 69 2006-09 10000DW PCTC 112 2008-09 19500MT CARGO 136 2006-09 LPG 65.5 2008-10 2200DWT 71 2006-10 499GT 화물선 70.18 2008-11 560GT chemical 60 2006-10 199ｔ 화물선 51 2008-11 6400㎥ 유조선 99.2 2006-12 749GT Chemical Tanker 69.95 2008-12 4990GT 시멘트운반선 108 2007-01 ６９９型 컨테이너선 80.01 2008-12 19500MT CARGO 136 2007-04 999t LPG 66.5 2009-01 770DWT시멘트 120 2007-04 19500MT CARGO 136 2009-02 10750DWT 석회석운반 117 2007-05 13900DWT 119.5 2009-03 749t chemical 69.95 2007-05 13800DWT 116 2009-03 499GT 화물선 68.5 2007-07 19500MT CARGO 136 2009-04 2200DWT 시멘트 71 2007-09 4990GT 시멘트운반선 108 2009-04 499GT chemical 61.8 2007-09 13800DWT 116 2009-04 시멘트운반선 65 2007-11 499t 유조선 59 2009-05 499GT chemical 62 2007-11 13800DWT 116 2009-06 900DW chemical 52 2007-12 499GT 화물선 70 2009-07 3000GT 시멘트운반선 78 2008-02 코크스운반선 102 2009-07 10000DW 시멘트전용 129 2008-02 749GT LPG 63 2009-09 749GT chemical 68 2008-03 4990GT 시멘트운반선 108 2009-10 749GT 시멘트운반선 66 2008-04 4990GT 시멘트운반선 108 2009-10 24000DW 화물선 149.8 2008-04 499GT 61.5 2009-10 749GT Tanker 66 2008-04 5000T 시멘트 93 2009-10 749GT LPG 63 2008-04 6000T 시멘트 107 2009-10 499T시멘트운반선 55 2008-05 749GT 84 2009-11 499GT 화물선 70.2 2008-05 699T 시멘트 운반선 63.5
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3. 국내․외 시장현황
※ 객관성 있는 산출근거를 바탕으로 개발대상의 기술(제품)에 대한 시장규모 를 제시
(단위 : 억원) 구 분 현재의 시장규모(2010년) 예상 시장규모(2015년)
세계 시장규모 25,000 50,000
국내 시장규모 571 1,000
산출 근거 해양과조선(2010.03)
4. 국내․외 지식재산권 현황
가. 관련 기술․제품의 국내 지식재산권(특허, 실용신안 등) 현황
NO. 국가 출원/우선일 출원/등록번호 출원인 명칭
1 한국 2000/12/01 394485 현대중공업 복합기능 선박용스테이터 2 한국 2000/12/01 394464 현대중공업 Y형상 날개를 가지는
선박용 스테이터 3 한국 2001/07/04 416720 대우조선해양 비대칭 전류고정날개 4 한국 2001/02/08 433598
한국해사기술, 김효철,서정
천
저속 비대선용 연직형 전류고정날개 5 한국 2004/10/14 625847 부산대학교
산학협력단
캐비테이션 성능 향상용 비대칭 전류고정날개 6 한국 2004/10/14 625848 부산대학교
산학협력단
중고속선용 비대칭 전류고정날개 7 한국 2007/11/26 946968 삼성중공업
선박 조종성능 향상 기능을 갖는 전류고정날개
나. 관련 기술․제품의 국외 지식재산권(특허 등) 현황
NO. 국가 출원/우선일 출원/등록번호 출원인 명칭
1 미국 1984/01/03 4801280 Schuit
Johannes 수중 프로펠러용 고정자 2 일본 1984/01/31 1793815 Mitsubishi 선박용 리엑션 피장치 3 미국 1988/03/03 4932908 United
States of America
에너지 효율적인 비대칭 프리-스웰 베인 및 트위스트된
프로펠러 추진 시스템 4 미국 1991/02/08 5209642 United
States of
America 개량된 최적 피치 프로펠러 5 일본 1991/11/14 2948413 Mitsubishi 선박용 레엑션 핀 장치 6 미국 1995/01/18 5549455 Aerostar
Marine Corp.
