서 론

어업환경의 변화와 어족자원의 감소로 말미암아 어가 소득은 답보상태에 있으며, 이를 타개하기 위하여 자원 조성과 관리에 대한 정부와 민간의 노력이 병행되고 있 다. 잡는 어업에 있어서 필수적인 도구인 어선의 에너지 절감을 위해서도 다양한 연구들이 진행되었다. 원양어업 분야에서는 구상선수를 채용하는 방법으로 어선의 선형을 개선하여 조파저항을 줄이거나 (Hong et al., 2011; Hong et al., 2015), 또는 추진기를 신규로 설계하여 조업 에 필요한 유류비를 절감하고 있다 (Hong et al., 2010). 연근해 어업에서는 어선의 집어등을 에너지소모가 적은 LED로 교체하고, 태양광 발전장치를 활용하고 있다 (Jeong et al., 2014). LED집어등을 적극적으로 사용하는 방법에 대한 연구와 더불어 투망 이후 양망까지의 시간동안 대기전력으로 활용하는 방안뿐만 아니라 전력소모 가 적은 작업등의 점등에도 활용하는 등 다양한 연구로 에너지 절감에 기여하고 있다 (An et al., 2012; An et al., 2013; Bae et al., 2011).

이미 건조되어 조업에 활용되는 연근해어선의 저항성 능과 추진효율을 향상시키기 위해 사용할 수 있는 방법 으로는 큰 틀에서 보면, 선형 변경을 통해 선체 저항을 감소시키는 방법과 추진시스템을 개선시키는 방법이 있 다. 선형의 개선을 통한 선체저항 감소를 이루기 위해서 는 FRP어선의 선체건조에 필수적인 FRP몰드의 변경과 개선에 많은 노력과 비용이 필요하다. 더불어 선체의 부 분개조를 위한 상가와 선대에서의 작업으로 인한 소요시 간으로 인하여 조업일수 축소가 불가피하다는 단점이 있 다. 어업인 입장에서는 조업일수의 단축은 소득과 직결 되므로 상대적으로 꺼려하기에 선형개선을 통한 효율향 상 기법의 적용에는 한계가 있다.

반면 추진시스템 개선을 통한 추진효율 향상을 도모 하기 위해서는 추진시스템을 구성하는 엔진, 축계, 추진 기에서 각각의 구성부품에 대한 개선방안을 찾아 변경할 수 있으며, 개선 전후의 효과를 사전에 시뮬레이션 하여 효율을 비교할 수 있다는 장점이 있다. 추진시스템을 개 선하여 어선의 항해성능을 향상시킨다면 어선어업분야 의 에너지 절감을 통해 온실가스 배출량을 낮출 수 있을뿐만 아니라 단기간 내에 어선에 적용이 가능하므로 성 능검증과 어업인들에게 보급이 신속하다는 장점이 있다.

본 연구에서는 근해 오징어 채낚기 어업을 주로 하는 24톤급 어선을 대상으로 어선의 추진시스템 중에서 24 톤급에 적합한 프로펠러로 인정받아 주문제작 형태로 장 착되는 프로펠러를 신규로 설계하여 개선하는 과정을 보 였다. 또한 모형시험을 통해 설계하여 제작한 신규 프로 펠러를 대상 어선에 설치한 다음 해상시운전을 통해 엔 진의 소요마력과 선속에 따른 성능을 기존에 사용되었던 프로펠러와 비교하였다.

재료 및 방법

오징어 채낚기 어선의 제원

어선의 프로펠러를 개선하여 성능을 향상시키기 위하여 24톤급 근해 오징어 채낚기 어선을 대상선으로 선정하였다. 추진기를 교체하여 해상시험을 수행하기 위해서는 대상선 이 건조되는 과정에 있어야 한다. 또한 모형시험을 실시하고 프로펠러를 설계한 이후 제작기간을 고려한다면 해상 진수 까지 최소한 3개월 이상의 시간이 남아 있어야 하는 조건이 충족되어야 한다. 경상남도 남해군에 소재한 창남조선에서 시험연구에 적합한 어선을 건조중이며, 프로펠러 교체를 통 한 해상시험에 선주가 협조하는 것에 동의한 근해 오징어 채낚기 어선 창남호를 대상선으로 선정하였다.

