서 론

수산분야에서 어가 수, 어가인구 어가비율은 1970년 도부터 지속적으로 낮아지고 있으며, 어가노령화지수는 높아지고 있다(KOSIS, 2022). 따라서, 수산분야의 인구 감소, 노령화로 인해 자동화, 전동화가 필요하다. 또한, 선박으로부터 배출되는 배기가스에 대한 규체의 강화로 인해서 친환경선박에 대한 연구가 활발히 진행되고 있 다(Fokkema and Vis, 2017;Kim et al., 2020;Seddiek and Elgohary, 2014;Skjong et al., 2017). 전동화에 따라 전기모터로 추진기를 구동하는 림 추진기(Hubless Rim-Driven Propeller, RDP)에 대한 관심이 높아지고 있 다. 림 추진기는 축이 있는 기존의 프로펠러 추진기와 다르게, 반경방향으로 날개가 배치되고 모터의 고정자 와 자석이 덕트에 배치되므로 중간 축이 없는 것이 가장 큰 특징이다(Kim and Kim, 2019). 림 추진기는 프로펠 러 추진기와 다르게 낮은 진동과 소음, 높은 효율, 이물 질 엮임 방지 등 많은 장점이 있다(Yakovlev et al., 2011;Yan et al., 2017).

Lee et al. (2022)는 수중로봇에 사용되는 소형 림 추진 기의 후류에 관해 연구를 하였는데, 전진비 0.2~1.0에 걸쳐 덕트 앞 부분에 와(vortex)가 형성되는 것을 확인하 였다. 덕트부의 와는 림 추진기의 진동과 소음을 유발시 키는 요소이므로 최적화 될 필요가 있다. 이는 덕트의 형상이 림 추진기 성능에 미치는 요소라는 것을 실험적 으로 보여주었다. 기존의 프로펠러 덕트는 목적에 따라 익형(air foil) 형태의 가/감속 덕트를 사용한다(Bontempo et al., 2016;Bontempo and Manna, 2018). 가속 덕트는 부가 추력을 발생시키고 추진 효율을 증가시킨다. 주로 저속에서 높은 추력이 요구되는 예인선, 저인망 어선에 사용된다. 감속 덕트는 캐비테이션 발생을 감소시키며, 고속 수중 운동체, 잠수함 등에 사용된다. 그러나 림 추 진기는 회전자, 고정자 배치구조와 전·후진의 특성으로 인해 가/감속 덕트 형상 적용이 어렵다. Aleksander (2014)는 덕트에 의한 항력은 프로펠러와 모터의 설계 고려사항으로 해석 및 계산되어야 한다는 것이 증명되 었다. 수산 분야에서 수치해석을 이용하여 유체역학적 특성을 파악하여 어선(Jeong et al., 2017), 양식 수조 (Kwon and Kim, 2020) 또는 어구(Park et al., 2001;Park et al., 2002;Bae et al., 2006)의 성능, 효율을 높이거나 어선 설계단계에서 활용되어 설계의 시간과 비용을 절 약할 수 있다(Kim et al., 2020). 이처럼 수치해석은 다양 한 분야에 효과적으로 활용되고 있다.

림 추진기는 림 추진기의 덕트에 관한 연구는 거의 진행된 바 없다. 수중 로봇에 사용되는 림 추진기는 1개 의 추진기로 전진과 후진에 사용한다. 축 프로펠러에 사용되는 가/감속 덕트 형상은 적용하기가 어렵다. 따라 서, 전/후진에 공통적으로 적용할 수 있는 덕트에 관한 연구는 필수적이다. 본 연구에서는 다양한 부하(전진비 0.2~1.0)에서 수치해석을 이용하여, 림 추진기의 덕트 형상에 따른 유동 특성에 대해 분석하고, 추력과 효율을 계산하여 최적의 덕트 형상 설계하였다.

재료 및 방법

본 연구에서는 덕트 최적화를 위해 외경 126 mm, 내 경 70 mm 림 추진기를 3차원 모델링하였다. 덕트 최적 화에 사용된 내부 날개는 Fig. 1과 같이 날개수 3개, 피치 비 4.49 확장면적비 1.0 두께 2 mm이다. 덕트는 Fig. 2와 같이 6종류로 모델링하였다. 그림에 나타낸 T는 림추진 기 두께 28 mm ((Outer Diameter - Inner Diameter) / 2)이며, T로 무차원화한 값을 표시하였다. 추진기 수치 해석에 사용된 프로그램은 ANSYS CFX 18.2이다.

수치해석을 위해 Fig. 3과 같이 영역을 정의하였다. 추진기 덕트끝부분 기준으로 유동 영향을 고려하여 입 구는 2.5D, 출구는 8D, 옆쪽은 3D로 유동 영역을 설정하 였다. 여기서 D는 추진기의 내경이다. 입구 속도는 0.1 m/s, 출구 압력은 0 Pa, 양옆은 opening이다. 내부 날개 가 있는 영역은 Rotating으로 정의하여, 전진비에 맞게 회 전수(rpm)을 설정하였다. 난류모델은 낮은 전진비에서 압 력 구배와 케비테이션의 분리 처리가 더 우수하기 때문에 Shear Stress Transport (SST)를 이용하였다(Aleksander, 2014). 열전달은 없는 것으로 가정하였고, 정상상태, 비압 축성으로 해석을 수행하였다. 본 연구에서는 전진비 0.2~1.0 (0.2 단위, 5 cases) 범위에서 덕트부 유동을 해석 하였다. 전진비는 다음과 같은 식으로 계산된다.

