I. 서 론
선박의 대형화 및 고속화 추세에 따라 추진기나 타(rudder)는 과도한 하중이 가해지고 이에 따른 추진효율 저하 및 선체진동 등의 문제가 빈번히 발생하고 있다. 특히 연료절감장치(Energy Saving Device, ESD) 등에 의한 국부적 하중증가와 불안정 캐비테이션이 발생하는 사례가 종종 보고 되고 있다.[1]이러한 과도하고 불안정한 캐비테이션은 짧은 시간동안 매우 큰 압력을 방사하여 추진기 및 선체 부가물에 충격을 가하여 침식현상을 발생시키고 있다. 최근 추진효율을 중요시 하는 선박설계 방향에 따라 선박의 추진기와 여러 부가물에서 발생하는 캐비테이션 침식은 조선산업에서 지속적으로 문제가 되고 있다.
추진기 및 부가물의 침식은 선박 추진효율의 손실, 소음, 진동 등의 부작용과 더불어 침식 가능성이 있는 부위의 빈번한 점검, 상가 및 수리를 포함한 선박 유지보수 비용이 증가하게 된다. 따라서 선박설계 및 모형시험 단계에서 침식현상을 예측하는 것은 매우 중요한 기술이다.
유럽연합에서는 캐비테이션에 의한 침식현상에 대한 물리적 이해와 예측기술을 개발하기 위하여 유럽의 선주, 추진기 제작사, 선급, 선박연구기관들이 참여하는 컨소시엄을 구성하여 EROCAV라는 EU 지원 프로젝트를 수행한 바 있다. 현재 페인트 시험기법, 고속카메라 계측 영상분석기법, 충격분석기법 등 캐비테이션 침식을 예측하기 위한 기법들이 소개되었지만 현재까지의 공학적 접근방법은 캐비테이션 침식현상에 대한 물리특성을 충분히 고려하지 못하여 침식 가능성을 평가하는 것은 매우 어려운 기술로 여겨지고 있다.
본 연구는 모형시험 단계에서의 캐비테이션으로 인한 침식을 예측하기 위하여 소음분석기법 기반으로 하여 캐비테이션의 붕괴 격렬도를 정량적으로 분석할 수 있는 기법을 연구하였으며 이를 경사축 추진기 침식 모형시험에 적용하여 소음과 캐비테이션 붕괴 격렬도 상관관계에 대하여 분석하였다.
II. 경사축 추진기 모형시험
일반적으로 시편의 침식시험은 Fig. 1과 같은 ASTM G-32 기법이 많이 활용되고 있는데 이 기법은 진동자의 끝에 시편을 부착한 후 20 kHz의 고정된 주파수로 가진하여 인위적으로 캐비테이션을 발생시켜 시편에 침식을 발생시키는 시험법이다.[1]이 기법은 경도가 높은 시편의 내침식특성을 파악하기 위한 시험에 많이 활용되나 발생하는 캐비테이션 및 거동이 선박 추진기 또는 타에서 발생하는 특성과는 상이하여 선박 설계단계에서 추진기 침식을 예측하기에는 적합하지 못하다. 선박 설계 및 모형시험 단계에서 추진기 캐비테이션 침식을 예측, 분석하기 위해서는 실선 추진기와 유사한 캐비테이션 발생을 재현하고 침식특성을 분석하는 것이 중요하다.[2]
선박 추진기에서는 Fig. 2와 같이 캐비테이션이 복잡한 형태로 발생하는데 캐비테이션 패턴에 따라 다양한 소음신호를 방사한다. 즉 캐비테이션 패턴과 발생하는 소음에 대한 상관관계를 직관적으로 판단하기 힘들기 때문에 본 연구에서는 소음에 기반한 추진기 캐비테이션 붕괴 격렬도와 침식을 분석하기 위하여 경사축 추진기 모형시험기법을 활용하였다. 본 경사축 추진기 시험은 강한 캐비테이션을 주기적으로 모형 추진기 뿌리 주위 일정 위치에서 강하게 붕괴시키는 특성을 가지도록 하였으며 추진기 침식에 직접적 영향을 주는 캐비테이션 붕괴강도와 발생하는 소음의 상관관계 연구에 적합하다.[2]
