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 1

Principal 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 2

Estimated 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. 1

Comparison 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. 2

Lines of final hull form

Table 3

Principal 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. 3

Comparison of righting lever curves

Table 4

Stability analysis of final hull form

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 5

Model 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. 4

Dimensions of side fin

Fig. 5

Case 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 6

Comparison of resistance performance(R_t /⊿)

Fig. 6

Comparison of resistance performance (R_t /⊿)

Fig. 8

Comparison of sinkage

Fig. 7

Comparison of trim angle (degree)

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. 9

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

Fig. 12

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

Fig. 10

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

Fig. 11

Wave patterns, V = 15.4 m/s (30 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. 13

Power estimation