서 론

국제해사기구 (IMO)의 조종성 잠정 기준이 채택된 이 래 선박조종성능에 대한 연구가 많이 수행되어 왔지만, 특수선에 대한 연구는 많지 않은 실정이고, 주로 저속비 대선과 일반타를 장착한 선박에 대한 모형실험에 대한 연구가 이루어져 왔다 (Lee et al, 2000). IMO는 운항의 안전성 확보 관점에서 충분한 조종성능을 확보하는 것의 필요성에 따라 선박의 조종성능에 관한 잠정성능 기준 (Interim standards for ship maneuverability) A. 751 (18) 을 1993년 11월에 채택하였고, 1994년 7월 1일 이후 건 조되는 선박에 대해서 적용할 것을 결의하였다. 이후 2002년 76차 MSC (Maritime safety committee)에서 선 박의 조종성능 기준안 MSC Resolution 137 (76)이 확 정되었다.

조종성능은 침로안정 성능, 변침 성능, 선회 성능, 정 지성능 등으로 평가되며, 조종시험은 선회시험, zig-zag 시험, 긴급 정지시험 등이 표준 조종시험으로서 활용되 고 있다.

최근의 선박 건조에서 선주와 조선소는 초기설계단 계에서 선박의 대각도 선회성능을 향상시키기 위하여 특수타인 flap rudder 설치를 확대하고 있다. Flap rudder의 최대 장점은 최소타각에서도 최고의 타압력을 발생시키는 우수한 선회성을 가지고, 또한 타가 45° 또 는 그 이상의 각도까지 동작하여 stern thruster로 사용 될 수 있다는 것이다.

선박의 조종성능과 관련한 선행 연구로서 Gim et al (2008)은 플랩이 부착된 특수타의 동유체력 제어효과에 관한 연구에서 플랩 각에 따른 속도 및 에너지 분포와 단동타의 유동특성을 비교하여 플랩타의 성능특성을 평가하였으며, kim et al. (2010)의 고 양력 타에 대한 연구에서는 타와 관련된 동유체력 미계수의 값을 양력 증가에 따라 변화시켜 조종성능의 변화를 예측한 결과, 타의 양력 증가에 따라 선회성능이 개선됨과 동시에 변 침 성능을 저해할 가능성이 있다는 점을 지적하였으며, Kim (2011)은 천수에서 저속 항행 시 타력 향상에 따 른 선박의 선회성능 및 변침성능 향상 정도를 수치 시 뮬레이션을 통하여 정량적으로 평가하였다.

또한 Kim (2013)은 실선 실험을 통하여 1,900톤급 해양조사선의 조종성능을 연구하고, 그 결과가 IMO 조 종성능 기준에 충족하는지에 대한 종합적인 평가를, Jun et al. (2012)은 타력 증가에 따른 선박의 선회 성능 향상 효과를 분석하였으며, Ahn et al. (2012)은 비대칭 전 가동타 (X–twisted rudder)의 종횡비 및 비틀림 각이 타의 직압력 계수에 미치는 영향에 대하여 분석하고, 비대칭 전 가동타 (X–twisted rudder)는 작은 타 면적으 로도 일반 타와 유사한 조종성능을 확보할 수 있다고 주장하였다.

이 연구에서는 선형과 톤수가 동일한 8,000톤급 신조 선을 동시에 건조하여 한 척에는 semi–balanced rudder 를, 다른 한 척에는 flap rudder를 부착하여 zig–zag 시 험, 익수자 구조 시험 및 정지성능 시험을 실시하여 이 들 선박이 장착한 두 종류의 타의 성능을 서로 비교하 고, 또한 이들 선박의 조종성능이 IMO의 조종성 기준 을 만족하는지 분석하였다.

재료 및 방법

시험에 사용된 선박은 재화중량톤수 8,000톤의 Oil/ Chemical tanker이며, 선박의 제원은 Table 1과 같다. 선 회성능에 대한 실선 해상실험은 2007년 3월 10일~3월 12일과 6월 16~17일에 거제도 해역에서 행하였다.

해상실험을 행한 해역의 수심은 94 m로 충분하였고, 풍속은 시험시작과 완료 시 모두 2.5~ 4.5 m/sec으로 변화가 거의 없었다.

Semi–balanced rudder와 flap rudder의 제원은 Table 2와 같이 각각 5,295×3,750 mm 및 4,000×2,850 mm 이며, rudder의 body plan은 Fig. 1 및 Fig. 2와 같다.

시험시의 적하상태는 경하상태일 때는 4,523 tons으 로, 만재상태일 때는 11,076 tons으로 조정하여 시험을 실시하였으나, zig–zag시험과 정지성능 시험은 해상 실 선실험의 어려움으로 인하여 만재상태에만 행하였으며, 익수자 구조 조선 시험에 대해서는 경하상태와 만재상 태에서 모두 행하였다.

시험 시 선속은 zig–zag시험과 익수자 구조 조선 시 험에서는 상용출력 (85%, NCR)을, 정지성능 시험에서 는 연속최대출력 (100%, MCR)으로 조정하여 시험을 행하였다.

