Study of Hull Form Development of 5-Ton-Class Catamaran-Type Coastal Fishing Boat for Welfare Accommodation of Fishing Crew

어선원 복지공간 확보를 위한 5톤급 쌍동형 연안어선 선형개발에 관한 연구

Abstract

This paper reports the hull form development and resistance performance of a 5-ton-class catamaran-type coastal fishing boat. The weight estimation and preliminary design were basically extracted from existing coastal fishing vessels. In addition, the resistance performance was investigated using a model test in a high-speed circulating water channel and was analyzed in comparison to an existing catamaran fishing vessel. As a result, the modified hull achieved an approximately 30% reduction in resistance compared to the previous hull. The stability or boarding sensitivity of the modified hull form was more stable or comfortable than the original hull form based on a trim and sinkage comparison between the two boats.

1. 서 론

1990년대 중반 어선협회(현, 선박안전기술공단)에서 수행한 표준어선 개발에 대한 연구(KST, 2003) 이후, 어선 선형개발에 대한 체계적인 연구가 부족한 실정이다. 최근 들어 Yu et al.(2010)이 총톤수 4.99톤의 소형 어선에 대해 선형요소를 보정하여 유효마력을 최소화시킨 한국형 어선 선형에 관한 연구를 수행하였고, Yu et al.(2011)은 9.77톤 규모의 낚시 어선을 대상으로 12.86m/s(25노트)에서 저항성능을 개선하는 선형 개발에 대한 연구를 수행한 바 있다. 위에 언급된 두 가지 연구는 속도성능과 적재 공간을 최대화 하는 방향으로 연구가 수행되었다. 그러나 유류비 증가로 인한 국내 어업경쟁력 악화로 연료절감형 선박 개발이 절실한 상황에 부합하는 어선 선형에 대한 연구로 평가할 수 있다.

국내 어선은 수산업법에 따라 어업별 어선의 규모가 제한되어 있으므로 선주들은 총 톤수에 매우 민감하고, 따라서 가능한 큰 적재 톤수를 확보하는 현상이 나타나고 있다. Lee et al.(2013)의 국내 연안어선 주요제원 변화에 대한 조사에 따르면 국내 소형어선의 경우 연안어업 허가 톤수에 맞추어 가능한 어업경쟁력이 높도록 어선을 건조해야하므로 배의 길이와 폭을 크게 키워 갑판면적을 넓히고 대신 깊이를 비정상적으로 줄이는 방법을 선택하고 있다. 이러한 설계는 어선의 안전을 고려하지 않은 것으로 어선 선형에 대한 근본적인 검토가 필요하다.

그리고 최근 열악한 조업환경으로 인하여 젊은 층의 어업에 종사하는 것을 기피하는 현상이 두드러지고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 어선원들의 복지공간을 어느 정도 확보하는 방안이 국제적으로 활발히 논의되고 있다.

본 연구는 어선원 복지공간을 확보하면서 연료소모량을 줄일 수 있는 선형을 개발하고자 수행되었다. 대상 선은 국내 연안어선 중 활용도가 가장 높은 5톤급 어선으로, 어선원 복지공간과 조업 공간 확보를 위하여 갑판면적이 넓은 쌍동선으로 결정하였다. 성능비교는 5톤급 쌍동형 어선이 존재하지 않는 관계로 현재 유어선으로 운항 중인 9.77톤 쌍동형 어선을 모선으로 설계한 선형과 본 연구를 통하여 개발한 새로운 선형을 회류수조에서 모형시험을 통하여 비교하였다.

 

2. 1차 선형(Hull-A)개발

2.1 선형계획 및 주요제원 결정

서론에서 언급한 바와 같이 2003년 선박검사기술협회에서 개발하여 현재까지 낚시어업에 종사하고 있는 9.77톤급 쌍동형 어선을 모선으로 5톤급 연안 어선을 설계하였다. 국내 5톤급 연안어선의 평균길이는 약 10m, 폭은 약 3.5m, 깊이는 약 1.0m 정도이다(Lee et al., 2013). 이를 토대로 설계한 1차 선형(Hull-A)은 각각의 단동체가 세장선형으로 중앙부에서 선미부까지 동일한 횡단면적을 가지고 있으며 좌우 대칭이다. 선수부는 조파저항을 고려하여 뾰족한 형상(쐐기형 선수)을 갖고 있다. 1차선형의 주요제원 및 형상은 Table 1 및 Fig. 1과 같다.