수중 가변 피치 프로펠러를 위한 허브 배기 유동 개선
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제 2 장 과제개발 내용 및 방법
제 1 절 1차년도 개발 내용 및 방법
1. 연료절감 부가물 개발 대상선박
연료절감 부가물을 개발하기 위한 대상선박은 2축 프로펠러를 가진 57m급 차도 선이다. 차도선은 여객선의 한 종류로서, 여객과 동시에 개방된 적재구역에 차량 등 화물을 수송할 수 있는 선박이다. 대상선박의 lines는 Fig. 2-1에, 3D 형상은 Fig. 2-2에 도시하였으며, 주요요목은 Table 2-1에 나타내었다.
a. Body plan
b. Sheer & half-breadth plan
Fig. 2-1 Lines of car ferry
a. Top view
b. Side view 1
c. Side view 2
-14- d. Stern view
Fig. 2-2 Modeling of hull
Ship Length between perpendiculars 57m
Length at load water line 60.23m
Breadth 13m
Depth 2.9m
Design Draft 1.8m
Table2-1Maindimensionofship
2. 연료절감형 부가물 설계
프로펠러에 의해 유기되는 접선속도와 반대방향인 접선속도를 주어 유동의 흐름 을 균일하게 하기 위하여 프로펠러 전방의 스트럿(strut)에 부가물을 설치하여, 프로펠러 후류에서의 회전방향 운동에너지의 손실을 최소화함으로써 추진효율을 향상시킬 수 있는 연료절감 부가물을 4가지 type으로 설계하였다. Fig. 2-3은 대 상선박 좌현의 strut에 부가물을 부착한 3D형상으로 a의 형상은 bracket fins(BF) 1, b의 형상은 bracket fins(BF) 2, c의 형상은 bracket fins(BF) + long stator(LS), 그리고 d의 형상은 long stator(LS)라고 명명하였다.
1차년도에 개발한 연료절감 부가물의 4가지 type에 대한 자세한 도면은 Table 2-2에 도시하였다.
BF1
<End plate>
Length : 0.65m Breadth : 0.2m
The Z-axis of rotation : 42˚
Origin : (1.65, 1.68, 1.5)
<Fin>
Length : 0.45m Breadth : 0.3m
The Z-axis of rotation : 100˚
Origin : (2, 2.25, 0.545)
BF2
<End plate>
Length : 0.65m Breadth : 0.2m
The Z-axis of rotation : 42˚
Origin : (1.65, 1.68, 1.5)
<Fin>
BF1과 동일
<End plate 2>
Length : 0.65m Breadth : 0.2m
The Z-axis of rotation: -42˚
The X-axis of rotation: 80˚
Origin : (1.68, 2.7, 1.5)
a.BF1 b.BF2 c.BF1+LS d.LS
Fig. 2-3 Four Different Configuration of Energy Saving Device
Table 2-2 1차년도 개발 연료절감 부가물 도면
-16-
Table 2-2 연료절감 부가물 도면(continue)
BF1+LS
<Endplate>
Length:0.65m Breadth:0.2m
TheZ-axisofrotation:42˚
Origin:(1.65,1.68,1.5)
<Fin>
Length:0.45m Breadth:0.3m
TheZ-axisofrotation:100˚
Origin:(2,2.25,0.545)
<LS>
Length:0.705m Breadth:0.2m
TheZ-axisofrotation:100˚
Origin:(2,2.25,0.545)
LS
<LS>
Length:0.705m Breadth:0.2m
TheZ-axisofrotation:100˚
Origin:(2,2.25,0.545)
3. CFD코드를 이용한 이론계산 및 분석
전산 유체 역학(CFD, Computational fluid dynamics)은 유체 현상을 기술한 비 선형 편미분 방정식인 나비에-스토크스 방정식(Navier-Stokes Equations)을 FDM (Finite Difference Method), FEM (Finite Element Method), FVM(Finite Volume Method) 등의 방법들을 사용하여 이산화하여 대수 방정식으로 변환하고, 이를 수 치기법(numerical methods)의 알고리듬을 사용하여 유체 유동 문제를 풀고 해석하 는 것이다. 컴퓨터를 사용하여 공학 문제에서 유체의 상호작용을 시뮬레이션한다.
전산유체역학(CFD)은 널리 선박 설계프로세스에서 사용되며 특히 초기 설계단계 에서 CFD는 중요한 도구로 자리 잡았다.
Shipflow라는 CFD 프로그램을 이용하여 이론계산을 수행하였으며, Shipflow의 첫 번째 버전은 1992년에 FLOWTECH에 의해 발표된 이후 꾸준히 개발되고 있다. 이 프로그램은 선박설계에 최적화되어 있고, RANS 해법 뿐만 아니라 XPAN을 위한 메 쉬(mesh)에 대한 그리드(grid)는 선체형상에서 자동으로 생성된다. 선체모양의 다 양한 종류와 같은 monohulls, multihulls, 세일링 요트 등이 효율적인 중복그리드 기술을 사용하므로 처리 할 수 있다. CFD코드는 배의 성능평가 및 예측 비용을 감소시킨다.
