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에너지 절약장치(Energy Saving Device)

1. 배경

화석연료는 산업, 수송체 및 난방의 주요 에너지원으로 활용되면서 산업발전의 핵심역할을 주

도 하였다. 그러나 이산화탄소 가스의 배출이 지속적으로 증가하여 온실효과를 야기하였고, 이상

기후 현상에 의한 지구 오존층 파손, 북극 융빙 그리고 생태계 변화를 발생시키는 등 역기능을

초래함으로써 지구의 환경 및 안전을 심각하게 위협하고 있다. 이에 1983년 교토의정서가 채택된

이후 유엔기후변화협약에서 온실가스 배출 감축 등에 ‘포스트 교토 체제’에 대한 협의가 진행되고

있다. 그리고 G8 확대 정상회의에서는 ‘2050년 세계 전체의 온실가스 50% 감축’ 원칙을 정하기에

이르렀다. 이러한 온실가스 배출 제한 및 ‘탄소 배출권 거래제’의 확대에 따라 선박의 운항 효율

에 대해 해운사를 비롯한 선주들의 관심이 급격히 높아지고 있으며, 대부분 화석연료를 사용하는

선박을 건조하는 조선소들은 연료가 적게 소모되고 운항 효율이 높은 고 효율 선박 개발이 절실

히 요구되고 있다. 아울러 2008년 말 발생된 금융위기로 인해 최근의 유가는 낮은 상태를 보이고

있지만, 장기적으로는 고 유가 시대의 도래가 당연한 것으로 받아들여지고 있다.

2. 서론

선박의 속도성능을 향상시킬 수 있는 방법에는 크게 두(2)가지가 있다. 하나는 선체(Hull) 및

프로펠러(Propeller)에 의하여 유실될 에너지를 최소화하는 것이다. 이는 선형개발을 통하여 선체

에 작용하는 저항을 줄이고 선체와 프로펠러의 효율을 향상시킴으로써 달성할 수 있다. 다른 하

나는 유실된 에너지를 최대한 회수하는 것이다. 선체와 프로펠러에 의해서 손실된 에너지는 프로

펠러와 타(Rudder) 등에 회수(Mori et al.8)될 수 있으나, 완전히 회수하는 것은 불가능하다. 따라서

선체, 프로펠러 그리고 타 등을 적합하게 선택하고 필요하다면 적합한 에너지 절약장치(Energy

Saving Device)를 부착함으로써 유실된 에너지를 회수할 수 있다.

1973년 유류파동 이후 에너지 절약장치에 의한 선박의 속도성능 향상에 대한 많은 연구가 있

었다. 에너지 절약장치를 부착하기 위하여 우선, 에너지 절약장치가 부착되어 있지 않은 선박에

대한 최적선형을 도출하고, 선체주위 유동에 의한 유체동역학적 특성을 검토한 후 저항 및 추진

성능을 개선하기 위한 다양한 에너지 절약장치를 비교 검토하여야 한다. 일반적으로 프로펠러 하

중도가 낮은 저회전 대직경 프로펠러를 갖는 대형 유조선은 프로펠러 후류의 회전에 의한 에너지

손실은 적으며, 그 중 많은 부분이 타에 의해서 이미 회수되고 있다. Fig. 1은 일반상선 중 선종

별로 프로펠러에 작용하는 하중과 에너지 손실과의 관계를 나타낸 것이다.(Mori et al.8) 이러한 작

용원리를 이해하면 프로펠러 후류(Slipstream)의 회전 에너지를 회수하여 추진성능을 향상시킬 수

있다. 또한 프로펠러, 타 그리고 에너지 절약장치의 상호간섭을 이용하여 자항요소를 개선함으로

써 선박의 속도성능을 향상시킬 수 있는 장치를 개발할 수 있다. 참고로 Fig. 2는 선종 별로 저항

성분에 따른 에너지 손실량에 대하여 나타내었다.

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Fig. 1 Various energy losses of propeller vs propeller load(Mori et al.8)

, ,

Fig. 2 Loss related resistance components

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3. 선체주위 유동특성

에너지 절약장치는 선미부의 복잡한 유동에 부착됨으로 선미형상과 밀접한 관계가 있다. 그리

고 에너지 절약장치는 프로펠러와의 상호작용을 이용함으로 에너지 절약장치의 효율과 프로펠러

하중과는 밀접한 관계가 있다. 따라서 선형, 프로펠러 및 에너지 절약장치 설계를 위하여 선체주

위 유동특성을 파악하는 것이 필요하다.