Table 1Principal dimensions of Hull-A

Fig. 1Body plan of Hull-A

2.2 모형시험

모형시험은 서일본유체기술연구소 고속회류수조에서 수행되었으며, 시험모형은 Lpp=1.0m 크기로 하드우레탄으로 제작하였다(Fig. 2). 시험조건은 Table 2와 같다.

Fig. 2Model ship of Hull-A

Table 2Test condition of Hull-A

Fig. 3은 설계 속도인 13.37m/s(26노트)에서 파형이다. Case 1과 Case 2 두 경우의 배수량 차이가 크지 않은 관계로 파형 차이는 크지 않다. 두 경우 모두 큰 선미파가 발생하고 있다. 또한 선수 어깨 부분에서 선체를 따라 파도가 높게 올라오고 있으며, 쇄파현상이 크게 나타나고 있다. 두 선체사이에서 이러한 어깨파들 간 간섭현상이 크게 나타나는 것으로 판단된다. 이러한 파간섭은 저항증가 뿐 아니라 두 선체의 연결부인 크로스 데크(Cross deck)에 큰 충격을 주게 되고, 원하지 않는 자세 변화가 발생하는 원인이 되기도 한다.

Fig. 3Wave patterns of Hull-A at 13.37 m/s (26 knots)

 

3. 2차 선형(Hull-B)개발

3.1 선형계획 및 주요제원 결정

Hull-A의 모형시험 결과를 분석하여 단점을 보완하기 위해 2차 선형인 Hull-B를 계획하였다. 설계속도를 13.37m/s(26노트)로 가정할 경우 Fn가 약 1.4정도로 Savitsky의 제안에 의하면 활주선 개념이 적합하다(Fig. 4). 그러나 쌍동선에서 각각의 단동체가 활주선일 경우, 고속 운항 시 두 선체 사이에서 파간섭이 발생하여 저항성능과 운항안정성이 나빠질 위험성이 크다. 이러한 문제를 극복하기 위하여 Jeong et al.(2013)이 고속쌍동형 레저보트에서 적용하여 그 성능을 검증한 설계개념을 적용하였다. 즉, 단동체 내부는 직선형 단면으로 설계하여 두 선체 사이에서 파 간섭이 억제되도록 하였다.

Fig. 4Savitsky Chart

국내 FRP (Fiber reinforced plastics) 어선은 대부분 수적층공법으로 건조되고 있으므로 선체 중량이 무거우며, 추진 체계가 축계 타입으로 박스 킬이 설치되어 있다. 본 개발선은 진공적층법으로 건조할 예정이며, 추진시스템은 선내외기를 사용하게 되므로 기존 어선을 바탕으로 선체 중량을 추정할 경우, 오차가 크게 발생할 위험성이 있다. 따라서 선체 중량은 유사한 규모의 쌍동형 낚시레저보트(Jeong et al., 2013) 중량을 바탕으로 추정하였다.

또한 본 개발선의 용도는 연안 복합어선과 낚시용 유어선으로, 최대 승선인원은 어선인 경우에는 4~5명 내외이고, 유어선일 경우는 12명이다.

본 개발선의 중량 추정결과는 Table 3 및 Table 4와 같고, 최종 결정된 주요제원과 형상은 각각 Table 5와 Fig. 6에 나타내 었다.

Table 3Comparison of weight (Light weight)

Table 4Comparison of weight (dead weight)

Table 5Principal dimensions - Hull-B

Fig. 5Body plan - Hull-B

Fig. 6Model ship of Hull-B

3.2 모형시험

2차 선형(Hull-B)의 모형시험 조건을 Table 6에 나타내었다. 모형시험은 1차선(Hull-A)과 마찬가지로 서일본유체기술연구소 고속회류수조에서 수행되었다. 시험조건 배수량은 Table 6에서 보는 바와 같이 8.1톤, 8.9톤으로 1차 선형인 Hull-A보다 모두 크다. Hull-B의 시험모형은 Fn를 고려하여 Lpp=1.0m 크기로 하드우레탄으로 제작하였고, 5.14m/s(10노트)~15.432m/s(30노트) 범위에서 수행하였다. Hull-B의 시험모형은 Fig. 6과 같다.