창남호의 주요 제원은 수선간장 (LBP) 23.4 m, 폭 (B) 5.0 m, 깊이 (d) 1.45 m이며, 총톤수 (G/T)는 24톤이다. 두산 인프라코어가 제작한 출력 850마력의 엔진을 탑재 하고 최고 16노트 선속으로 항해할 수 있다. 창남호의 일반배치도를 Fig. 1에 나타내었다. 모형제작을 통한 수 조에서의 저항시험과 해석을 위해서는 선체의 제원과 유 체정역학적인 특성에 대한 정확한 정보가 필요하며 이것 을 Table 1에 나타내었다.

모형시험

모형선을 이용한 저항시험으로 전체저항을 계측하고 선수와 선미의 트림 변화량을 확인하였다. 수조시험용 모형선은 선주가 제공한 대상선의 선체선도 (lines)를 이 용하여 축척 (scale) 11.5로 정밀하게 제작하였다. 모형의 크기가 상대적으로 작으므로 저항계측의 정도향상을 위 하여 선수부 9½ 위치에는 난류발생 촉진장치 (stud)를 일정한 간격으로 설치하였고, 선미의 부가물인 방향타 지지대 (shoe-piece)와 방향타 (rudder)를 제작하여 실선 과 동일한 조건을 구현하였다. 저항시험에 적용된 예인 속도는 어선의 속력이 11~18노트로 항해하는 것에 대응 하는 속도로 끌며 예인저항을 측정하였다. 본 연구의 모 형시험은 국립수산과학원 3차원 조파수조에서 수행되었 으며, 각종 계측값들은 전산화된 자료취득장치를 통해 자동으로 얻어진 후 엄밀하게 분석하였다. 국립수산과학 원 조파수조의 제원은 길이 85 m, 폭 10 m, 수심 3.5 m 이며, 실험대상을 끄는 예인전차는 최고 3.0 m/s의 속도 를 낼 수 있다. Fig. 2에는 선속 12노트로 예인하는 상태 에서 촬영한 저항시험 장면을 보였다.

주기관과 감속기는 일반적으로 선체의 소요마력을 추정 하기 위한 저항시험의 결과를 반영하여 선정해야 한다. 그 러나 FRP 어선의 경우에는 동일한 몰드에서 선체가 제작되 고 어선의 용도에 따라 거의 모든 주요 제원이 결정되어 있으므로 선주가 이미 건조된 실적선의 자료를 참고하여 조선소와 협의하여 선정하는 것이 일반적이다. 채낚기 어 선 동아호에 설치되는 주기관과 감속기의 특성을 Table 2 에 나타내었다. 주기관은 두산 인프라코어 제품으로 최대 연속출력 (MCR)에서 800 PS×1800 RPM의 특성을 가지고 있으며, 감속기어비는 4.48로 MCR에서 프로펠러 회전수 는 401.8 RPM이다.

프로펠러의 설계

프로펠러 설계는 자항성능 추정을 위한 모형시험을 통해 자항점을 예측하는 기법인 1978년 ITTC에 의한 추 력일치 (thrust identity) 방법 (ITTC 2011)으로 이루어진 다. 이는 설계속도에서 필요한 유효마력은 프로펠러에서 얻어지는 추력과 동일해야 한다는 것이며, 프로펠러 부 하를 나타내는 계수는 각각의 대응하는 선속에서 일정해 야 한다. 프로펠러 부하와 특성을 나타내는 계수들이 포 함된 기본적인 관계식은 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다.

