파랑관통형 고속활주선 선형개발에 관한 연구

Study of Hull Form Development of Wave-Piercing-Type High-Speed Planing Boat

Abstract

A new wave-piercing-type high-speed planing boat without a chine was developed, and its basic performance was investigated in a model test, including the resistance, trim, and sinkage. The maximum speed of the developed ship was 35 knots. The hull form was developed by combining a VSV (very slender vessel) and TH (transonic hull), which have large deadrise angles at the bow. The main dimensions were estimated by a statistical approach using actual ship data. The effect of a side fin attached at the stern near the water line was investigated from a resistance point of view. It was found that the developed hull form showed the possibility of a new concept for a high-speed planing hull without a chine, and the side fin played an important role in increasing the resistance performance by controlling the trim and sinkage in the high-speed range.

1. 서 론

최근 초기 레저활동에 널리 사용되고 있는 모터보트에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 미국, 유럽 등 해외 레저보트 선진국들은 오랫동안 다양한 선형과 디자인을 갖는 고속 레저보트를 개발하여 왔으나, 우리나라는 그 역사가 비교적 짧은 편이다.

국내에서 진행된 주요 연구로, Jeong et al.(2004)은 Niwa(2002)가 제시한 통계자료를 활용하여 연안용 레저보트의 초기선형을 설계하여 그 성능을 수조시험을 통하여 분석하였으며, Jeong et al.(2008)은 선속 24knots(12.3m/s) 이상, 전장 20m 이하의 고속활주선 80여척을 분석하여 초기선형 개발에 활용할 수 있는 새로운 통계자료를 제시하였다. 또한 Kwon et al.(2012)은 고속 활주선의 종 방향 자세 안정성을 향상시키기 위한 소형 선측날개(Side fin)를 개발하였고, Jeong et al.(2012)은 알루미늄합금을 이용한 전장 9.5m급 고속선을 개발하여 그 성능을 동급 FRP(Fiber reinforced plastic) 보트와의 비교 연구를 수행한 바 있다. 이러한 연구들은 전통적인 활주선을 대상으로 하고 있어 내파성능이 불리하고, 선저에 작용하는 선저충격(Slamming)이 크게 발생한다는 문제를 가지고 있다.

기존 활주선의 문제를 극복하기 위하여 최근에는 VSV(Very slender vessel)(Thompson, 1997), TH(Transonic hull)(Calderon and Hedd, 2011) 등 신개념 선형들이 제안되었고 일부는 실용화 되고 있으나, 아직까지 이러한 선형에 대한 체계적인 연구는 부족한 실정이다. VSV의 경우 활주선과 유사한 챠인(Chine)을 가지고 있으며, 선수부가 쇄기형으로 뾰족하고 선미부는 활주형 선박이다. 반면, TH의 선수부는 VSV와 유사한 뾰족한 형상이나, 선미부에서의 선저경사각(Deadrise angle)이 극단적으로 작은 상자모양과 유사한 형상이고, 챠인이 없는 배수량형 선형을 갖고 있다. 이러한 선박들은 선수부 선저 경사각이 극단적으로 크다는 공통점이 있다.

Kihara and Ishii(1986)와 Kim et al.(2013)의 활주선에 대한 모형시험 결과에 따르면 선수부 선저경사각이 커질수록 속도성능은 다소 떨어지지만 파랑 중 선수 상하 가속도가 감소하는 경향을 보인다. 이러한 결과에 따르면 VSV와 TH 역시 일반적인 활주선에 비하여 우수한 내파성능을 갖고 있을 것으로 예상되나, 침수표면적 증가와 추진효율 감소로 속도성능은 다소 불리할 것으로 판단된다.

본 논문에서는 VSV와 TH개념을 접목하여 챠인이 없는 새로운 파랑관통형 고속활주선 선형을 개발하였다. 개발선은 전장 8m급 소형선으로 최대속도 35knots(18m/s)이며, 모형시험을 통해 저항성능과 항주 시 자세변화를 분석하였다. 또한 선측 부가물을 부착하여 항주자세 변화에 따른 저항 성능 개선 가능성을 검토하였으며, 최종 도출된 선형에 대하여 실선 소요마력을 추정하였다.

 

2. 선형개발

2.1 선형계획

본 논문에서 개발하고자 하는 선박은 전장 8m 레저용 고속선으로, 선외기 추진으로 최대속력은 35knots(18m/s)이다. 승선인원은 최대 4~5명으로 계획하였고, 선체 재질은 대량생산에 적합한 FRP이다. 파랑관통형 활주선은 통상적인 활주선에 비하여 국내외 연구 실적이 풍부하지 않은 관계로 통계적인 접근 방법에 의하여 주요제원을 추정하기에는 다소 어려움이 있다.