세장선의 경우는 비교적 선체주위 유동이 간단하나 저속·중속 비대선의 경우는 유동장이 복잡

하다. 특히, 선미 유동장은 Fig. 3에서 처럼 선측의 중앙평행부로부터 선미형상으로 이전

(Convection)되는 한 쌍의 강한 빌지 보오텍스(Bilge Vortex)와 빌지 보오텍스 코어(Core)주위에 회

전유동이 발생된다. 이러한 회전유동은 선박의 점성(渦 저항)저항을 증가시키나, 이 점성에 의하여

비교적 다량의 경계층 흐름이 프로펠러 면으로 유도되고 있으므로 추진성능이 향상된다. 그러나

Fig. 4와 Fig. 5에서 보여주듯이 프로펠러로 유입되는 속도를 불균일하게 만들어 캐비테이션 성능

을 저하시키는 요인이 된다.

Fig. 3 Flow around a ship

Y

Z

-1 -0.5 0 0.5 1

-1

-0.5

0

0.5

1

0.900.850.800.750.700.650.600.550.500.450.400.350.300.250.200.15

Vx /V

0.2V

wn = 0.295

0.3 0 .3

0.4

0.4

0.5

0.5

0.5

0.5

0.5

0.6

0.6

0.6

0.6

0.7

0.7

0.7

0.7

0.8

0.8

0.8

0.8

0.9

0.9

0.9

Y

Z

-1 -0.5 0 0.5 1

-1

-0.5

0

0.5

1

R= 97.5mm

wn = 0.295

Fig. 4 Axial Velocity Contour Fig. 5 Velocity Vector on the propeller plane

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4. 프로펠러와 타에 의한 에너지 회수

4.1 프로펠러에 의한 에너지 회수(Mori et al.8)

선체와 프로펠러의 상호작용은 선체효율(Hull Efficiency, ηH)로 표현된다.

보통 상선의 경우, 추력감소계수(Thrust Deduction Fraction, t)는 0.2이고, 유효반류계수(Effective

Wake Fraction, ω)는 0.3~0.4임으로 ηH 〉 1의 값을 갖는다. 이것은 선체에 의하여 유실된 에너지

의 일부분이 프로펠러에 의하여 회수된다는 것을 의미한다.

이와 관련하여 ω는 에너지 회수와 밀접한 관계가 있으며, 다음과 같은 성분으로 나눌 수 있다.

ω = ωP + ωV + ωW

여기서 ωP는 점성과 무관한 선체 배수량에 기인한 성분이고, ωV는 점성에 기인한 성분이며 ωW

는 조파저항에 기이한 성분이다. ωP는 t와 비례하고, ωW와 함께 ωV와 비교하여 작은 값이므로 ωV

가 클수록 ηH가 좋아진다. 이것은 유체점성에 기인한 에너지 유실의 일부분이 프로펠러 의해 회

수된다는 것을 의미한다. 이러한 효과를 반류 이득(Wake Gain)이라 한다. 일반적으로 ωV의 크기

는 점성저항에 비례하므로 저항면에서는 부정적이지만, 추진효율 면에서는 효율의 증가를 가져오

는 효과가 있으므로 설계자의 주의가 필요하다.

4.2 타에 의한 에너지 회수(Mori rt al.8)

프로펠러와 타와의 관계는 타를 날개가 2개인 회전하지 않는 이중반전프로펠러로 생각할 수 있

다. 타에 작용하는 힘은 선형근사를 이용한다면 압력저항, 마찰저항 및 프로펠러 순환에 기인한

힘으로 나눌 수 있다. 이 중 순환에 의한 힘은 다른 두 힘과 성질이 다르고 추력을 발생시킬 수

있으므로 t를 개선할 수 있다.

Fig. 6 Lift and drag generated on rudder behind propeller

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(VR)X = VX + kX · ΔVX

(VR)θ = kθ · ΔVθ

여기서 VX는 프로펠러의 전진속도이고, ΔVX는 프로펠러 유기속도의 축 방향 성분이며, ΔVθ는 프로

펠러 유기속도의 접선방향 성분이다. 그리고, kX와 kθ는 1.2와 1.0의 값을 갖는다. 따라서 타에 작

용하는 유기된 추력(TR)은 다음과 같다.

여기서, AR은 타 면적이며, aR은 기하학적 받음각(geometrical angle of attack) 이다.

