About Journal of the Korean Society for Marine Environment & Energy

대기 중 온실가스(GHGs, greenhouse gases) 농도의 증가에 따른 것으로 이해되는 기후변화의 문제가 전 지구적인 관심의 중심에 놓인 가운데, 국제해사기구(IMO, International Maritime Organization)는 교토의정서(Kyoto Protocol)의 온실가스 감축과 관련하여 국제적인 산업의 영역에서 법적인 효력을 갖는 최초의 규정으로 에너지효율설계지수(EEDI, Energy Efficiency Design Index)의 도입을 결정하였다(IMO[2011]). 이는 2013년부터 신조되는 선박에 대하여, 건조, 항해 및 관리에 대하여 에너지 효율에 대한 지표들을 제시하여 단계적으로 적용하도록 하고 있는데, 건조 시 적용하는 에너지효율지수인 EEDI (Energy Efficiency Design Index for new ships)는 1톤의 화물을 1해상마일 거리를 운송하는 데 발생되는 이산화탄소(CO₂) 배출량을 나타내며, 2013년 1월 10% 저감을 시작으로 단계적으로 2025년까지 30%를 저감하여야 한다(Jung[2011]). EEDI는 방법을 규정하지 않고 최종적인 결과로 나타나는 CO2 배출량의 저감을 요구하는 체제로, 해양 운송체의 추진과 저항에 관련된 다양한 영역에서 다양한 형식으로의 효율 증대를 요구한다. 또한 선박 운항 원가에서 유류비가 차지하는 비중이 40%에 달하고(Table 1) 선박의 주 연료인 벙커유의 가격이 톤당 약 650달러인상황에서(Fig. 1) 특히 선박의 저항성능과 추진장치의 효율 개선은 많은 연구의 관심이 되고 있다.

Fig. 1 
380 Centistoke Bunker Fuel Spot Price/Singapore [자료출처: Bloomberg].

상반회전프로펠러(Contra Rotating Propeller, CRP)는 고효율 추진 장치를 대표하는 프로펠러로서 서로 반대 방향으로 회전하는 두 개의 프로펠러를 동심 축 상에 전후 방향으로 설치하여 추력을 발생시키는 복합 추진 장치이다. 프로펠러의 회전은 하류로 밀치는 유동에 상당한 양의 회전 에너지를 남기며 이에 따라 약 8%의 효율 손실이 발생한다고 알려져 있는데, CRP는 서로 반대 방향으로 회전하는 두 후류의 중첩으로 회전 에너지 유실을 최소화함으로써 전체적인 추진효율을 증대시키는 장점을 가지며, 선박의 직진성능을 개선하고 단위 프로펠러에 작용하는 하중을 줄임으로써 축기진력 및 소음, 진동 등의 감소 효과도 얻는 것으로 알려져 있다(SNAK[2009]). Fig. 2는 CRP의 일반적인 성능 개선을 설명하는 간단한 그림으로, 단 추진 프로펠러에 비해 낮은 속도에서는 약 16%정도, 높은 속도에서는 약 9%정도 추진효율이 개선되는 것으로 이해된다.

한편, 프로펠러의 설계 및 개발을 위하여 양력면 이론을 기반으로 하는 성능해석 기법이 주로 사용되어 왔다. Kerwin[1973]에 의해 정도 높은 해석 및 설계로의 적용 가능성이 확인된 이래로, Kerwin & Lee[1978]에서는 보오텍스격자(vortex lattice)를 프로펠러 캠버면에 직접 분포하여 해석하는 기법을 제안하였고, 그 후 프로펠러 후류의 모델링을 개선한 프로그램이 Greely & Kerwin[1982]에 의해 개발되어 현재, 양력면 이론에 의한 해석에 대부분 적용되어지고 있다. 한편, CRP에 대하여는 Cha[1992] 및 Paik, Suh & Chun[2000]에서 포텐셜 기저로 그 성능을 해석하기 위한 연구가 수행 된 바 있으나, 실험값과의 비교 검증은 체계적으로 이루어진 바가 없다.

Fig. 2 
Propeller Efficiency : Conventional Propeller - Contra-Rotat-ing Propeller [자료출처: MAST Europe 2009].