추진기 모형은 직경 250 mm로 3개의 날개를 가지며 전개 면적비가 0.887, 평균 피치비는 1.3621을 가지는 추진기를 활용하였으며 추진기 날개에 따른 캐비테이션 거동을 살펴보기 위하여 각 날개에 번호를 표기하였다. 경사축 추진기 모형시험은 선박해양플랜트연구소의 대형캐비테이션터널에서 수행하였다. 선박해양플랜트연구소 대형캐비테이션터널의 관측부는 1.8 mH × 2.8 mW× 12.5 mL이며 터널 내부 유속과 압력을 16.5 m/s, 0.02 bar ~ 3.5 bar까지 조절이 가능하여 다양한 형태의 추진기 캐비테이션 재현이 가능하다.[3]
Fig. 3과 같이 경사축 추진기 모형시험을 위하여 동력계와 모형추진기를 대형캐비테이션터널 관측부에 설치하였다. 추진기 축이 높은 경사각을 가지게 되면 추진기 날개의 받음각이 커지고 추진기 날개의 흡입면 뿌리 근처에서 강력한 캐비테이션 붕괴가 일어나게 된다. 터널 내부 유속, 압력, 축 경사각을 조절하여 강한 캐비테이션 붕괴가 일어나도록 시험조건을 선택하였다. 터널 내부 유속은 9.0 m/s, 모형추진기 회전수는 31.5 r/s, 축 경사는 12°로 설정하였으며 추진기 캐비테이션 시험은 2시간 지속하였다. 캐비테이션 붕괴에 의한 침식현상을 정량적으로 판단하기 위하여 강한 캐비테이션 붕괴가 일어나는 날개 뿌리부위에는 Fig. 4와 같이 내침식 페인트를 도포하여 모형시험 전 ‧ 후의 상태를 관찰하여 침식 손상을 분석하였다.
캐비테이션 붕괴현상과 발생하는 소음과의 상관관계 분석을 위하여 전기적 접점신호를 이용하여 고속카메라 영상과 소음신호를 동기화 계측하였다. 소음계측은 모형 추진기 직하방 관측부 하부에 플러그 타입으로 설치된 계측시스템을 활용하여 샘플링 주파수 256 kHz로 계측하였다.[3]
III. 시험결과 및 분석
고속카메라 영상계측시스템은 캐비테이션의 발생과 붕괴현상에 대한 정보를 제공해 줄 수 있으며 본 시험에서는 초당 20,000 프레임 수(frame/s)로 모형 추진기 캐비테이션의 거동을 계측하였다. Fig. 5는 본 연구에 활용된 경사축 추진기의 캐비테이션 변화를 0.5 ms 간격으로 정리한 결과로 경사축 추진기에서 발생하는 캐비테이션의 변화를 시간 변화에 따라 나타내었다. Fig. 5(a)와 같이 초기에 추진기 날개 흡입면 앞전으로부터 캐비테이션이 성장하고 이 후 뒷날 부근에서부터 압력이 높아져 Fig. 5(g)와 같이 재진입 제트가 캐비테이션 끝단 하부에 발생하고 발생한 캐비테이션은 점차 수축하게 되어 최종적으로 Fig. 5(o)와 같이 소멸하게 된다. 캐비테이션이 주변 압력변화에 의해 내파하게 되면 강한 압력파가 발생하고 물체표면 주위에 마이크로 제트를 발생시키고 이는 추진기 표면에 국부적인 강한 충격파를 가하여 침식을 일으키게 된다. 캐비테이션이 붕괴되어 소멸된 이 후에도 Fig. 6과 같은 캐비테이션 리바운딩 현상을 일으키며 연쇄적인 압력파와 침식을 발생시킨다.[4],[5],[6]
Figs. 5와 6과 같이 캐비테이션 거동 변화를 고속 영상장치를 활용하여 분석이 가능하지만 앞서 언급한 것처럼 정량적인 캐비테이션의 붕괴강도는 파악하기 힘들다. 그러므로 고속카메라 계측영상과 소음신호를 동기화 계측하여 경사축 추진기에서 발생하는 캐비테이션 붕괴강도를 분석하였다.
