소형선박 저항 및 속도 추정

소개글

선박 초기설계 때 요구되는 속도에 상응하는 엔진 동력을 추정하고 그에 적합한 추진장치를 선정하고 배치하여야 한다. 대형 여객선이나 상선의 경우 상사법칙에 따라 축척 된 모형을 제작하여 예인수조 혹은 회류수조에서 저항을 계측한다. 또한 다양한 선형의 모형을 만들어 저항을 계측하고 비교 분석하여 해당 선박의 목적에 적합한 선형을 개발한다.
그러나 소형선박의 경우 모형을 만들어 수조에서 시험하기에는 선가에 비해 많은 비용이 발생하기 때문에 특별한 경우를 제외하고는 일반적으로 저항 추정 경험식을 이용하여 간단하게 저항을 추정한다.
 
본 자료에서 소개하는 저항 추정 방법들은 실선들의 경험 자료를 바탕으로 만들어진 경험 식들이다. 이런 경험식들은 실선들의 축적된 데이터를 기반으로 만들어 졌기 때문에 경험식에 적용된 유사한 선형과 속장비의 개발 선박에 유용하게 사용할 수 있다. 따라서 초기설계 단계에서 개발선과 유사한 실선의 속도, 엔진 마력 등의 입력 자료를 여러 추정 식에 적용했을 때 실선과 유사한 값을 도출하는 식을 찾아 초기 설계 단계에서 개발선의 저항 및 엔진 마력을 추정하면 많은 비용과 시간을 줄일 수 있을 것이다.

목차

1. 동력
1.1 힘(Force)
1.2 토크 (Torque)
1.3 동력 (Power)
1.4 Power (동력)과 Torque (토크)의 관계
1.5 저항과 유효마력
1.6 Engine Power Output (엔진 출력) 표시
1.7 Engine Power Output (엔진 출력) 계측 위치
1.8 Engine Power Rating
2. 선박의 저항
2.1 항력
2.2 저항계수
3 활주선 저항
3.1 양력과 항력
3.2 활주선의 저항 종류
3.3 활주선의 유체력
3.4 Savitsky가 제안한 활주선의 양력, 양력계수 및 압력 중심 위치
3.5 활주선의 마찰저항(Df) 공식
4. Displacement Type Boat 저항 및 SHP 추정
4.1 배수량형 보트 속장비 vs 저항 곡선
4.2 Example 1 : 25 ft Sail Yacht
4.2 Example 2: 예 1의 보트 속도 증가
4.3 Example 3 : 배수량형 200인승 여객선
5. Planning Craft 저항 및 SHP 추정
5.1 Simple Method
5.2 Eugene Clement method
5.3 George Cronch method
5.4 K.C Barnaby Method
5.5 Savitsky Method
5.6 엑셀 Savitsky Method
6 Savitsky Method 성능 추정 엑셀로 계산
6.1 성능 추정 절차 (선체 저항 및 평형 모멘트)
6.2 스프레이 저항
6.3 공기저항
6.4 Savitsky 성능 예측 엑셀 프로그램

본문내용

선박이 해수면 위를 일정한 속도로 전진할 때 선박은 진행하는 반대 방향으로 항력을 받게 되며 이 항력을 이길 수 있는 전진력을 제공받지 않게 된다면 결국 선박은 정지하게 될 것이다. 이 때 선박에 작용하는 항력을 선박의 저항(抵抗, Resistance)이라 정의하며 이 저항을 극복하고 일정한 속도로 운항할 수 있도록 제공되는 전진력을 선박의 추진력(推進力, Thrust)이라 정의한다.
선박의 저항은 선박의 형상과 밀접한 관련이 있으며 우수한 선박은 낮은 저항 값과 높은 추진효율을 갖도록 최상의 결합을 이루어야 하며 일반적으로 이러한 최상의 결합은 선체와 프로펠러가 적절하게 조화를 이룰 때 얻어지게 된다.
1.6 Engine Power Output (엔진 출력) 표시

엔진의 출력을 표시는 국제표준단위 인 kW 를 사용하는 것이 일반적이며, 업계에서 관용적으로 사용하고 있는 마력을 병기하는 경우가 많다. 마력의 표시는 미터법 표기인 PS 를 사용하고, HP 를 사용할 때는 metric HP 인지를 구분하여 표기한다.

- 엔진 출력 표기 사례
아래는 Cummins QSM11-M 고속엔진의 데이터 사례이다. (hp 는 metric horse power 임)

위 사례에서 1,900 RPM 에서 출력과 토크의 관계를 점검해 보면 출력 = 토크 x RPM / 9,560 = 2,018 x 1,900 / 9,560 = 401 kW 로 별 오차가 없는 것을 알 수 있다.
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BKC Yacht Design

1.7 Engine Power Output (엔진 출력) 계측 위치

선박의 동력을 말할 때 아래 그림과 같이 그 계측 위치에 따라 5 가지의 다른 표현이 있으며, 엔진에 대하여는 Indicted Power 와 Brake Power 를 사용하고 통상적으로 엔진 출력이라 함은 Brake Power 를 의미한다. 1) Indicated Horsepower (도시마력) 엔진의 실린더 내 압력을 지속적으로 계측하여 기록하는 도구(인디케이터)를 사용하여 인디케이터 선도에서 구한 출력이다.

참고 자료

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Francis S. Kinney, Skene’s Elements of Yacht Design, Dodd, Mead & Company, Inc. 1973
John Teale, High Speed Power Boats, Westlawn Institute of Marine Technology, 1982
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최 부근, “ 고속 활주선의 특성과 선형 및 선수 단면 형상”, BKC Yacht Design, 2018
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