본 연구에서는 Auto CAD를 이용한 제작도면을 바탕으로 Rhino에서 3D로 모델링 한 후 offset file을 만들고 이를 Shipflow에서 불러들여 이론계산을 수행했다.
부가물을 부착한 상태의 Wake를 계산할 때 실선 wake로 확장하는 식인 modified ITTC78을 사용하였고 저항계산, 프로펠러 오픈워터시험 그리고 자항계산을 수행하 였다.
가. 저항계산결과
Shipflow를 이용한 저항계산 결과는 Table 2-3과 같으며, 각 부가물의 형상계수 (k), 조파저항계수(Cw) 그리고 전저항계수(Ct)에 대한 값을 Fig. 2-4에 그래프로 도시하였다. Table 2-3과 Fig. 2-4에서 비교하여 알 수 있듯이 나선상태와 부가물 부착상태에서의 전저항계수값은 거의 유사하였다.
-18-
Table 2-3 Comparison of resistance components
Barehull BF1 BF2 BF1+LS LS k 0.201 0.202 0.222 0.200 0.204 Cw 1.046*10-3 1.046*10-3 1.046*10-3 1.046*10-3 1.046*10-3
Ct 5.266*10-3 5.270*10-3 5.341*10-3 5.263*10-3 5.279*10-3
Fig. 2-4 Resistance components vs Fn
나. 자항계산결과
자항계산도 나선상태와 4가지 type의 부가물 부착상태에 대해 각각 수행하였으 며, 설계속도에서의 결과값은 Table 2-4와 Fig. 2-5에 도시하였고, BF1 type의 연 료절감 부가물의 전달마력(DHP)이 가장 작음을 알 수 있다.
압력분포, stream line, 반류분포, 속도분포 등의 이론계산 결과를 Fig. 2-6부 터 Fig. 2-18에 나선상태 및 부가물 부착상태에 대해 도시하였다.
1-w 1-t Cw K ηH ηO ηR ηD EHP (kW)
DHP (kW) Bare
Hull 0.819 0.894 1.046 0.345 1.093 0.721 1.020 0.804 204 253 BF1 0.814 0.905 1.046 0.329 1.111 0.721 1.026 0.821 204 248 BF2 0.808 0.877 1.046 0.395 1.085 0.721 1.040 0.811 205 253 BF1+LS 0.817 0.904 1.046 0.328 1.107 0.721 1.026 0.818 203 249 LS 0.818 0.905 1.046 0.332 1.106 0.721 1.026 0.818 204 249
Table2-4 ResultsoftheoreticalcalculationbyShipflow
Fig. 2-5 Fn vs propulsion coefficients
-20-
Fig. 2-6(a) Comparison of potential flow streamlines
Fig. 2-6(b) Comparison of potential flow streamlines (BF1, side bow view)
Fig. 2-6(c) Comparison of potential flow streamlines (BF2, side bow view)
-22-
Fig. 2-6(d) Comparison of potential flow streamlines (BF1+LS, side bow view)
Fig. 2-6(e) Comparison of potential flow streamlines (LS, side bow view)
Fig. 2-7(a) Comparison of Stream line(Bare Hull, bottom stern view)
-24-
Fig. 2-7(b) Comparison of Stream line(BF1, bottom stern view)
Fig. 2-7(c) Comparison of Stream line(BF2, bottom stern view)
Fig. 2-7(d) Comparison of Stream line(BF1+LS, bottom stern view)
-26-
Fig. 2-7(e) Comparison of Stream line(LS, bottom stern view)
Fig. 2-8(a) Comparison of Stream line(Bare Hull, persp. stern view)
-28-
Fig. 2-8(b) Comparison of Stream line(BF1, persp. stern view)
Fig. 2-8(c) Comparison of Stream line(BF2, persp. stern view)
Fig. 2-8(d) Comparison of Stream line(BF1+LS, persp. stern view)
-30-
Fig. 2-8(e) Comparison of Stream line(LS, persp. stern view)
Fig. 2-9(a) Stern flow direction(Bare Hull, stern view)
Fig. 2-9(b) Stern flow direction(BF1, stern view)
-32-
Fig.2-9(c) Stern flow direction(BF2, stern view)
Fig. 2-9(d) Stern flow direction(BF1+LS, stern view)
