서 론

최근 선박으로부터 배출되는 배기가스에 대한 규제의 강화에 따라 다양한 방법으로 친환경선박에 대한 연구가 진행되고 있다(Fokkema et al., 2017;Kim et al., 2020;Seddiek and Elgohary, 2014;Skjong et al., 2017). 최근에 는 전기모터로 추진기를 구동하는 고효율 전기추진 선박 과 추진기를 일체형으로 제작이 가능한 림 추진기 (Rim-Driven Propeller, RDP)에 대한 관심이 높아지고 있다. 림 추진기는 축으로부터 반경방향으로 날개가 배 치되는 전형적인 스크류 추진기와 달리 모터의 고정자와 자석이 덕트 내에 설치되고 림에서 추진기 중심축 방향 으로 날개가 배치된다(Kim and Kim, 2019). 림 추진기는 일반적인 스크류 추진기에 비해 적은 진동과 소음, 높은 효율, 설치의 유연성, 높은 이물질 엮임 방지 등 많은 장점이 있다(Yakovlev et al., 2011;Yan et al., 2017).

여러 연구에서 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)를 이용하여 림 추진기의 날개, 덕트와 허브 등 성능과 관련된 분야를 연구하였다. 각 형상에 따라 림 추진기의 성능이 달라지므로 목적에 맞는 형상 을 찾는 것은 중요하다. Aleksander (2014)는 초기 설계 연구에서 중요한 변수는 pitch distribution, thickness distribution and hub diameter임을 연구하였다. 이 연구 에서 덕트에 의한 항력은 프로펠러와 모터의 설계 고려 사항으로 해석 및 계산되어야 한다는 것이 증명되었다. 또한 여러 난류 모델 중 k-ω SST 모델이 낮은 프로펠 러 전진비에서 발생하는 분리 처리가 더 우수하기 때문 에 가장 강력한 것으로 나타났다. Kim and Kim (2019) 는 축류펌프와 워터제트 설계 이론을 토대로 림 추진기 날개를 설계하였고, CFD를 통하여 성능을 연구하였 다. 케이스 스터디를 통하여 축류펌프와 워터제트 시스 템의 설계 이론을 토대로 림 추진기를 설계할 경우, 효과적인 설계 절차임을 보여주었다. Gaggero (2020) 은 Reynolds-Averaged Navier-Stokes equation (RANS) 계산 결과를 사용하여 최적의 블레이드 모양을 선택하 고, 추진효율의 최대화 및 캐비테이션을 최소화하는 설계를 하였다. Song et al. (2015)는 CFD를 이용하여 허브형과 허브리스형을 비교하였다. 허브 없는 것이 효율 이 높고 더 큰 추력 및 토크와 더 작은 추력 비율을 가지고 있다는 것을 보여주었다. Santoso et al. (2017)은 시뮬레 이션을 바탕으로 림 추진기의 덕트 사용에 관한 연구를 하였다.

Hsieh et al. (2007)은 원격 조종 차량(Romotely Operated Vehicle, ROV)을 위한 허브리스 림 구동 스러스터의 통 합 설계 및 구현을 제시하였다. Kim et al. (2014)는 파이프 안쪽 또는 제한된 환경에서 임무 수행을 위해 자율무인잠 수정(Autonomous Underwater Vehicle, AUV)에서 마이 크로 RIM 프로펠러의 설계, 제조 및 통합에 대해 연구하 였다. 림 추진기의 연구는 대부분 소형이상의 선박 추진 에 관한 연구이며, 수중로봇(ROV, AUV)을 위한 소형 림 추진기의 연구는 극소수로 적은편이다. 선행 연구 대 부분이 CFD를 이용하여 날개 설계를 위한 유동해석을 수행하였고, 입자영상유속계(Particle Image Velocimetry, PIV)로으로 전진비에 따른 림 추진기 후류 특성을 실험적 으로 연구한 경우는 없다. PIV는 비접촉, 다점계측을 적 용할 수 있는 가시화 기법으로 매우 강력한 정량적 측정 기법이다. 유동장에 유체의 비중과 동일한 추적입자를 투 입한다. 짧은 시간 간격으로 분리된 두개의 순차 입자 영상을 측정하여 두개의 순차 영상의 교차 상관분석을 통해 유동의 순시 속도 분포를 파악할 수 있다.