여기서 KT는 추력계수, J는 프로펠러 전진계수, T는 추력, D는 직경, Va는 프로펠러 전진속도, Vs는 선체의 전진속도를 나타낸다. 프로펠러와 관련된 계수는 저항시 험에서 얻는 유효마력 곡선과 프로펠러 단독시험을 통해 얻을 수 있는 POW곡선에서 반류계수 (w), 추력감소계 수 (t)를 구할 수 있다. 프로펠러 전진계수 J를 알고 있다 면 대응속도로부터 프로펠러 회전수 (Ns)를 계산할 수 있다. 그러나 반류계수와 추력감소계수, 회전효율 (η_r) 등은 실적선의 자료를 통해서도 얻을 수 있다.

선체에 설치되는 프로펠러의 직경은 사용되는 FRP어 선 제작몰드에 설치된 방향타 지지대와 선미부력부로 인 하여 제한이 있으며 몰드를 측정한 결과 1700 ㎜가 설치 가능한 최대직경으로 나타났다. 또한 선체의 진동과 소 음을 고려하여 프로펠러와 선체는 일정한 간극 (clearance)을 가져야 한다. 본 연구에서는 프로펠러 직경 은 1680 ㎜, 프로펠러 상부에서 간극 (top clearance)은 프로펠러 직경의 12.5% (약 210 ㎜), 하부간극 (low clearance)은 3.57% (약 60 ㎜)로 선정하였다.

결과 및 고찰

유효마력 추정과 프로펠러 제작

대상선의 만재흘수를 기준으로 유효마력 (EHP)의 추정을 위하여 선체 저항시험을 수행한 결과를 Table 3에 나타내었다. 시험조건에서의 배수량은 Table 1에 나타낸 것과 같이 78.23 ton이며, 흘수는 0.84 m이다. 설계선속 15노트를 기준으로 저항시험 결과로부터 추정된 유효마력은 741.2 hp, 10%의 실해상 여유 (sea margin)를 고려한다면 815.3 hp로 나타났다.

모형시험으로부터 추정된 프로펠러 설계 자료를 이용 하여 신규추진기를 설계하기 위하여 프로펠러 설계의 기 준이 되는 설계점을 Table 4에 나타내었다. 엔진의 사양 에서 표시된 제동마력 (BHP) 800 hp와 회전수 401.8 RPM을 기준으로 실해상 여유는 고려하지 않았고, 엔진 출력 여유 (engine power margin) 5.0%만을 프로펠러 설 계에 반영하였다. 또한 어선 선저에 추가로 설치한 keel box에 따른 선형변화로 인한 저항증가를 고려하여 프로 펠러 추력마진을 10% 가량 고려한 상태에서 설계를 수 행하여 프로펠러의 주요치수를 결정하였으며, 그 결과를 Table 5에 나타내었다.

모형시험과 추정을 통해 결정된 프로펠러의 주요치수를 기초로 프로펠러의 전진계수에 따른 추력과 토크, 프로펠러 효율을 계산하여 프로펠러 단독성능 특성을 Fig. 3과 같이 나 타내었다. 추력일치 (thrust identity) 방법을 통해 엔진의 출 력에 따라 추정된 전달마력과 선속을 Table 6에 나타내었다.

신규로 설계하는 추진기는 제작의 편의를 위하여 날개단면 의 형상변화가 없는 MAU section을 적용하는 고정피치 프 로펠러를 우선적으로 고려하였다. 지금까지 사용된 24톤급 채낚기 어선의 추진기는 직경 (D) 1600 ㎜, 날개수 (Z) 3개에 피치 (P) 1300 ㎜이다. 이에 비하여 신규로 설계한 추진기는 직경 1680 ㎜, 날개수 4개로 피치는 1180 ㎜이다. 기존의 프로 펠러 (C)와 신규로 설계한 추진기 (N)의 제원을 Table 7에 나타내었고, 제작 후 촬영한 사진을 Fig. 4에 보였다.

