1. 추진기관의 소요 마력
- 유효마력과 추진효율에 의하는 방법
소요마력을 구하는 방법으로는 유효마력은 선체의 총 저항과 속력의 곱으로부터 산출하는 마력으로서, 총 저항의 측정방법에 따라 다음과 같이 나누어진다. 예인마력 (tow rope horse power)은선박을 예인 로프로 끌고 그의 장력을 측정하여 마력을 산출하는 방법. 정미마력 (net horse power)은 총 저항을 마찰저항과 잉여저항으로 나누고 각각을 수식으로 구하여 이것을 합계한 다음 마력을 산출한다. 유효마력 (effective horse power)은 마찰저항을 침수면적에 어떤 계수를 곱하여 구하고 다시 여기에 어떤 계수를 곱하여 총 저항을 구하여 마력을 산출한다. 결국 침수면적에 계수를 곱하여 마력을 산출하는 방법이 있다.
- 모형 수조시험에 의하는 방법
모형시험에 의하여 실선의 전 저항을 구하고, 다음 식으로 유효마력을 산출한다.
여기서, 다음에 추진효율을 모형시험으로 구하고 이를n(hp)라 하면 IHP=EHP/n(hp)로부터 실마력을 구할 수 있다. 이 방법은 가장 정확한 마력산정법이며, 또한 어떠한 선형에도 이용할 수 있으므로 선형의 개조에 의해 가장 효율이 좋은 선형을 결정할 수 있으나 설비운영에 상당한 비용을 필요로 한다.
- 비교법칙의 응용에 의하는 방법
실선과 상사선의 실 마력을 각각 IHP, ihp라 하면 비교법칙에 의해
여기서, D와 d는 각각 실선과 상사선의 배수톤수, V와 v는 실선과 상사선의 속력이며, 위 식으로부터 상사선의 ihp, d, v 및 실선의 D, V가 주어지면 IHP는 용이하게 계산된다.
- 계산도표에 의한 방법
계산 도표를 사용하여 계획선의 유효 마력과 추진 계수를 추정하여 소요 마력을 구하는 방법이다. 현재 실용적으로 많이 사용되고 있는 계산도표는 테일러 계열 자료, 계열 자료 60, SR45, 야마가타 자료 등이 있다.
- 유사선의 자료에 의한 방법
계획선과 주요 치수가 비슷한 배의 수조 시험 결과나 시운전의 해석 결과를 얻을 수 있는 경우에는 그 자료들을 적당히 수정하면 계획선의 마력 곡선을 상당히 정확히 추정할 수 있다. 이 방법에서 추정의 정확도를 높이려면 계획선의 선도를 유사선의 선도와 같은 경향으로 설계하여야 한다.
2. 추진장치 종류
추진장치는 수상 또는 수중에 떠 있는 선박 또는 잠수체를 어떤 속도로 운항할 때 대상체를 밀어주는 추진력을 발생하는 장치이다. 오늘날 선박용 추진장치는 선박의 특성과 사용목적에 따라 여러가지 형태로 사용되고 있다. 스크류 프로펠러 (Screw Propeller)는 가장 보편적이고 일반적인 걸로 추진 효율도 다른 종류의 추진장치보다 비교적 높은 편이다 그리고 선박의 크기와 종류에 무관하게 사용한다. 구조적으로 간단하며 제작비 측면에서 유리하다.
- 고정피치 프로펠러 (Fixed Pitch Propeller)
이 추진기는 회전축과 연결되는 허브(Hub) 부분에 날개(Blade)들이 일체로 고정되어 있어서 고정피치 프로펠러(Fixed Pitch Propeller)라고 한다. 동작 과정으로는 첫째, 축이 회전하면 허브와 날개들이 일체가 되어 동시에 회전 둘째, 회전하는 날개들의 주위유동으로 날개표면에서 압력변화가 생김 배에서 보이는 날개면(흡입면, Suction Side)에서는 압력이 낮아지고, 다른 면(압력면, Pressure Side)에서는 압력이 높아져 배의 전진 방향으로 추력이 발생 셋째, 배의 속도는 프로펠러 회전수를 조절하여 연속적으로 변화시킬 수 있다.