수중 로봇의 추진 비율은 일반 선박에 비해 낮다. 특정 임무 수행 시 자세제어를 위해 역추진, 측 후진에 대한 특성이 고려되어야 하므로, 전진 비중이 높은 선박용 프 로펠러 설계 기법을 적용하기 어렵다. 빠르게 자세제어를 위해서는 저회전에서 충분히 추력이 형성되어야 한다. 선 행 연구에 따르면 림 추진기는 다양한 설계변수가 존재하 며, 설계 형상에 따라 유동 특성은 완전히 달라진다.

수중 로봇은 수심이 얕은 곳, 깊은 곳, 바닥에 가까운 곳 등 다양한 환경에서 어류분포를 확인하거나 퇴적물 시료 채집 등 임무를 수행한다(Min et al., 2016;Youn et al., 2017). 추진과 자세제어는 사용하는 추진력이 다 르고, 후류에서 발생하는 높은 와류는 수중 로봇 작동 안정성, 효율성을 낮춘다. 따라서, 다양한 전진비에서 후류의 특성을 살펴볼 필요가 있다. 본 연구는 림 추진기 의 기초 연구로 PIV를 이용하여 일정 거리에 위치한 자유표면과 바닥의 영향이 고려된 림 추진기의 후류 특 성에 대해 분석하였다.

재료 및 방법

실험 방법

수중로봇은 앞서 언급한 다양한 환경에서 작동되기 떄문에 각 환경별로 추진기 후류 특성을 파악할 필요가 있다. 자유표면과 바닥의 영향을 살펴보기 위해 소형 회류 수조에서 실험을 수행하였다. 본 연구에서는 100 kg급 수중 로봇에 적용하기 위해 Fig. 1과 같이 외경 126 mm, 내경 70 mm, 덕트 포함 길이 138 mm 크기의 원통형 림 구동 추진장치를 모델링하여 제작하였다. 림 추진기 모터의 최고 회전수는 1500 rpm, 출력 150 w 이다. 내부 날개는 3D 프린터(flashforge guider 2, resolution 0.1~0.2 mm)로 제작하였고, 탈부착이 가능하 다. 날개는 추진장치 추력과 소음의 대부분을 발생시키 며 최적화 설계에 있어서 가장 핵심적인 구성품이다. 수중 로봇용 전기구동 림 추진기의 날개는 전진과 후진 의 특성이 같아야 하므로, Fig. 2와 이 단면이 대칭인 NAC 0012를 기반으로 설계하였다. NAC 0012는 대칭 특성으로 일부 항공기 또는 날개의 플랩에 사용되며, 일부 헬리콥터에도 사용된다. 림 추진기의 날개는 많은 설계 변수가 있다. 본 연구에서는 이물질 걸림 방지를 위해 날개 수 3, 4개의 날개가 있고, 중간에 허브가 없는 모델을 제작하였다. Fig. 3은 연구에 사용된 림 구동 추진 기와 날개이며, 날개수가 4개(Model 1), 3개(Model 2)를 3D 프린터로 제작을 하여 모터에 장착하였다. Fig. 4는 실험 계략도이다. 수조 2/3 지점에 모터를 고정하였고, 레이저 시트는 90도 거울로 반사 뒤, 시트 형성 렌즈 (N-BK7, 조사각 30°)를 이용하여 시트형태로 수조 하부 에서 림 추진기 뒤쪽으로 조사된다. 실험에 사용된 레이 저는 CW 레이저(continuous wavelength laser, max 6w, Blitz, Germany)이며, 카메라는 고속카메라(VEO 410L, max 5200 fps, 1280 × 800, Phantom, USA)를 사용하였 다. 실험에 사용된 입자의 크기는 50μm (Intech systems, polymide 12 seed particle, density 1.06)이다. 회류 수조의 크기는 W1200×H280×D300 (mm³ )이다. 자 유표면은 림 추진기 1.1D (D: 내경) 위쪽, 바닥은 1.1D 아래에 있다. 전진비(J_A , Advance ratio)는 아래와 같은 식으로 계산할 수 있다.