본 연구는 향후 적용이 증대될 것으로 기대되는 CRP의 설계와 해석에 이용될 수 있는 포텐셜 기반 해석 프로그램과 프로펠러 성능 분석을 위한 실험 기법의 개발과, 이를 EEDI 개선을 위해 제안된 CRP에 대해 적용하여 그 유용성을 살펴본 것이다. 벌크선에 사용할 CRP의 단독상태 성능을 본 연구의 방법에 따라 수행하고 이론과 실험을 비교하였으며, 제안된 CRP의 동일한 하중 상태에서의 효율을 비교하였다.

CRP는 두 프로펠러 사이의 상호작용이 크므로 전후의 두 프로펠러를 동시에 푸는 것이 필요하다. 또한 단 추진 프로펠러와 비교하였을 때, 허브의 크기가 상대적으로 크기 때문에 허브에 의한 효과를 보다 엄밀하게 고려하여야 한다. 본 연구에서는 허브를 경계요소(panel)로 처리하고 프로펠러의 날개 주위의 유동은 Greely & Kerwin[1982]의 양력면 이론을 적용하여 적절한 반류모델과 함께 해석하는 것으로 하였고, 각각의 프로펠러의 반경 및 코오드를 따른 하중 계산이 가능하게 하여 CRP의 종합적 성능과 전후방 날개의 특성을 구분하여 확인 할 수 있도록 하였다.

2.4 해석 모델

본 해석에는 Jang et al.[2012]에서 벌크선용으로 설계 되어진 1차 및 2차 CRP를 사용하여 해석을 수행하였다. 해석에 사용되어진 프로펠러의 제원은 Table 2에 명시하였으며, 격자계는 Fig. 3에 도시하였다. CRP는 진동관점에서 전방 프로펠러와 후방 프로펠러의 날개 수는 달라야 하며, 후류가 수축되기 때문에 후방 프로펠러의 직경이 전방 프로펠러보다 작은 것이 일반적이다.

Table 2 
Principal particulars of model Propellers

Designation	1st CRP		2nd CRP
	(PP018)	(PP019)	(PP021)	(PP022)
Diameter (m)	0.200	0.175	0.200	0.175
P/D mean	0.893	0.780	0.990	0.920
Ae/Ao	0.400	0.437	0.450	0.350
No. of Blade	3	4	4	3

Fig. 3 
Schematic view of grid system for CRP.

본 연구에서는 개발한 프로그램을 이용한 이론 해석과 모형시험을 통하여 도출된 결과를 비교 검증하였다. 모든 모형시험 자료는 ITTC 78 방법(15th ITTC Performance Committee[1978])을 이용하여 실선으로 확장된 결과이다. 전진비의 범위는 설계점(J=0.45)을 포함하도록 정하였으며, 모형시험 결과와 비교하기 위해 모형시험을 수행하였을 때의 전진비와 동일한 값으로 수치해석을 수행하였다.

4.1 두 CRP의 단독특성

첫 번째 CRP에 대한 결과를 Table 5와 Fig. 8에 보였다. 수치해석 결과가 모형시험 결과보다 전체적으로 추력은 약간 크게, 토오크는 전진비가 0.4이상에서는 약간 작게 나타나고 있고, 특히 전진비가 0.3이하 낮은 영역에서 오차가 다소 큼을 볼 수 있다. 오차는 다음과 같이 정의 한다.

낮은 전진비에서는 날개의 받음각이 커지는 관계로 단 추진 프로펠러에서도 포텐셜 해석이 실험결과와 차이를 보이기도 하지만, 본 연구에서 적용되어진 반류모델이 단 추진 프로펠러에 적용되는 반류모델이기 때문에 발생하는 차이로도 생각되어지며, 개선이 필요한 부분이다. 결과적으로 효율은 전 영역에서 다소 크게 계산 값이 주고 있음을 확인 할 수 있고, 설계점(J=0.45)을 포함하는 대부분의 영역에서는 모형시험과 잘 일치함을 알 수 있다.

Table 6과 Fig. 9에 두 번째 CRP에 대한 계산과 실험 결과를 보였는데, 첫 번째 CRP와 유사한 경향을 보이고 있다. 설계점(0.45)을 기준으로 효율을 비교해 보았을 때는 1차 CRP가 2차 CRP보다 좀 더 높게 나타났으나 보다 명확한 성능 비교가 필요하다.

Fig. 8 
Comparison of numerical analysis and model test for 1^st CRP.