해상시운전 결과

건조가 완료되어 부산 남항에 정박 중인 동아호에 기존 에 사용되는 추진기와 신규로 제작된 추진기를 설치하여 성 능비교를 위한 시운전을 만재상태로 실시하였다. 해상시운 전에서 얻을 수 있는 각종 특성값의 정밀한 계측을 위하여 시운전 전담팀을 운영하는 중소조선연구원 전문가의 협조 를 받아 부산 영도 인근 해상에서 수행하였다. 시운전 전용 으로 제작된 GPS 장비를 대상선에 설치하였고, 진행방향과 선속을 측정하며 1마일을 왕복하는 코스에서 시운전을 진 행하였다. 더불어 엔진과 축계의 회전수와 축마력을 계측하였고 엔진의 부하에 따른 소요마력과 선속을 기록하였다. Fig. 5에 동아호에 대한 해상시운전 장면을 나타내었다.

시운전을 수행하는 동안 엔진의 출력은 엔진 회전수 (RPM)로 조절하였다. 회전수를 출력기준 70% 부하에서부 터 80%, 90%, 100% (MCR), 최대 (MAX) 출력까지 5단계 로 구분하여 선속과 축마력을 계측하였다. Table 8에 엔진 의 부하에 따른 RPM과 기존선과 변경선의 프로펠러 전단 부 축계에서 계측한 전달마력의 측정값을 나타내었고 Fig. 6에 그래프로 보였다. 최대연속출력(MCR)의 90% 엔진 부 하에서 신규로 제작한 추진기의 소요마력은 9.06% 감소하 였음을 알 수 있다. 70% 및 80% 부하를 사용하는 저속구 간과 최대출력에서는 변화가 없으며, 최대연속출력에서 미소하나마 소요마력의 감소를 확인할 수 있다.

각 단계의 엔진출력에서 시운전을 수행하며 계측된 항 해선속을 비교해 보면 저속구간에서 최대속도 구간까지 최대 0.6노트의 선속이 증가한 것을 알 수 있다. 특히 최 대연속출력 90%에서 엔진의 소요마력은 줄어들어도 선속 을 그대로 유지할 수 있다는 것을 보였다. 시운전에서 엔 진의 출력에 따른 선속의 변화에 대한 측정결과를 Table 9에 보였고, 그 결과를 Fig. 7에 그림으로 나타내었다.

고 찰

어선어업에 있어서 조업경비를 절감시키는 가장 바람 직한 방법은 엔진의 소요마력을 줄이고 선속을 증가시키 는 것이다. 특히 근해 채낚기 어선에 있어서는 장기간인 1항차당 항해일수와 활어보관을 위하여 어창에 물을 채우는 만재상태의 항해조건으로 인하여 유류소모가 많은 업 종이므로 동일선속에서 마력감소와 선속증대는 조업경비 절감에 큰 영향을 끼친다. 본 연구에서는 소요마력 감소뿐 만 아니라 선속 증가를 동시에 달성하였고 조선소 및 선 주와 협력하여 어업현장에서 활용할 수 있는 연구결과를 보였다.

동아호의 항해 시 소요마력 감소로 인한 유류비 절감효 과를 고찰하였다. 선주를 통해 확인한 연간 조업일수는 대 략 250일로, 1항차는 약 1개월이며 경상북도에서 서해까지 다양한 해역에서 조업하며 위판을 위해 부정기적으로 어장 인근의 항구에 입항한다. 2015~2016년 어기 동안에 유류비 로 대략 1억 5천만원을 지출하였다. 이것을 드럼 (200리터) 으로 환산하면 연간 1,120드럼, 24시간 동안 4.48드럼을 소 모하며, 어업용 면세유 가격을 1리터당 670원으로 계산했 을 때 1일 조업에 필요한 유류비는 대략 60만원이다.