Table 6Test condition of Hull-B

Hull-B의 설계 속도인 13.37m/s(26노트)에서의 파형을 Fig. 7에 나타내었다. Hull-B의 경우에도 여전히 큰 선미파가 나타나고 있으나, 선수에서 발생한 파도가 선체를 따라가는 현상은 Hull-A에 비하여 현저히 줄어든 것을 확인할 수 있다. 이는 선수부가 Hull-A에 비하여 더욱 부상한 것이 한 원인이다. 또한 두 선체 사이에서 선미로 흘러나오는 파고가 감소한 것을 확인할 수 있다. 이는 두 선체 사이의 수선면 형상이 직선인 관계로 두 선체 사이의 파간섭이 감소한 결과로 판단된다.

Fig. 7Wave patterns of Hull-B at 26knots

Hull-A 및 Hull-B에 대한 모형 시험결과 중 연안복합어선의 만재출항인 동일한 조건에서의 성능을 직접 비교하여 Fig. 8~10에 나타내었다.

Fig. 8Comparison of trim angle

Fig. 9Comparison of sinkage at midship (% of Lpp)

Fig. 10Comparison of resistance performance(Rt/△)

Fig. 8은 트림변화를 Fig. 9는 선체 중앙부에서의 침하량 변화를 그리고 Fig. 10에는 단위 배수량 당 저항 값을 각각 나타내었다.

Hull-A와 Hull-B의 최대 트림각은 유사하나 Hull-B의 경우, 더 낮은 속도에서 나타나고 있으며, 설계속도 부근의 트림은 2도 내외로, 일반적인 활주선의 항주트림이 통상 4도 내외인 것을 감안하면 본 개발선(Hull-B)의 트림은 오히려 다소 작은 것으로 판단된다(Jeong et al., 2012). 그러나 11.3m/s(22노트) 이후 트림변화 없이 안정된 항주자세를 유지하고 있어 작업성은 우수할 것으로 보인다.

또한 Hull-B의 선체 부상량이 전반적으로 Hull-A에 비하여 크다. 이는 Hull-B의 형상이 Hull-A외는 달리 활주형 선박이기 때문이다.

Hull-B의 배수량 톤당 저항성능이 Hull-A보다 우수하고, 속도가 증가할수록 그 차이는 더욱 커지고 있다. Hull-B의 침수표 면적이 Hull-A보다 약 10%이상 큰 것을 고려하면, Hull-B의 조파저항성능이 매우 크게 개선되었다고 판단된다. 즉, Hull-B의 설계개념이 활주선에 바탕을 두고 있는 관계로 전반적인 선체 부상량이 큰 것이 주 원인인 것으로 보인다.

 

4. 결 론

본 연구는 어선원 복지공간 확보를 위한 쌍동형 5톤급 어선 개발을 목표로, 기존 쌍동형 어선(9.77톤)을 모선으로 1차 선형(Hull-A)을 개발하고 모형시험을 수행하여 성능을 확인하였고, Hull-A 선형의 문제점을 보완하여 2차 선형(Hull-B)을 개발한 내용을 확인하였다. 이를 토대로 1차 선형(Hull-A)의 문제점을 보완하여 2차 선형(Hull-B)을 개발하였으며, 모형시험을 통하여 성능을 비교하였다. 본 연구의 중요한 결론은 다음과 같다.

(1) Hull-B의 경우 Hull-A 대비 배수량과 침수표면적이 증가하였음에도 불구하고 저항성능이 개선되었다. 이는 Hull-B의 기본설계 개념이 활주선에 바탕을 둔 관계로 선체 부상량이 Hull-A에 비하여 큰 것이 주요 원인이다.

(2) Hull-A와 Hull-B의 최대 트림각은 유사하나 Hull-B의 경우, 더 낮은 속도에서 나타나고 있으며, 11.3m/s(22노트) 이후 트림 변화 없이 안정된 항주자세를 유지하고 있다. 따라서 Hull-B의 운항안정성과 작업성능이 더욱 우수할 것으로 판단된다.

향후 Hull-B의 성능을 개선시킬 수 있는 부가물에 대한 연구가 추가될 예정이다.