일반적으로 추진기에서 각 날개는 동일한 형상을 가지기 때문에 발생하는 캐비테이션 역시 동일한 형태로 나타난다. 하지만 이번 시험의 경우 날개 뿌리 부위의 페인트 도포상태가 균일하지 않아 캐비테이션 거동 및 붕괴특성이 달라졌으며 이에 따라 발생하는 음압의 크기도 달라졌다.
Fig. 7은 소음계측시스템에서 측정된 소음신호를 나타낸 것으로 추진기가 3회전하는 동안의 결과이다. 추진기가 1회전 하는 동안 각 날개에서 한번씩 캐비테이션의 강한붕괴가 고속카메라 영상에서 관측되었으며 동일하게 음압피크가 계측되었다. 고속카메라 영상 동기계측 결과를 분석하면 3번, 1번, 2번 날개에서의 흡입면, 압력면에서 순차적으로 발생하는 캐비테이션 기인 음압피크로 확인 되었다. Fig. 7 과 같이 동기화 소음계측결과에 따르면 추진기 3번 날개의 흡입면에서 가장 강한 음압피크가 발생하였으며 그에 반해 1번과 2번 날개는 상대적으로 약한 음압 피크가 발생하였다. 캐비테이션 붕괴 강도는 발생하는 음압과 연관이 있기 때문에 60 s, 약 1,800회 회전하는 동안의 결과 전체를 분석하면 3번 날개 흡입면에서 캐비테이션 붕괴강도가 가장 강하게 분석되었으며 날개 뿌리 부위의 강한 침식현상을 유추할 수 있고 1번, 2번 날개 순으로 캐비테이션 붕괴강도와 침식 발생을 예측할 수 있다.
고속카메라를 이용한 추진기 캐비테이션 영상-소음 동기화 계측 및 분석에 기반한 캐비테이션 붕괴강도 분석결과와 추진기 캐비테이션 침식의 상관관계를 파악하기 위해 두 시간 동안 모형 추진기를 구동하는 동안 추진기 뿌리 부위에 도포한 페인트 침식결과를 분석하였다. 각 추진기 날개에서 페인트 침식이 발생한 시점은 1번 날개가 시험시작 약 90 min 이후 침식이 발생하였으며, 2번 날개는 120 min 구동 후 약한 페인트 손상, 3번 날개는 시험시작 20 min 만에 침식현상이 관찰되었다.
Fig. 8은 두 시간 모형시험 후의 추진기 각 날개에서의 페인트 손상상태를 보여주는 결과로 추진기 소음계측 결과를 분석하여 각 날개에서의 캐비테이션 붕괴강도를 추정한 결과와 잘 일치하고 있음을 확인할 수 있다.
IV. 결 론
본 연구는 추진기 캐비테이션 영상과 소음을 동기화하여 계측하여 캐비테이션 붕괴강도와 소음과의 상관관계를 분석하는 기법을 개발하였다. 개발한 기법을 경사축 추진기 모형시험에 적용하여 결과를 기존의 페인트 침식시험 기법과 비교하여 그 유효성을 확인하였다. 이번 연구에서 개발한 시험 및 분석기법은 기존의 추진기 침식 모형시험기법에 비하여 페인트 도포와 같은 추가적 노력과 시간이 필요없이 일반적인 추진기 캐비테이션 시험만으로 정량적 캐비테이션 붕괴강도를 분석 할 수 있어 매우 효율적인 시험기법이면서 동시에 유용한 결과를 도출 할 수 있다고 판단된다.
향후 본 연구는 추진기 모형시험 중 캐비테이션 침식 가능성을 분석하기 위한 기반기술로 활용될 예정이며 이는 캐비테이션 침식연구에 새로운 연구 방향을 제시할 수 있을 것이라 기대된다.