타가 선박의 성능에 미치는 영향을 추정하기 위하여 다음 식을 이용할 수 있다.

타는 일반적으로 유효마력(Effective Horse Power, EHP)과 t를 증가시켜 추진시의 저항성분인

를 증가시키고 회전에너지를 감소시켜 을 증가시키는 경향이 있다.

타의 두께(Thickness), 코드길이(Chord Length) 그리고 비틀림이 선박의 추진성능에 미치는 영향에

대한 연구가 수행되었다.(Ishida et al.4)

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5. 에너지 절약장치 분류

선미 빌지부로부터 선미 방향으로 길게 발달한 빌지 볼텍스 코어주위에 발생한 유체의 회전운

동과 프로펠러 후류에 생성되는 회전유동을 이용할 수 있으면 선박의 점성저항을 감소시킬 수 있

을 뿐만 아니라 선박의 추진성능을 향상시킬 수 있다. 이러한 유체의 회전운동에 의하여 유실된

에너지는 여러 가지 에너지 절약장치에 의하여 회수될 수 있다.

에너지 절약장치는 크게 세(3)가지로 분류할 수 있다. 프로펠러 전류에서 유체의 회전유동을 이

용하는 Pre-Swirl 에너지 절약장치와 프로펠러 후류의 회전류를 이용하는 Post-Swirl 에너지 절약

장치 이외에 추진기 원방에서 와류를 제어하여 추진기에 유입되는 유동을 개선하는 핀 형태의 부

가물이 있다. 3가지 종류에 대한 장치들은 Table 1에 간단히 정리하였다.

Table 1 Energy Saving Devices

Name of Device

Pre-Swirl

에너지 절약장치

- Stern Tunnel Fin

- Namura Flow Control Fin

- L.V.(Low Viscous) Fin

- Spoiler

- Pre-Swirl Stator Vane

- Wake Improvement Duct

- Duct Propeller

- Mitsui Integrated Duct

Post-Swirl

에너지 절약장치

- Stator behind Propeller

- Vane Wheel

- Contra-Rotating Propeller

- Thrust Fin

- PBCF

- A.T.Fin

- Twisted Rudder with Costa Bulb

- ENERGOPAC(Wartsila Lips)

- Rudder Bulb hubcap(Ro;;s-Royce)

- Mitsui Integrated Propeller Boss(MIPB)

- Twisted Leading Edge of Rudder

그 밖의 장치 - 비 대칭 선미형상

- SAVER Fin

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5.1 Pre-Swirl 에너지 절약장치

Pre-Swirl 에너지 절약장치의 기본 개념은 선체에 의하여 생성된 빌지 보오텍스를 제거하여

선체의 점성저항을 감소시키거나, 프로펠러 유입유동을 개선하거나, 미리 회전유동을 주어 추진성

능을 향상시키는 것이다. Pre-Swirl 에너지 절약장치의 부착위치는 유체의 회전운동에너지 공급원

인 선체가 없어지는 프로펠러 앞쪽의 선미부근이 적합하며, 형상은 선형에 따라 빌지 보오텍스의

위치나 강도가 변화하기 때문에 대상선형에 대해 유동을 정량적으로 추정할 필요가 있다.

Namura Flow Control Fin

NCF는 얇은 사각 평판과 같은 단순한 형상이다. Namura Shipbuilding9에서 개발한 것으로

Fig. 7에서 보는 바와 같이 프로펠러 앞에 한 쌍의 판이 부착되어 있다. NCF의 역할은 와류저항의

증가와 프로펠러의 성능을 감소시킬 수 있는 보오텍스와 난류유동을 완화시키는 역할을 한다. 제

동마력 성능을 1~2% 향상시킬 수 있는 것으로 알려져 있다.

Fig. 7 NCF fitted on a Panamax Bulker

Stern Tunnel Fin

Tabibayashi et al.19에 의해 개발된 것으로 유동박리 방지, 프로펠러 위 부분의 역흐름 억제

그리고 프로펠러 면에서의 반류 피이크(Peak)를 낮춤으로써 프로펠러 진동감소를 꾀한다.

L.V.(Low Viscous) Fin

Fig. 8에 보여주는 이 장치는 Ishida et al.4에 의해 제안된 것으로 선미유동을 직선화하고 경계

층을 줄이는 역할을 한다. 압력회복을 빠르게 하여 점성압력저항을 감소시킨다.