세부적으로 zig–zag시험은 우 타각 10°와 20°로 행하 였으며, 이때 flap은 별도 타각을 주지 않고 rudder 전체 가 10° 및 20°가 되도록 조정하였다. 익수자 구조 조선 시험은 구조 조선법 중에서 정확성이 높고, 해상수색구 조편람 (IAMSAR)에서 권장하고 있는 Williamson's turn 방식으로 실시하였다. 그리고 정지성능 시험은 전속 전 진 중 엔진을 정지하고 선속이 4 knots가 될 때 까지를 기준으로 측정하였다.

조종성능의 크기는 선체요소, 즉 방형계수, 흘수 트 림, 중량분포, 수면하의 선체형상, screw propeller의 회 전방향 등과 선속에 따라 다르게 나타나게 되나, Froude Number 0.3 이하에서는 선속이 선회경에 영향을 주지 않기 때문에 (An et al., 2005), 이 실험에서는 Table 3과 Table 4의 조건을 기본으로 하여 측정하였다.

또한 조종성능 지수 값은 트림에 영향을 받으므로 가 능한 even keel 상태로 하는 것이 좋으나, 이 연구의 목 적이 통상적인 항해 상태에서의 조종성능을 추정하는 것이기 때문에 조건에 맞추지는 않았다.

해상실험 결과 분석에서 실험선박의 톤급과 유사한 rudder를 사용하여 실선을 이용한 해상 비교 실험을 행 한 연구는 없었으며, 대부분 모형시험을 이용한 조종성 능 추정 또는 수치적인 방법에 의한 조종운동 특성 계 산에 관한 연구들이 주로 이루어져왔다. 실험 선박의 타의 면적 비는 semi–balanced rudder는 1/54, flap rudder는 1/67이었다.

결과 및 고찰

Zig–zag 시험

Fig. 3은 semi balanced rudder의 ±10° zig–zag 시험 결과를 나타낸 것으로 +10° zig–zag 시험에서는 1차 overshoot yaw angle이 11.0°, 2차 overshoot yaw angle 은 –14.0°로 나타나 변침성능, 직진 안정성 등이 낮음을 확인 할 수 있었다.

Fig. 4는 flap rudder의 ±10° zig–zag 시험 결과를 나 타낸 것으로 +10° zig–zag 시험에서는 1차 overshoot yaw angle이 10.8°, 2차 overshoot yaw angle은 –15.4° 로 나타나 semi balanced rudder와 비교하여 볼 때 초기 의 선박의 직진 안정성은 다소 양호하였으나, 2차의 overshoot yaw angle은 다소 크게 나타났다. 이러한 결 과는 최대 타각 30°이하의 타각에서는 rudder의 flap이 작동하기 않았기 때문으로 판단되며, 2차 overshoot 에 소요되는 시간은 flap rudder의 경우 20초 이상 단축되 어 변침성능은 더 양호한 것으로 나타났다.

Fig. 5는 semi balanced rudder의 ±20° zig–zag 시험 결과를 나타낸 것으로 +20° zig–zag 시험에서는 1차 overshoot yaw angle이 22.2°, 2차 overshoot yaw angle 은 –21.0°로 나타나 변침성능, 직진 안정성 등이 낮음을 확인 할 수 있다. 이는 IMO의 조종성능 중 변침 및 침 로안정성 기준인 1^st overshoot 25°이하에 적합하였다.

Fig. 6은 flap rudder의 ±20° zig–zag 시험 결과를 나 타낸 것으로 +20° zig–zag 시험에서는 1차 overshoot yaw angle이 18.0°, 2차 overshoot yaw angle은 –16.0° 로 나타나 semi balanced rudder와 비교하여 볼 때 1차 및 2차의 overshoot yaw angle이 각각 – 4.2°와 –5.0°로 나타나 선박의 직진 안정성 및 변침성능이 양호함을 알 수 있었다. 또한 ±10° zig–zag와 비교하여 볼 때 ±20° zig–zag에서 선박의 조종성능이 가장 양호하다고 판단 된다. 이는 IMO의 조종성능 중 변침 및 침로안정성 기 준인 1^st overshoot 25°이하에 비하여 적게 나타나, flap rudder는 semi–balanced rudder보다 더 작은 타 면적으 로도 양호한 조종성능을 확보할 수 있는 것으로 나타 났다.

익수자 구조 시험

또한 flap rudder 주위의 운동에너지 분포는 플랩 각 의 조작에 따라 달라지며, 플랩 타의 증가에 따라 양력 보다 항력을 증가시켜 전체 flap rudder의 측압력으로 작용하며, 이는 플랩의 각도가 커짐에 따라 항력이 양 력보다 큰 성분으로 작용하여 타 직압력으로 작용 (Kim et al, 2008)하기 때문인 것으로 판단된다.