본 연구에서는 VSV개념의 소형 레저보트를 제작하고 있는 독일 Felleryachting 사(http://www.felleryachting.de)의 실적선을 참고로 초기제원을 추정하였다. Felleryachting 사에서 시판중인 VSV 개념의 레저보트 주요제원을 Table 1에 나타내었다.

Table 1Principal dimensions of Felleryachting boats

실적선의 주요제원을 토대로 도출한 개발선의 길이-폭 비는 약 2.8~3.3 정도이고, 8m급 보트의 배수량은 약 2.0~2.5ton 내외가 될 것으로 추정된다. 본 개발선의 초기 추정한 주요제원은 Table 2와 같다.

Table 2Estimated dimensions of initial hull form

본 연구의 개발선과 같은 파랑관통형 고속선에 적합한 마력 추정 방법은 아직 제시된 사례가 없다. 본 연구에서는 Niwa (2002)가 제시한 고속활주선에 대한 통계식을 근거로 초기마력을 추정하였다.

식 (1)은 V/△(1/6) > 20 범위에서 유효한 활주선에 대한 추정식으로 V는 선속(Knot), △는 배수량(Ton)이다. 본 개발선은 비록 완전한 활주선은 아니나 V/△(1/6) = 30 정도로 식 (1)을 초기 마력추정에는 사용 가능하다고 판단된다. 식 (1)에 따르면 본 개발선 목표속도인 35knots(18m/s) 달성을 위해서는 배수량 2.0ton의 경우에는 약 220HP(164kW), 2.5ton의 경우 약 260HP (193kW) 엔진이 필요할 것으로 추정된다.

2.2 선형설계

일반적인 활주선은 선형개발을 위한 풍부한 실적을 가지고 있다. 그러나 파랑관통형 활주선의 경우, 이러한 실적자료가 충분하지 않은 관계로 설계자의 경험에 의하여 반복적인 시행오차를 통하여 설계를 수행하여야 한다. 본 연구에서는 기존 활주선 설계 개념을 토대로 초기 선형을 설계하고 선수부 형상을 파랑관통형으로 수정하는 방법을 적용하였다.

일반적인 활주선의 경우 활주성능에 민감한 영향을 미치는 종 방향 부심위치는 선미부에서 수선길이의 40% 내외가 적당하고(Niwa, 2002; Clement, 2004), 선저경사각은 선체 중앙부에서 20~30°, 선미부에서 추진효율을 고려하여 10~15°내외가 적당하다고 알려져 있다(Kihara and Ishii, 1986).

Alberto and Calderon(2005)는 TH의 경우에도 일반적인 활주선과 마찬가지로 종 방향 부심위치를 선미부로부터 선체 길이 방향으로 40% 내외에 위치할 것을 제안하였다. 따라서 본 개발선도 종 방향 부심위치를 40% 내외에 위치하도록 배수량 분포를 조정하였다.

일반적으로 선폭이 증가하면 횡 방향 안정성이 증가하는 장점이 있으나, 배수량이 증가하여 저항성능이 나빠질 위험성이 존재한다. 본 개발선은 선외기 엔진 및 탑승자의 위치와 무게를 고려하여 선미부에서 최대 폭을 2.2m, 배수량은 2.0ton으로 결정하였고, 전반적인 수선면 형상은 부드러운 곡면을 갖도록 하였다. 선미부에서의 선저경사각은 15°내외로 하되, 낮은 흘수로 인하여 크게 발생할 위험성이 있는 선미파를 억제하기 위하여 선미부 흘수선을 선미부 너클라인(Knuckle line)에 걸치도록 하였으며, 단면형상은 U자 형상으로 설계하였다. 또한 선저경사각과 흘수선 형상 등을 조정하면서 배수량을 2.0ton으로 유지하여 Fig. 1과 같은 최종 형상의 개발선 선형을 설계하였다.

Fig. 1Comparison of hull shape

모형시험 결과를 토대로 항주트림과 저항성능을 확인 후 적절한 부가물을 결정하기 위하여 본 개발선형에는 챠인을 고려하지 않았다. 개발선의 최종 선도와 주요제원을 Fig. 2와 Table 3에 각각 나타내었다.