Table 5 
Comparison of numerical analysis and model test for 1^st CRP

J	KT	10KQ	ETAO	KT	10KQ	ETAO	KT	10KQ	ETAO
	(Cal.)	(Cal.)	(Cal.)	(Exp.)	(Exp.)	(Exp.)	(Diff.)	(Diff.)	(Diff.)
0.075	0.3429	0.3156	0.1297	0.284	0.283	0.1198	-17%	-10%	-8%
0.15	0.2993	0.2845	0.2512	0.2568	0.261	0.2349	-14%	-8%	-6%
0.225	0.2576	0.2536	0.3638	0.2295	0.2392	0.3436	-11%	-6%	-6%
0.3	0.2189	0.2239	0.4667	0.2015	0.2167	0.444	-8%	-3%	-5%
0.375	0.1797	0.1927	0.5565	0.172	0.1926	0.533	-4%	0%	-4%
0.45	0.1428	0.1623	0.6304	0.1403	0.1661	0.6052	-2%	2%	-4%
0.525	0.1065	0.1314	0.6778	0.1059	0.1363	0.649	-1%	4%	-4%
0.6	0.0701	0.0990	0.6761	0.068	0.1025	0.6335	-3%	4%	-6%
0.675	0.0330	0.0650	0.5453	0.026	0.0637	0.4377	-21%	-2%	-20%

Table 6 
Comparison of numerical analysis and model test for 2^nd CRP

J	KT	10KQ	ETAO	KT	10KQ	ETAO	KT	10KQ	ETAO
	(Cal.)	(Cal.)	(Cal.)	(Exp.)	(Exp.)	(Exp.)	(Diff.)	(Diff.)	(Diff.)
0.075	0.4035	0.4066	0.1185	0.3505	0.3857	0.1084	-13%	-5%	-8%
0.15	0.3592	0.3695	0.2321	0.3178	0.356	0.2131	-12%	-4%	-8%
0.225	0.3162	0.3345	0.3385	0.2853	0.326	0.3133	-10%	-3%	-7%
0.3	0.2744	0.2992	0.4378	0.2524	0.2954	0.408	-8%	-1%	-7%
0.375	0.2338	0.2638	0.5291	0.2189	0.2638	0.4954	-6%	0%	-6%
0.45	0.1941	0.2279	0.6100	0.1844	0.2306	0.5727	-5%	1%	-6%
0.525	0.1549	0.1913	0.6764	0.1484	0.1954	0.6345	-4%	2%	-6%
0.6	0.1159	0.1537	0.7199	0.1106	0.1578	0.6692	-5%	3%	-7%
0.675	0.0766	0.1146	0.7180	0.0705	0.1173	0.6461	-8%	2%	-10%

Fig. 9 
Comparison of numerical analysis and model test for 2^nd CRP.

4.2 수치해석에 의한 효율 비교

전 절에서 상세히 비교된 두 CRP의 성능 특성을 명확히 구별하자면 동일한 하중 조건 하에서 검토하는 것이 필요하다. 동일한 K_T/J²에서, 즉 0.7156인 점에서의 추력, 토오크 및 효율을 Table 7과 Fig. 10에 보였는데, 두 번째 CRP에서 3.43%의 효율 개선이 이루어졌음을 확인 할 수 있다. 두 CRP의 오차는 다음과 같이 정의 한다.

Table 7 
Comparison of propulsion efficiency using numerical analysis

KT/J2=0.7156	1st CRP	2nd CRP	Difference (%)
J	0.4486	0.4959	10.54%
KT	0.1435	0.1701	18.54%
10KQ	0.1628	0.2055	26.23%
ETAO	0.6291	0.6507	3.43%

Fig. 10 
Comparison of propulsion efficiency at the same.

EEDI 개선을 목적으로 최근 관심이 고조되고 있는 상반회전 프로펠러의 분석을 위한 수치해법과 실험법을 정립하고 벌크선에 대해 제안된 두 세트의 CRP에 적용하여 그 유용성을 확인하였다. 수치해법은 포텐셜 기반의 보오텍스격자법을 바탕으로 한 것으로 낮은 전진비를 제외한 설계점을 포함하는 영역에서는 대체로 실험 결과와 일치하는 것을 확인 하였다. 효율 개선을 목표로 제안된 것으로 알려진 두 CRP간의 동일한 하중 조건에서의 비교를 통해 2차 CRP가 약 3.43% 효율 증가를 보이는 것으로 파악되었다. 다양한 CRP연구에 본 기법을 적용하여 반류모델 등의 개선을 포함하는 발전이 필요하다고 판단된다.