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Fig. 8 L.V. Fin

Spoiler

프로펠러 앞의 선체에 부착된 핀(Fin)들의 조합으로 가로지르는 유동(Cross Flow)을 펴서 프로펠

러 효율을 증가시키는 장치이다. Spoiler의 효과는 선형요소(방형계수와 흘수), Frame 형상, 핀 형

상 및 위치와 관계된다. 부착에 따른 작동원리는 Fig. 9(a)~9(b), 그리고 실제선박에 부착된 모습은

Fig. 9(c)에 나타내었다. 이 장치는 Grothues-Spork1에 의해 연구되었다.

Fig. 9(a) Bilge vortex with propeller Fig. 9(b) Flow straightening by spoilers

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Fig. 9(c) Spoiler

Pre-Swirl Stator Vane(전류고정날개)

일반적으로 프로펠러는 배의 뒷부분에 설치되기 때문에 프로펠러에 들어오는 물의 흐름은 균

일하게 들어오지 못하고 배를 스쳐 지나오면서 복잡하게 된다. 프로펠러 앞부분에 설치된 전류고

정날개는 배에 의해 발생되는 불균일한 물의 흐름을 보다 균일하게 흐르도록 함으로써 프로펠러

하류로 빠져나가는 물의 회전운동에너지를 최소화하여 효율을 높여주는 장치이다.

스테이터(Stator)는 프로펠러 회전방향의 운동에너지를 회수하여 추진을 얻고자 하는 대표적

인 부가물로 이중반전프로펠러(Contra-Rotating Propeller)에 비해 간단한 장치이고, 비용 또한 낮

은 장점이 있다. 전류고정날개의 원리는 프로펠러에 의해 유기되는 접선속도와 반대방향인 접선

속도(Counter-Swirl)을 주기 위하여 프로펠러 전방에 고정날개를 설치한 것이다. 즉, 고정날개-프로

펠러 추진시스템 후류에서의 회전방향 운동에너지의 손실을 최소화함으로써 추진효율 향상을 꾀

하기 위한 장치이다. 이 장치는 아래방향 회전유동(Rotation Downstream)의 감소가 저항증가보다

클 때 효과적이다.

일본에서는 이를 반작용 핀(Reaction fin)이라 하며, 1980년대부터 미쯔비시(Mitsubishi) 조선소

에서 VLCC 유조선에 적용해 왔다. 작동원리는 Fig. 10에 나타내었다. 통상 일반 프로펠러 대비 5-

6% 정도 효율 향상이 있다고 한다. 미쯔비시의 Reaction fin 관련 일본 특허는 2002년에 거의 만

기되었으며 미쯔비시에서는 한국, 중국 그리고 스페인에 특허를 신청하여 등록한 상태이다. (특허

출원번호 : 1984-015833, 1987-248992, 1989-099820, 1992-130188)

한국의 경우 최근에 특허 등록(특허등록번호 : 41672)이 되었으나 특허 범위가 극도로 제한되

어 국내에서 전류고정날개를 사용하는 데는 거의 문제가 없다.

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Fig. 10 Recovery of rotational energy of propeller slipstream by stator vane(Takekuma et al.18)

국내에서는 1990년 초부터 MOERI를 중심으로 활발하게 진행되어 왔으며, 모형시험에서 최대

6%의 연료절감효과를 얻은 바 있다.(Kim et al.5, Lee et al.6, 7 , Yang et al.21, 22, 23)

2007년 대우조선해양에서는 32만 톤급 초대형 유조선에 편재된 비 대칭형 전류고정 날개

(Biased Asymmetric Pre-Swirl Stator)를 설치하여 연료 절감을 확인하였다. 이 선박은 기존 선박에

비해 약 3~5% 가량의 연료 절감 효과를 봤으며, 같은 연료를 사용할 경우 약 0.24노트 정도의

속도 증가 효과가 있는 것으로 보고했다. 장비 설치를 위해 투입된 비용도 선종이나 유가에 따라

다르지만, 6개월에서 1년 정도만 운항하면 충분히 회수할 수 있을 정도로 경제적 효과가 있다고

한다.

부산대학교에서 좌우 비대칭형 전류고정날개를 개발하여 더 콤팩트하면서 효율은 6%대를 보여

실선화에 대한 가능성을 보여주고 있다. 실제선박에 부착된 모습은 Fig. 11에 나타내었다.