여기서 V_A는 추진기에 유입되는 속도(m/s), n은 추 진기의 초당 회전수(rps), D는 날개의 직경이다(m). 실 험에서 V_A는 0.1~0.5 m/s, n은 7~14.16 rps이다. 회전수 는 실험 전 림 추진기를 물속에 넣은 후, 입력 전류에 따른 회전수를 측정하였고, 추진 부하별 특성을 알아보 기 위해 전진비(0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0)에 따른 후류 유동 을 측정하였다.

결과 및 고찰

Fig. 5는 전진비가 0.8일 때 로우 이미지이다. 림 추진 기 덕트의 계산 영역은 림 추진기 앞쪽 기준으로 280×216 (x×y, mm² )이다. 유속방향을 x축, 유속방향과 수직인 축을 y축으로 설정하였다. 계산에 사용된 프로그 램은 Davis (Lavision, Ver. 8.4.0, Germany)이고, 알고리 즘은 cross-correlation이다. 계산 옵션은 decrease method, 상관영역 32×32, 16×16 (pixel²), overlap 50%, 계산에 사용된 이미지는 1000장이다.

Fig. 6.은 각 전진비(0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0)에 따른 (a) model 1과 (b) model 2의 평균 속도장을 contour와 vector로 나타낸 그림이다. 각 그림에서 contour는 크기, vector는 방향을 나타낸다. 속도는 추진기에 유입되는 속도(V_A)로 무차원화 하였다. x, y축은 림 추진기의 내부 직경, 즉 날개 직경(D)으로 무차원화 하였다. 림 추진기 의 중심부는 y/D=0이며, 림 추진기의 출구(덕트 끝단부) 는 x/D=0이다.

자유표면과 바닥의 영향이 있음에도 불구하고, 림 추 진기의 후류는 하류방향으로 안정적으로 유동함을 알 수 있다. 전진계수가 0.8, 1.0일 때 슬림스트림 영역의 크기는 림 추진기 내경과 같은 위치(y/D=－0.5, 0.5)에 나타났다. 슬림스트림 영역은 높은 전진비에서는 y/D= －0.5~0.5 영역에서 보이나, 전진비가 낮아질수록 y/D= －1~1로 그 크기가 커지는 것을 알 수 있다. 전진계수가 작아질수록(하중이 증가될수록) 슬림스트림영역의 크 기가 1D에서 2D 정도로 커진다. Model 2의 경우, 진진 계수가 0.2일 때는 자유표면과 바닥의 영향을 많이 받는 것을 알 수 있다.

낮은 하중 조건(J_A=1.0)에서는 model 1의 후류 속도 가 model 2에 비해 높게 나타났다. 전진비가 0.6, 0.8, 0.4 일 때는 2개의 케이스 모두 비슷한 경향을 보였고, 높은 하중 조건으로 갈수록(J_A=0.2) model 2가 model 1에 비해 높은 후류 속도를 보였다. 추진기의 중심 (y/D=0)에서 반경 방향(y/D=－0.5~0.5)으로 갈수록 출 구 속도는 높아지고, 중심부로 갈수록 출구 속도는 낮아 지는 것을 알 수 있다. 림 추진기 날개 형상 특성으로 인해 반경방향으로 갈수록 면적이 중심부에 비해 많고, 선속도가 높기 때문이다. 각 그림에서 추진기 입구측 화살표를 보면, 원형 덕트의 영향으로 인해서 덕트 앞쪽 에서는 와류(vortex)가 측정되었으며, 높은 하중 조건으 로 갈수록 와의 크기는 일정하나, 영역은 작아지는 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 덕트의 형상이 추진기의 성능 에 영향을 끼치므로 덕트의 형상도 최적화가 이루어져 야 됨을 의미한다.