-34-
Fig. 2-9(e) Stern flow direction(LS, stern view)
Fig. 2-10(a) Comparison of the / (Bare Hull)
Fig. 2-10(b) Comparison of the / (BF1)
-36-
Fig. 2-10(c) Comparison of the / (BF2)
Fig. 2-10(d) Comparison of the / (BF1+LS)
Fig. 2-10(e) Comparison of the / (LS)
-38-
Fig. 2-11(a) Comparison of the (Bare Hull)
Fig. 2-11(b) Comparison of the (BF1)
Fig. 2-11(c) Comparison of the (BF2)
-40-
Fig. 2-11(d) Comparison of the (BF1+LS)
Fig. 2-11(e) Comparison of the (LS)
Fig. 2-12(a) Comparison of the (Bare Hull)
-42-
Fig. 2-12(b) Comparison of the (BF1)
Fig. 2-12(c) Comparison of the (BF2)
Fig. 2-12(d) Comparison of the (BF1+LS)
-44-
Fig. 2-12(e) Comparison of the (LS)
Fig. 2-13(a) Comparison of the wakefraction (Bare Hull)
-46-
Fig. 2-13(b) Comparison of the wakefraction (BF1)
Fig. 2-13(c) Comparison of the wakefraction (BF2)
Fig. 2-13(d) Comparison of the wakefraction (BF1+LS)
-48-
Fig. 2-13(e) Comparison of the wakefraction (LS)
Fig. 2-14(a) Comparison of the vtr (Bare Hull)
Fig. 2-14(b) Comparison of the vtr (BF1)
Fig. 2-14(c) Comparison of the vtr (BF2)
-50-
Fig. 2-14(d) Comparison of the vtr (BF1+LS)
Fig. 2-14(e) Comparison of the vtr (LS)
Fig. 2-15(a) Comparison of the wake (Bare Hull)
Fig. 2-15(b) Comparison of the wake (BF1)
-52-
Fig. 2-15(c) Comparison of the wake (BF2)
Fig. 2-15(d) Comparison of the wake (BF1+LS)
Fig. 2-15(e) Comparison of the wake (LS)
Fig. 2-16(a) Comparison of Wake in (Bare Hull)
-54-
Fig. 2-16(b) Comparison of Wake in (BF1)
Fig. 2-16(c) Comparison of Wake in (BF2)
Fig. 2-16(d) Comparison of Wake in (BF1+LS)
-56-
Fig. 2-16(e) Comparison of Wake in (LS)
Fig. 2-17(a) Comparison of Wake in (Bare Hull)
Fig. 2-17(b) Comparison of Wake in (BF1)
-58-
Fig. 2-17(c) Comparison of Wake in (BF2)
Fig. 2-17(d) Comparison of Wake in (BF1+LS)
Fig. 2-17(e) Comparison of Wake in (LS)
-60-
Fig. 2-18(a) Comparison of Wake in (Bare Hull)
Fig. 2-18(b) Comparison of Wake in (BF1)
Fig. 2-18(c) Comparison of Wake in (BF2)
-62-
Fig. 2-18(d) Comparison of Wake in (BF1+LS)
Fig. 2-18(e) Comparison of Wake in (LS)
다. CFD코드를 이용한 이론계산 및 분석 결과
(1) CFD에 의한 전저항 계산결과 나선상태(bare hull)와 부가물 부착상태의 값이 거 의 유 사하였는데, 이는 부가물의 형상 및 크기가 저항에 영향을 미치지 않았 기 때문이다.
(2) Fig. 2-14와 Fig. 2-15에서 볼 수 있듯이, 나선상태((bare hull)에 비해 부 가물 부착상태에서의 유속과 반류가 고르게 분포되어 선체효율을 개선시키는데 기여하였다.
(3) CFD 계산결과의 정량적 비교를 위하여 나선상태(bare hull)와 부가물 부착상 태의 저항계산을 동일 CFD Code를 사용하여 각 3차례 이상 수행하였으며 그 결 과 설계속도 9.5노트에서 BF1의 전달마력이 나선상태 보다 1.7% 감소함을 알 수 있었다.
(4) CFD 계산결과를 모형시험을 위한 자료로 활용하였고 향후 부가물 부착시의 성 능계산이나 부가물의 형상수정 등의 보완을 할 때에도 유용한 자료로 활용할 수 있다.