Fig. 11 Pre-Swirl Stator Vane

Wake Improvement Duct

Stierman16, 17에 의해 제안된 것으로 프로펠러 상단부로 유입되는 유동을 가속시키고 하단부

로 유입되는 유속은 약간 감소시켜 균일한(Homogeneous)한 반류분포를 만든다. 트림(Trim)이 없

는 상태(Even Keel Draft)인 설계흘수에서 설계하였기 때문에 선미 트림이 있는 Ballast 상태에서는

효율이 감소될 것으로 추정된다. 설계흘수에서도 속도에 따라 그 효과가 다르다고 보고되어 있다.

덕트(Duct) 설계는 비대선의 경우에는 유효반류계수(ω)의 변화가 적으면서, 추력감소계수(t)를 작

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게하여 선체효율(ηH)을 증가시키는 방향으로 설계되어야 한다. 세장선의 경우에는 유동을 균일하

게 하여 프로펠러 유기 진동을 줄이는 방향으로 설계해야 한다. 실제선박에 부착된 모습은 Fig.

12에 나타내었다.

Fig. 12 Wake Improvement Duct

덕트 프로펠러(Duct propeller)

복합추진기로 가장 유명하고 많이 사용되어지는 것으로 효율적인 측면 뿐 아니라 프로펠러의

보호 및 캐비테이션의 지연 등 다목적으로 사용되어지기 때문에 사용 예가 많은 편이다. 가속형

덕트와 감속형 덕트로 나눌 수 있는 바 이는 효율관점에서는 가속형 덕트가 유리하나 잠수함과

같이 프로펠러의 캐비테이션 지연 목적으로 사용되어지는 경우는 감속 덕트를 사용한다. 일반 상

선에서는 거의 가속덕트를 사용하며 이에 대한 종류도 그 세부 목적에 따라 조금씩 달라진다. 가

속덕트의 효율향상 원리는 저속비대선의 경우 프로펠러로 유입되는 유입류의 각도가 매우 커서

이 각도에 맞게 덕트 단면을 잘 설계하면 이에 따라 양력이 발생하게 되고 이 양력 중 배 진행방

향의 성분이 추력으로 이용된다. 통상 덕트의 중앙부에 프로펠러가 위치하나 미쯔이(Mitsui) 조선

에서는 덕트 후미에 프로펠러를 설치하여 적용한 바 있다.

Fig. 13 Duct propeller

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미쯔이 복합 덕트(Mitsui Integrated duct)

덕트 프로펠러와 스테이터의 복합 형태이다. 프로펠러가 덕트 안에 있는 일반적인 덕트 프로펠

러와 달리 덕트 바로 뒤에 프로펠러가 위치해 있다. 이 방식의 덕트는 기존의 프로펠러의 성능

개선용으로 유용하다. 미쯔이 조선에서 상용화한 바 있다.

Fig. 14 Mitsui Integrated duct

5.2 Post-Swirl 에너지 절약장치

배는 프로펠러가 회전하는 것에 의하여 추진력을 얻지만, 이때 프로펠러 뒤쪽에 남는 회전운동

에너지는 추진에 기여하지 않기 때문에 에너지가 손실된다. 이 회전운동에너지의 일부는 타에 의

하여 정류될 때 전진 추력으로서 회수되지만, 전부를 회수할 수는 없고 잔여물은 뒤쪽에 버려지

고 있다. 이러한 메커니즘에 의하여 손실된 프로펠러 뒤쪽의 회전운동에너지를 회수하는 것을 목

적으로 한 것이 Post-Swirl 에너지 절약장치 이다.

Stator behind Propeller

프로펠러 회전방향의 에너지를 축방향으로 변환하여 추진력으로 이용하기 위한 장치이다. Fig.

15에 나타난 바와 같이 그 작동원리는 스테이터 날개에 걸린 양력을 추력성분으로 변환하는 장치

이다. Fig. 15에서와 같이 스테이터 핀이 유입유동에 대해 일정한 유입각도를 가지고 있을 때, 축

방향의 속도인 VX와 접선방향의 속도 VT로 속도성분을 나눌 수 있고, 그 유입각도 때문에 양력과

항력이 발생하게 되고, 결과적으로 두 힘의 합에 의해서 추력이 발생하게 된다. 이 때 스테이터의

피치각은 민감한 설계인자로 양력의 방향이 반대로 되면 추력 대신 항력으로 작용하여 오히려 성

능을 떨어뜨리게 되므로 피치각이 스테이터의 성능을 결정하는 중요한 인자가 된다.