Fig. 7은 ballast condition일 때, semi balanced rudder 와 flap rudder를 장착하여 Williamson's turn 구조 조선 법을 시행한 결과, semi balanced rudder는 횡거는 494 m, 종거는 819 m 이었고, 익수자 발생 위치로부터 외 방으로의 이동편차는 44 m로 관측되었으며, flap rudder는 횡거는 407 m, 종거는 709 m 이었고, 익수자 발생 위치로부터 외방으로의 이동편차는 35 m로 관측 되어 semi balanced rudder에 비하여 익수자 구조 초기 선회 및 변침 조종성이 양호하게 나타났으며, 최종 구 조 단계에서 익수자로부터의 위치 편차도 감소한 것으 로 나타났다 (Table 5).

Fig. 8은 full load condition일 때, semi balanced rudder와 flap rudder를 장착하여 Williamson's turn 구 조 조선법을 시행한 결과, semi balanced rudder는 횡거 는 363 m, 종거는 765 m 이었고, 익수자 발생 위치로 부터 외방으로의 이동편차는 48 m로 관측되었으며, flap rudder는 횡거는 333 m, 종거는 665 m 이었고, 익 수자 발생 위치로부터 외방으로의 이동편차는 8m로 관 측되었다 (Table 6).

이러한 결과에서 볼 때 flap rudder일 때가 semi balanced rudder에 비해 flap이 추가적으로 꺾임으로 인 하여 더욱 큰 양력이 발생하여 횡거, 종거 및 위치편차 는 –29 m, –100 m 및 –44 m 감소하였고, 구조시의 조 종성이 더 양호한 것으로 판단된다.

Fig. 7과 Fig. 8의 결과에서 full load condition일 때 는 ballast condition에 비해 semi balanced rudder와 flap rudder의 횡거, 종거 및 위치편차는 각각 –74 m, –44 m, –27 m 및 –132 m, –54 m, –4 m 로 감소하여 익수자 구 조 조선의 조종, 선회 및 변침성이 더 양호하다고 판단 되며, full load condition 및 flap rudder일 때 익수자 구 조 조종성이 가장 양호한 것으로 나타났다. 따라서 flap rudder는 semi–balanced rudder보다 더 작은 타 면적에 서도 익수자 구조 조선성능이 더 양호함을 확인할 수 있었다.

정지성능 시험

Fig. 9는 full load condition일 때, semi balanced rudder를 장착한 시험선이 전속 (14.10 knots) 전진 중 엔진을 정지하고 선속 4 knots될 때까지를 측정한 결과 로서 14.10 knots에서 선속 4.0 knots까지 경과 시간은 3 min 59sec, 진출 거리는 1,105 m (10.5 L)이었다. 선 속의 감소에 따라 선체가 정지하기까지 선미는 우 편향 되었으며, 선수는 약 75° 정도 좌 편향되었다. IMO의 조종성 기준은 최단정지거리의 15 L이내이므로 시험선 의 정지거리는 이 범주에 포함되었으며, 후진엔진을 사 용하였을 경우는 최단정지거리가 이보다 더 단축될 것 으로 판단된다.

Fig. 10은 full load condition일 때, flap rudder를 장 착한 실험에서 시험선이 전속전진 중 엔진을 정지하고 선속 4 knots될 때까지를 측정한 결과로서 14.10 knots 에서 선속 4.0 knots 까지 경과 시간은 11 min 19sec, 진출거리는 2,587 m (24.6L)이었다. 선속의 감소에 따 라 선체가 정지하기까지 선미는 좌 편향되었고, 따라서 선수는 약 15° 정도 우 편향되었는데 이러한 결과는 일 반적인 경향과는 반대되는 현상으로 진출거리 등은 해 상실험 당시의 일시적인 해류와 조류의 흐름에 의한 것 으로 판단되며, 추후 이에 대한 검증 연구의 진행이 더 필요하다고 판단된다.

결 론

재화중량톤수 8,000톤의 신조선을 이용하여 zig–zag 시험, 익수자 구조 시험 및 정지성능 시험에 대한 해상 실선실험을 실시하여 조종성능을 분석한 결과, semi balanced rudder와 flap rudder의 ±10° zig–zag 시험에서 는 1차 및 2차의 overshoot yaw angle은 각각 11.0°, 10.8˚와 –14.0°, –15.4°로 나타났으며, ±20° zig–zag 시 험에서는 1차 및 2차의 overshoot yaw angle은 22.2°, 18.0°와, –21.0°, –16.0°로 나타나 flap rudder에서 선박 의 직진 안정성 및 변침 성능이 더 양호한 것으로 관측 되었다.

익수자 구조 시험에서는 full load condition일 때, ballast condition에 비해 semi balanced rudder와 flap rudder의 횡거, 종거 및 위치편차는 각각 –74 m, –44 m, –27 m 및 –132 m, –54 m, –4 m 로 감소하여 익수자 구 조 조선의 조종, 선회 및 변침성이 더 양호하다고 판단 되며, full load condition 및 flap rudder일 때 익수자 구 조 조종성능이 가장 양호한 것으로 나타났다.

정지성능 시험에서는 full load condition이고 semi balanced rudder의 장착하였을 때 14.10 knots에서 선속 4.0 knots 까지 경과 시간은 3 min 59sec, 진출거리는 1,105 m (10.5 L)로 IMO 조종성 기준에 적합하였다.