Fig. 7은 추진기 출구(덕트 끝단부, x/D=0)의 평균속 도를 프로파일로 나타낸 그래프이다. 가로축은 평균속 도를 림 추진기에 유입되는 속도(V_A)로 무차원화 하였 다. 높은 전진비에서는 model 1의 출구 속도가 model 2에 비해 높고, 전진비가 낮아질수록 model 2의 출구속 도가 model 1에 비해 높아진다. Model 1은 전진비 전체 에 걸져 림 추진기 중심(y/D=0)에서 대칭이나, model 2는 비대칭으로 발전되어 간다. 이러한 현상은 자유수면 과 바닥의 영향으로 보이며, model 2가 자유수면과 바닥 의 영향을 더 많이 받는다는 것을 의미한다. 덕트부 (y/D=－0.5~－0.9, 0.5~0.9)는 전진비 전체에 걸쳐 속도 변화는 작은 것을 알 수 있으며, 이는 덕트부 유동은 추진기 내부를 통과하는 유동의 영향을 적게 받고 있으 며, 추진기 외부 유동에 더 지배적인 것으로 판단된다. 후류 측정 결과, 높은 하중 조건에서는 model 1, 낮은 하중 조건에서는 model 2가 더 높은 추력을 생성할 수 있을 것이라 판단된다.

Fig. 8은 식 (2), (3)으로 계산된 와도장(Vorticity field) 이다.

전진비가 낮아질수록 추진기 내부에서는 높은 와도를 보이며 후류 방향으로 길어지나, x/D=2 지점에서 감소 하는 경향을 보인다. 림 추진기 내부 날개 끝단부와 덕트 가 있는 지점의 와도(외부 와도)가 내부 와도에 비해 높게 나타난다. 추진기 내부 와도는 덕트의 영향으로 인해 너비가 일정하게 유지된다. 전진비가 0.6, 0.8, 1.0 일 때는 x/D=1 지점을 기준으로 외부 와도는 많이 낮아 지나, 전진비 0.4일 때는 x/D=2에서 낮아진다. 전진비 0.2에서는 측정영역 전체에 걸쳐 높은 와도가 나타났다. 전진비가 낮아질수록 외부 와도는 후류 방향으로 길어 지며 추진기 반경 방향으로 넓어진다. 덕트가 없는 프로 펠러 추진기는 끝단에서 tip vortex가 생성되지만, 림 추 진기는 덕트 영향으로 인해 상당히 소멸되어지고 있는 것을 알 수 있다. 덕트 앞부분의 경우, 와도의 강도는 높아지나, 일정한 크기를 유지하는 것을 알 수 있다.

결 론

본 연구는 수중 로봇용 림 추진기의 기초연구이다. 림 추진기는 림의 회전운동 등으로 인해 프로펠러 추진 기와는 다른 유동특성을 가진다. 따라서, 림 추진기의 고유 유동 특성을 반영하여 설계할 필요가 있다. 본 연구 에서는 단면이 대칭인 NAC 0012를 기반으로 날개를 설계하였고, PIV를 이용하여 후류 특성을 파악하였다. 낮은 전진비에서는 model 2가 더 높은 속도를 보였으나, 높은 전진비에서는 model 1이 높은 속도를 보였다. 축방 향 속도는 model 1의 경우 전진비 전체에 걸쳐 대칭인 형태를 보였으나, model 2는 낮은 전진비(0.2, 0.4)에서 비대칭으로 나타났다. 이것은 자유 수면과 바닥의 영향 이 후류 구조에 영향을 미치는 것으로 판단된다. 림 추진 기 내부에서는 덕트와 가까운 영역에서 와도가 높았으 나, 덕트의 영향으로 인해 후류 방향의 와도가 상당히 소멸되었다. 그러나 덕트 형상은 최적화 될 필요가 있다. 본 연구를 통해 소형 수중 로봇에 사용되는 림 추진기의 설계에 필요한 후류 특성의 정보를 제공하였다. 각 부하 조건에서 후류 특성을 통해 수중로봇이 효율적, 안정적 으로 구동될 수 있는 조건을 확인하였다. 향후 설계조건 과 운영조건을 다양화하여 연구를 진행하고자 한다.