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Fig. 15 Operating Mechanism of Post Swirl Stator

후류고정 스테이터는 타 혼에 부착하는 방식과 움직이는(Movable) 부분에 코스타 벌브(Coaster

Bulb)와 함께 부착하는 방식으로 나뉜다. Ikeda3에 의해 개발되어 실제선박에 부착된 모습과 상세

도면은 각각 Fig. 16(a)와 Fig. 16(b)에 나타내었다.

Fig. 16(a) Post Swirl Stator

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Fig. 16(b) Configuration of stator behind propeller

Vane Wheel

프로펠러의 직경이 제한되어 있을 경우 프로펠러 직경의 상승은 효율상 이익을 가져올 수 있다.

메인 프로펠러의 직경 증가 없이 직경을 증가 시키는 효과를 얻을 수 있는 것이 베인 휠이다. 베

인 휠은 축에 의한 토크 없이 자유로이 운동하는 프로펠러 뒤에 위치한 휠이다. 베인 휠의 안쪽

은 터빈 파트이고 바깥쪽은 임펠러로 구성되어 있다. 효율 향상의 원리는 프로펠러의 후류 회전

에너지를 터빈 파트에서 흡수하여 임펠러 파트가 추진력을 더해주는 방식이다. 그러므로 베인휠

의 회전율은 메인 프로펠러의 것보다 낮다.

Grim이 개발 하였다하여 Grim Vane-wheel이라고도 하며 한 때 유럽에서 각광을 받았으나 휠크

기가 프로펠러의 직경보다 크고 고정되어 있지 못해 손상의 사례가 빈번하여 자취를 감추게 되었

다. Tanaka20는 프로펠러 허브 뒤쪽에 부착된 자유회전 프로펠러를 이용하여 프로펠러의 후류 에

너지를 부가추력으로 전환하는 장치를 개발하였다.(Fig. 17) 크기는 일반적으로 프로펠러 직경의

1.2배이다. Vane Wheel의 내부영역은 터빈처럼 작동하고 외부영역은 프로펠러처럼 작동한다. 회전

방향은 프로펠러와 같은 방향이고 회전속도는 프로펠러의 30~50%이다.

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Fig. 17 Propeller and vane heel

Contra-Rotating Propeller(상반회전 프로펠러, CRP)

프로펠러의 회전에너지를 회수하는 개념의 가장 강력한 프로펠러가 상반회전 프로펠러이다. 두

개의 프로펠러는 상반되는 방향으로 회전한다. 축의 진동을 줄이기 위하여 두 프로펠러의 날개의

개수는 다르고 따라서 모든 날개가 동시에 같은 지점을 지나지는 않는다. 흔히 앞쪽 프로펠러의

직경이 뒤쪽 프로펠러의 것보다 약간 더 크다. 이는 앞쪽 프로펠러를 지난 후류가 수축하기 때문

이며 앞쪽 날개의 팁 보오텍스(Tip Vortex)가 뒤쪽 날개와 부딪치는 것을 피하기 위해서이다. 적당

한 하중을 받고 있는 프로펠러의 회전 loss는 8%정도이다. 그중 2%는 러더에 의해 보상되고, 따

라서 CRP를 사용함으로서 얻을 수 있는 이득은 6% 정도이다. 이러한 관점에서는 효율 증가가 그

렇게 크지 않으나 두개의 프로펠러에 의한 하중 분담으로 회전수를 줄임으로써 마찰에 의한 손실

을 줄이는 것이 가능하다는 것이다. 이는 설계에 있어 어떤 피치와 회전율에서 가장 적합한 효율

을 낼 수 있는 가를 알아낸다면 이해할 수 있는 부분이다. 피치가 커짐에 따라 일반적으로 3차원

효과의 과다로 인하여 효율이 하락하나 CRP의 경우 회전 손실을 보상해 줄 수 있기 때문에 회전

손실의 증가 없이 피치를 늘려줄 수 있다. 이것은 결국 회전율을 낮출 수 있게 하고, 회전 손실의

증가 없이 마찰 손실을 줄일 수 있게 하는 것이다. 따라서 CRP는 보다 낮은 회전율을 가지고 싱

글 프로펠러의 효율을 15%정도 향상 시킬 수 있는 것이다. 그러나 낮은 회전율은 엔진에 있어

어려움을 줄 수 있다. 뒤쪽 프로펠러는 종종 메인 엔진과 직접 연결되고, 그 회전율은 메인엔진의

회전율에 의해 결정된다. 기어 박스는 한쪽 프로펠러의 회전 방향을 바꾸어주고 그것의 회전율을

줄여주어야만 한다.