대상선에 신규로 설계한 추진기로 교체하여 최대연속 출력의 90%에서 운용한다는 조건을 가정했을 때 일상적 인 조업과 항해 시의 소요마력은 43마력이 줄어든다. 동 아호에 설치된 4V222TIH 해상용 엔진의 제원표에 나타 난 연료소모량은 147 g/ps·h이며, 소요마력 감소로 인해 시간당 6.321리터의 연료를 절감할 수 있다. 일일 절감 량은 151리터, 연간 37,926리터 (약 190드럼)가 절약되 어 이를 금액으로 환산해 보면 약 2,541만원의 유류비 절감을 달성할 수 있다. 절감되는 금액이 연간 유류비에 서 차지하는 비중은 17%로 추진기 교체를 통한 유류비 절감효과가 매우 뛰어난 것을 알 수 있다.

대상선의 모형시험과 실선의 해상시운전의 결과를 비교 했을 때, 실선 시운전에서 파악한 저항은 모든 선속구간에 서 모형시험 대비 약 40마력이 증가한다는 것을 확인하였 다. 그 이유로 당초 선저에 부가물이 없었으나 선주의 요구 로 박스 킬 (box keel)이 추가로 설치되었고, 복원성 향상을 위하여 선측의 흘수부에도 선수에서 선미에 걸쳐 추가 부 력재가 설치되어 마찰저항이 증가했기 때문으로 추정된다. 또한 모형시험과 해상시운전에서 공통적으로 선수부에 발생하는 과도한 선수파로 인하여 항해속도가 높아질수록 저항이 급격하게 증가한다는 것을 파악하였다. 조파저항 감소를 위해서는 구상선수를 더욱 날씬하게 만들고 수선 면의 선체를 유선형으로 설계한다면 항해 시에 발생하는 조파저항을 현저하게 줄일 수 있을 것으로 판단된다.

결 론

근해 오징어 채낚기 어선의 유류를 절감하기 위하여 기존의 프로펠러를 대체할 수 있는 신형 추진기를 수조 에서의 모형시험을 통해 설계하고 실선에 적용하였다. 프로펠러를 신규로 제작하여 대상선에 설치하고 해상시 운전으로 그 성능을 검증하였다. 주기관의 출력을 5단계 로 구분하여 각 출력에 대한 전달마력과 항해선속을 계 측하고 두 종류의 프로펠러를 장착하였을 때의 성능을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 대상선에 적합한 기존 프로펠러를 대체할 수 있는 우 수한 성능을 가진 신형 프로펠러를 설계하였고, 기존 프로펠러에 비해 저속과 고속구간에서 항해선속을 최 대 0.6노트 증대시킬 수 있다는 것을 보였다.

2. 신형 추진기를 설치했을 경우, 동일한 선속으로 항해 하기 위해서는 최대 9.06%의 소요마력이 감소하는 것으로 나타났으며, 최대연속출력 (MCR)에서도 소요 마력이 감소하는 것을 확인하였다.

3. 신규 추진기로 교체하여 최대연속출력의 90% 운용을 가정했을 때 일상적인 조업과 항해 시의 소요마력은 43마력이 줄어들고, 시간당 연료소모량 147 g/ps·h 기 준으로 매 시간당 6.32리터의 연료를 절감할 수 있다.

4. 일일 유류 절감량은 151리터로 연간 37,926리터 (약 190드럼)를 줄일 수 있으며, 금액으로 환산하면 2,541 만원의 유류비가 절감된다. 절감액이 연간 유류비에 서 차지하는 비중은 17%로 추진시스템의 개선 효과 가 우수하다는 것을 확인하였다.

5. 추진성능 향상으로 따른 조업경비 절감의 가능성을 확인하였으며, 어업분야의 온실가스 배출량도 줄일 수 있다.

향후 선형개선을 통한 선체의 저항성능 향상을 위해 추가적인 연구가 필요하며, 이를 위한 다양한 규모의 선 형을 확보하고 선주의 협조를 통한 시운전을 수행하여 보다 정밀한 해석과 결과검증을 추진할 필요성이 있다. 아울러 프로펠러의 직경과 피치 조절을 통해 24톤급 오 징어 채낚기 어선에 적용되는 엔진에 가장 적합한 추진 기에 대한 설계를 개발하고 실선에 설치하여 비교검증을 수행한 후 보급할 필요성이 있다.