- 가변피치 프로펠러 (Controllable Pitch Propeller)
특징으로는 선박의 운항속도에 따라 날개들이 각각의 날개 축을 중심으로 회전시켜 날개 자체의 피치각 조정가능하고, CPP 허브에 연결된 축계 내부가 비교적 복잡하게 구성한다. 유압장치로 날개각도 조절가능하고, 프로펠러 날개의 피치 각도를 조절하여 추력과 선속을 조절 가능하다. 엔진등의 추진관련 기계장치를 가속과 감속을 하지 않고 추력을 미세하게 조정가능하다. 여객선(Passenger Vessel), 페리선(Ferry), 예인선(Tug) 및 해양작업선(Offshore Vessel) 등에는 대부분 CPP를 사용 일곱째, 축계의 구조가 복잡하여 초기비용이 높은 편이다.
- 상호반전 프로펠러 (Counter- Rotating Propeller)
특징으로는 전방 프로펠러와 후방 프로펠러의 유체역학적인 상호작용을 이용하여 프로펠러에 유입되어 물이 2개의 프로펠러를 지나고 난 후에 회전운동에너지를 최소화 할 수 있다. 버리게 되는 에너지를 회수함으로써 일반 상선에 적용 시에는 추진효율을 약 6~7%정도 향상시킬 수 있다. 선체와의 간격을 크게 할 수 있다. 이런 상호 간격의 증가는 프로펠러 캐비테이션으로 발생하는 변동 압력이 선체에 미치는 영향을 감소시키므로 선체의 진동을 줄일 수 있다. 2개의 프로펠러가 서로 반대방향으로 회전하여 토크 균형(Torque Balance)을 잡을 수 있기 때문에 직진성 요구되는 어뢰의 추진장치로 많이 사용되어 왔다. 최근에는 대형 선박에도 활용된다. 이중구조로 되어있는 회전축 시스템의 복잡성과 초기 투자비가 크다.
- 물제트 추진장치 (Waterjet Propulsion)
특징으로는 프로펠러형 추진장치와 달리 물제트 추진장치는 선체 내부에 장착되있고, 비교적 얕은 물에서 운항하는 선박에도 사용이 가능하다. 물제트 추진장치는 고속으로 운항할수록 추진효율이 증가하고, 임펠러가 유도관 내부에서 회전하므로 캐비테이션 제어 관점에서도 매우 유리한 추진장치이다. 최근에는 대형 선박 및 초고속선의 추진장치로 활용된다.
- 덕트 프로펠러 (Duct Propeller)
노즐 내부에 프로펠러가 있는 형태로서 가속형 덕트 프로펠러와 감속형 덕트 프로펠러가 있다. 프로펠러의 부하가 큰 경우에 노즐을 사용해서 효율의 증가를 얻을 수 있다. 가속형 덕트는 덕트의 형상이 유속을 가속하도록 되어 있어서 프로펠러의 부하가 큰 경우 또는 프로펠러의 직경이 제한되는 경우에 사용된다. 감속형 덕트는 덕트의 형상이 유속을 감속하도록 되어 있어서 노즐 내부에서 즉, 프로펠러에서의 정적압력이 증가하도록 되어있다. 따라서 이 추진장치는 캐비테이션 발생을 지연시킬 수 있기 때문에 함정의 추진장치로 사용되고 전술상 중요한 캐비테이션 소음을 줄일 수 있다.
- 전류고정날개 추진장치
전류고정날개 추진장치의 모습은 고정피치 프로펠러의 바로 전방에 프로펠러와 유사하게 생겼으나 회전하지 않는 스테이터(Stator)가 장착된다. 특징으로는 배에 의하여 발생하는 불균일한 물의 흐름을 잘 정류하여 프로펠러로 유입되도록 함으로써 추진시스템 하류로 빠져나가는 물의 회전운동에너지를 최소화여 추진장치의 효율을 향상시킨다. 대형선박에 효과적으로 적용될 수 있다. 에너지절약 추진장치로 각광을 받고 있다. 기존의 선박 추진장치에 스테이터를 추가적으로 장착이 가능하다.
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