기술동향은 다음과 같다.

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이중반전프로펠러를 단일 엔진 10,000 TEU 급 컨테이너 운반선에 설치하면, 12%의 연료절감과

25노트의 운항이 가능하다고 IHI(Ishikawajima-Harima Co., Ltd.)는 전한다. IHI는 4,000 TEU 에서

10,000 TEU 급의 컨테이너 운반선에 사용할 수 있는 대형 CRP를 개발했다. 1988년 대형 CRP를

개발한 후, 이듬해 IHI는 37,000 DWT 급 산적 운반선 Juno호에 맞도록 이를 개조했다. 1993년에

는 259,000 DWT 급 CRP는 이 두 척의 운전 경험 결과로부터 개발되었는데, VLCC의 2배에 해당

되는 전달 토오크를 발생시킨다. 현재 건조되고 있는 컨테이너 운반선은 6,000 에서 7,000 TEU

급 사이이며, 8,000 TEU 급과 그 이상인 10,000 TEU 급은 건조된 바는 없으나 설계상으로는 존재

한다. IHI는 새로 개발된 CRP를 단일 엔진, 단일 스크루가 장착된 10,000 TEU 급 컨테이너 운반선

에 장착하면 25노트의 운항이 가능하다고 말한다. IHI는 CRP 시스템의 개발과 연계하여, 8,000

TEU 급과 10,000 TEU 급의 컨테이넌 운반선 설계를 개발했다. IHI는 CRP를 설치하는데 소요되는

추가 투자비는 연료 절감을 통해 2.5~3년이면 회수가 가능하다고 말하고 있으며, 이중 엔진/이중

스크루 추진 기관을 사용하는 경우보다 저렴하다고 덧붙였다. 실제선박에 부착된 모습은 Fig.

18(a)와 Fig. 18(b)에 나타내었다.

Fig. 18(a) Contra-Rotating Propeller

Fig. 18(b) Contra-Rotating Propeller

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Thrust Fin(추력날개)

프로펠러 뒤의 회전류를 정류시켜 회전에너지의 손실을 줄여 주면서 동시에 프로펠러 뒤로

발생하는 회전류에 의해 추가적인 양력이 발생하도록 설계한 장치이다. 추력날개는 비행기 날개

모양의 장치로, 프로펠러 회전으로 인해 부가적으로 발생하는 회전류를 항공기의 양력 원리를 응

용해 추진력으로 활용하는 것이 특징이다.

현대중공업에서는 4~6%의 연료절감 효과가 있는 추력날개를 대형 컨테이너 운반선에 적용

해서 인도하였고 앞으로도 동급 컨테이너 운반선에 추력날개를 설치할 계획으로 알려져 있다. 실

제선박에 부착된 모습은 Fig. 19에 나타내었다.

Fig. 19 Thrust Fin

Propeller Boss Cap Fins(PBCF)

PBCF는 프로펠러 허브 보오텍스(Hub Vortex)로 인한 와류저항을 감소시켜 배의 추진효율을

향상시키는 장치이다. 이 장치는 1987년도에 일본 Mitsui O.S.K. Lines, Ltd.(MOL)를 중심으로 몇

개의 연구기관에 의해서 개발되어 특허출원과 함께 상용화되었다.(Ouchi et al.11, 12, 14)

PBCF의 개념은 프로펠러 날개 수와 동일한 개수의 작은 핀들이 보스 캡(Boss Cap)에 부착되

어 프로펠러와 함께 회전한다. 이 장치로 인해 허브 보오텍스는 상당히 줄어들고, 보스 캡 주위의

회전류에 의한 손실은 핀에 의해서 회복된다. 따라서 프로펠러 효율이 향상된다. 즉, PBCF는 프로

펠러 토오크(Torque)를 감소시키고 추력을 증가시키는 역할을 한다. Ouchi et al. 11, 12, 14은 7척의

다양한 선종에 대한 실선 시운전 결과로부터 제동마력 측면에서 4.3%의 효율 향상을 얻었다고

보고되고 있다. 또한 실제 운항일지에도 상당한 효율이득이 있는 것으로 알려져 있다. 현재, 전

세계적으로 1700척 이상의 배의 프로펠러에 채용되고 있는 에너지 절약 장치이다. 개략도와 작동

원리, 그리고 실제선박에 부착된 모습은 각각 Fig. 20(a)와 Fig. 20(b)에 나타내었다.