Fig. 2Lines of final hull form

Table 3Principal dimensions of final hull form

2.3 정복원성 평가

본 개발선은 일반적인 활주선에 비하여 내항성능을 우수할 수 있으나 선폭이 좁아 복원성이 좋지 않을 것으로 예상된다. 이에 본 연구에서는 복원성 확보를 중요한 설계변수 중 하나로 고려하여 복원성 기준에 부합하도록 선폭을 증가시켜가며 설계를 수행하고, 동일 유사 실적선인 실적선 선형(Dymax evolution)과 TH 선형을 모델링하여 각각의 복원성을 추정하고 개발선과 비교하였다.

Fig. 3은 본 개발선과 실적선과의 복원성을 비교한 결과를 보이고 있다. 30°를 기준으로 실적선 Dymax evolution과는 약 50%(0.05m)의 개선을, TH 선형과는 약 100%(0.1m)의 복원성 개선을 확인하였다. 또한 해양수산부 선박복원성기준에 의하여 개발선의 복원성을 검토한 결과 Table 4에서 보는 바와 같이 모든 조건에서 복원성 기준을 만족하는 것으로 확인하였다.

Fig. 3Comparison of righting lever curves

Table 4Stability analysis of final hull form

 

3. 모형시험

3.1 시험조건

개발선의 저항성능은 서일본유체기술연구소(West Japan Fluid Engineering Laboratory)의 고속회류수조(길이×폭×깊이=24.5m×3.5m×6.5m, 최대속도 6.0m/s)에서 모형시험을 통하여 분석하였다.

시험모형의 수선 간 길이(Length between perpendicular)는 0.8m이며 하드우레탄으로 제작하였고, 속도는 실선기준 10knots(5.1m/s)~35knots(18m/s) 범위에서 시험을 수행하였다.

Park et al.(2002)과 Jeong et al.(2004), Jeong et al.(2008)에 의하면 연안어선과 고속레저보트에 선측날개(Side fin)를 부착하여 모형시험을 한 결과, 일정 속도 이상에서 선측날개는 항주트림을 변화시켜 저항성능 개선에 기여한다고 밝힌바 있다. 이에 본 연구에서는 일반적인 활주선이나 VSV선형에 부착된 챠인 대신 선측날개를 부착하여 그 영향을 함께 분석하였다.

모형시험은 Table 5에서 보는 바와 같이 모두 네 가지 조건에서 수행하였다. Case-1은 나선상태이고, Case-2는 선미부에서 선체중앙부까지 실선기준 0.1m 폭을 갖는 선측날개(Fin-1)를 부착한 경우이다. Case-3은 Fin-1을 폭 방향으로 두 배 증가시킨 날개(Fin-2)를 부착한 경우이고, Case-4는 선미형상을 U형상에서 V형상으로 개조하고 Fin-2를 부착한 경우이다.

Table 5Model test conditions

선측에 부착한 날개(Fin-1와 Fin-2)는 선미부에서 수면 아래로 실선기준 약 2.5cm에 위치하고 수선과 10°각도 하향으로 부착하였다. 모든 날개는 선체중앙부에서 폭이 거의 0m가 되도록 삼각형 형상을 갖도록 하였다. 선측날개의 형상제원과 시험모형을 Fig. 4와 Fig. 5에 각각 나타내었다.

Fig. 4Dimensions of side fin

Fig. 5Case types of test model

3.2 시험결과

네 가지 시험조건에 대한 성능을 비교하여 Table 6과 Fig. 6 ~ Fig. 8에 나타내었다. Table 6과 Fig. 6은 고속선에서 중요한 성능지표인 배수량 톤당 저항성능을 나타내고 있으며, Fig. 7과 Fig. 8은 트림과 선체부상량을 각각 0부터 설계속도까지 변화를 나타내고 있다. 배수량 톤당 저항성능을 비교하면 나선상태 (Case-1)보다 소형 선측날개를 부착함으로서 저항성능이 개선됨을 알 수 있다(Table 6, Fig. 6). 이때 선측날개의 크기가 상대적으로 작은 Case-2의 저항성능이 가장 우수하나, 그 차이는 그리 크지 않다.

Table 6Comparison of resistance performance(Rt /⊿)

Fig. 6Comparison of resistance performance (Rt /⊿)

Fig. 7Comparison of trim angle (degree)

Fig. 8Comparison of sinkage

본 개발선의 항주트림은 일반적인 활주선과 다른 특성을 보인다(Fig. 7). 일반적인 활주선은 저중속영역에서 선미트림이 급격하게 증가하다가 속도가 증가할수록 선미부가 부상하면서 안정된 활주상태에 도달하면서 트림이 감소하는 특성을 갖는다(Jeong et at., 2012).

그러나 본 개발선의 경우, 이러한 급격한 트림변화는 나타나지 않고 있다. 즉, 속도가 변화여도 안정된 항주자세를 갖고 있다고 판단된다. 특히 날개를 부착함으로서 전반적으로 트림이 감소하고 있으며, 선측날개의 폭이 클수록 그 영향이 큰 경향을 보인다. 이는 선측날개에 작용하는 양력에 의하여 모멘트가 발생하고 이로 인해 트림이 억제되는 것으로 판단된다. 선미형상을 V형상으로 개선하고 Fin-2를 부착한 Case-4의 경우, 선미 부력이 추가적으로 발생함에 따라 항주트림이 감소하고, 고속영역에서 가장 안정된 특성을 보이고 있다.

선미부의 선체부상량은 모든 경우에 있어서 속도가 증가할수록 지속적으로 증가하는 특성을 보인다. 그러나 선수부의 선체부상량은 일정 속도 이상에서 큰 변화는 나타나지 않고 있다(Fig. 8). 나선상태 보다 날개를 부착한 경우, 그리고 날개의 폭이 클수록 날개에 작용하는 동적 힘에 의하여 선체부상량은 증가하고 있다. 선미형상을 V형상으로 개선하고 Fin-2를 부착한 Case-4의 경우, 선미부의 부력이 추가적으로 발생함에 따라 선체부상량이 가장 크고 이 때문에 항주트림이 가장 작은 결과를 보이고 있다.

몇 가지 속도에서 나선상태(Case-1)와 Case-4의 파형을 Fig. 9 ~ Fig. 12에 나타내었다. 이에 따르면 전 속도영역에서 선측날개를 부착함으로서 선미트림이 억제되고 선미파가 크게 감소함을 확인할 수 있다. 또한 선체 표면을 따라 흐르는 유체입자가 선측날개에 의하여 옆으로 분리되고 있음을 확인할 수 있는데 이 현상이 선측날개를 부착함으로서 저항이 감소된 주 이유라고 판단된다. 이를 통해 본 개발선 선미부에 부착한 소형날개는 안정된 항주트림을 유지할 수 있을 뿐 아니라, 선체를 따라 흘러가는 유체입자를 선체로 부터 분리시키고, 선미파를 억제함으로서 저항 감소에도 기여할 수 있다는 것을 확인하였다.

Fig. 9Wave patterns, V = 10.3m/s (20 knots)

Fig. 10Wave patterns, V = 12.9 m/s (25 knots)

Fig. 11Wave patterns, V = 15.4 m/s (30 knots)

Fig. 12Wave patterns, V = 18.0 m/s (35 knots)

모형시험을 통하여 추정된 실선의 소요마력은 Fig. 13과 같다. 이 때, 전달효율(η)은 0.6으로 추정하였다. 이 전달효율 값은 Shinata(1992)와 Simizu and Sunamaya(1996)가 고속 보트용 선외기 성능시험에서 제시한 프로펠러 효율을 바탕으로 추정하였다. 선측 날개가 부착된 경우, 35knots(18m/s) 속력을 위하여 약 200HP(149kW)(15% Sea margin 고려 약 230HP(171kW)) 선외기가 필요할 것으로 추정된다.

Fig. 13Power estimation

 

4. 결 론

본 연구에서는 일반적인 활주선에 VSV와 TH개념의 선형을 접목한 새로운 파랑관통형 활주선형을 개발하였다. 개발선의 전장은 8.0m, 배수량은 2.0ton이며 최대설계속력은 35knots(18m/s)이다. 초기 주요제원은 실적선을 바탕으로 도출하였으며, 개발된 선형의 선수는 파랑관통형 형상을 갖고 있으며 챠인이 없는 선형이다. 개발선의 모형시험 분석결과를 통해 선측날개와 선미형상에 의해 자세가 크게 변화함을 확인하였으며, 선미선저형상은 V형상으로 선미부 선측 일부에 날개를 부착함으로서 항주트림이 개선되고 저항성능도 설계속도에서 7.8% 향상된 것을 확인하였다. 200HP(149kW)급 선외기로 정수 중 35knots(18m/s) 달성이 가능할 것으로 판단된다.

향후 파랑 중 선수변위 및 상하가속도를 계측하여 유사한 규모의 활주선과 비교하는 연구를 수행하고, 선측 날개의 크기 및 위치 등에 따른 영향을 분석하고자 한다.