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Fig. 20(a) Outline, flow and force around Propeller boss cap fin

Fig. 20(b) PBCF

A.T. (Additional Thrust) Fin

IHI에서는 1984년도에 Mori et al.8에 의해 A.T.(Additional Thrust) Fin을 개발하여 특허 출원하

였다. 유효마력은 거의 변화지 않고, t가 개선되어 ηH를 향상하고자 하는 장치이며 개략적인 모습

과 작동원리는 각각 Fig. 21(a)와 Fig. 21(b)에 나타내었다.

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Fig. 21(a) View of A.T. Fin(Mori et al.8)

Fig. 21(b) Lift and drag generated on A.T. Fin behind propeller(Mori et al.8)

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Twisted rudder with costa bulb

- 허브 보오텍스(hub vortex) 감소

- 유효반류 향상

- 프로펠러 후류의 유동박리 감소

- 균일한 축 방향 후류 생성

- 프로펠러로 유기된 변동압력 감소

- HSVA : Twisted Rudder(2%) +Costa Bulb(2%)

- SSPA : Rudder Bulb(0~2%)

Fig. 22 Twisted rudder with costa bulb

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ENERGOPAC(Wartsila Lips)

프로펠러 허브 뒤에 발생하는 유동 박리를 효과적으로 제어하여 연료소비를 감소시키는 장치

이다. Fig. 23(a)는 일반러더와 ENERGOPAC과의 CFD 결과를 보여주고 있다. Fig. 23(b)는 개발된 러

더의 전형적인 모습을 보여주고 있다.

- Lips claimed gain : 3~7%

- HSVA : Up to 6%

Fig. 23(a) ENERGOPAC(Bottom), Fig. 23(b) Typical ENERGOPAC

Conventional Rudder(Top)

Rudder Bulb Hubcap(Rolls-Royce)

추진성능 향상, 변동압력 감소 그리고 조종성능 향상을 목적으로 개발된 장치

Fig. 24 Rudder Bulb Hubcap

- Single screw chemical tanker : 3~6%

- Twin screw RoRo : 1~2%

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5.3 그 밖의 에너지 절약장치

비대칭 선미선형

선형에 관계된 에너지 절약 대책으로 앞에서 설명한 프로펠러 주위의 선미부에 부가물을 설치하

는 방법 외에 선형 자신을 좌우비대칭으로 변형하는 방법이 있다. Ishida et al.4에 의해 제안된 선

형이다.

비대칭 선미부의 유동은 대칭 선미부와 비교하여 다음과 차이가 있다.

- 프로펠러 면에서 프로펠러 회전방향과 반대의 모멘트를 갖는다.

- 축 방향 반류가 작다.

- 난류강도가 작다.

- 유동의 불 균일성이 전반적으로 크다.

그러나 비대칭선형은 빌지 볼텍스가 큰 비대선에서는 그다지 큰 효과를 기대할 수 없다. 그

리고 선체를 비대칭으로 한다면 설계 및 건조상의 수고는 대폭적으로 증가한다. 좌우 대칭선형에

프로펠러의 위치를 우현으로 편위시키는 방법이다. 그러면 프로펠러의 회전방향과 역방향의 회전

흐름이 거의 전 둘레에 걸쳐 유입하게 되어 추진 효율이 향상될 것이다. 선미형상은 Fig. 25에 나

타내었다.

Fig. 25 Asymmetric stern form

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SAVER (SAmsung Vibration and Energy Reduction) Fin

삼성중공업은 압력저항과 진동개선 용 유동제어장치로써 연료절감 장치인SAVER(Samsung

Vibration and energy Reduction, 국내특허 10-0718934) Fin을 개발하였다.(Hong et al.2) 시운전 결

과, 연비개선은 설계흘수에서 약 2~4%, 변동 압력은 30~70% 감소하는 결과를 얻었다고 한다. 이

장치는 소형 구조물이라는 장점을 갖고 있어 간단하고 구조적으로 안정되며 초기 설치 비용을 최

소로 할 수 있다고 보고되었다. 실제선박에 부착된 모습은 Fig. 26에 나타내었다.

Fig. 26 Asymmetric stern form

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