여기서 V_A는 추진기에 유입되는 속도(m/s), n은 추 진기의 초당 회전수(rps), D (m)는 날개의 직경이다. 격 자는 ANSYS meshing을 이용하여 생성하였다. Fig. 4는 전진비 0.2에서 메쉬 수렴성 테스트 결과이다. 격자 사 이즈를 줄여가며 격자를 200만개에서 1,800만개까지 100만개 단위로 생성하여 수치해석을 수행하였다. 약 500만개에서부터 추력계수와 토크계수가 변화가 없었 다. 본 연구에서 사용된 난류 모델인 SST의 경우 y+의 값이 2 이하가 되어야 한다. 추력계수, 토크계수와 y+를 고려했을 때 격자수는 최소 약 860만개(Fig. 4.의 붉은 점선) 이상이 되어야 한다. Fig. 5는 생성된 격자를 나타 내었다. 격자는 Tetra와 Prism을 이용하였다. Tetra는 유 동장 전체에 걸쳐 적용되었고, Prism은 날개와 덕트의 표면에 적용되었다.

덕트 형상에 따른 추력(Thrust force)은 ANSYS CFX post에서 계산하였고, 단독 시험 효율(Open water efficiency) 은 식 (2)로 계산된다.

여기서, J_a는 전진비, K_T는 추력 계수(Thrust coefficient), K_Q토크 계수(Torque coefficient)로 식 (3), (4)로 각각 계산할 수 있다.

여기서, T는 추력(Thrust), Q는 토크(Torque), n은 추진기의 초당 회전수(rps), D (m)는 날개의 직경이다.

결과 및 고찰

Fig. 6은 모델별 전진비 0.2 ~ 1.0 (0.2 간격)에 따른 중심 단면의 속도장이다. 각 덕트 앞 부분 대표적인 유동 특성을 별도 화살표로 표시하였다. 높은 하중인 전진비 0.2 (rpm 438)의 경우, 모든 모델이 표면을 따라 유동하 고 있다. 전진비 0.4 (rpm 220)은 V2, V6는 덕트 앞 부분 에 와(Vortex)가 발생하고 있으나, V1, V3, V4, V5는 발생하지 않았다. 전진비 0.6 (rpm 147)과 전진비 0.8 (rpm 110)의 경우, V1, V2, V5, V6에서 와류가 발생하였 다. 가장 낮은 부하인 전진비 1.0 (rpm 88)의 경우, 전 모델에서 와류가 발생하였다.

Fig. 7은 각 전진비에서 계산된 추력이다. Fig. 6과 비교하여 살펴보면, 추진기 출구의 너비가 덕트 끝단까 지 일정하게 유지되는 형상(V2, V5, V6)은 덕트에서 너 비가 넓어지는 형상(V1, V3, V4)보다 높은 추력을 보여 주었다. 전 전진비에서 V5의 추력이 가장 높은 것을 알 수 있다. Fig. 8은 각 전진비에서 식 (4)로 계산된 단독 시험 효율이다. 추력과 동일하게 출구의 너비가 덕트 끝단까지 일정하게 유지되는 형상이 덕트에서 넓어지는 형상에 비해 보다 높은 효율을 보여주었고, V5의 효율 이 가장 높은 것을 알 수 있다.

림 추진기가 추진 목적(높은 하중, 낮은 전진비)일 경 우 덕트 앞은 유동은 와류 없이 유동하였다. 이는 고부하 에서 덕트 형상이 추진기의 진동과 소음에 크게 영향을 미치지 않을 것으로 판단된다. 자세를 유지하거나 작업 을 하는 경우(낮은 하중, 높은 전진비)에는 덕트부의 유 동이 자세 유지와 작업에 영향을 끼칠 수 있다는 것을 알 수 있다. 최적의 덕트 설계는 덕트 앞쪽 유동 현상뿐 만 아니라 추력, 효율 또한 고려해야 한다. 유동 현상, 추력과 효율을 비교 분석했을 때, 덕트 형상으로 인해 출구의 너비가 넓어지는 형상은 출구의 너비가 덕트 끝 단까지 일정한 형상에 비해 낮은 추력과 효율을 보였다. 기존의 익형 형태의 가/감속 덕트 형상과는 다른 것을 알 수있다. 해석이 수행된 모델 중에서 림 추진기에 적합 한 덕트 형상은 V5임을 알 수 있다.

결 론

본 연구는 수중 로봇용 림 추진기의 덕트에 관한 연구 이다. 허브형 프로펠러 추진기는 대부분이 전진에 사용 되므로 최적화된 형상을 적용하여 용도에 맞게 사용할 수 있다. 그러나 본 연구에 사용된 허브리스 림 추진기가 적용된 수중 로봇은 특정한 작업과 자세 제어를 위해 1개의 추진기로 전진뿐만 아니라 후진에도 사용한다. 또한, 덕트에 고정자와 회전자가 배치되므로 기존의 가/ 감속 덕트 형상을 적용하기 어렵다. 본 연구에서는 추진 기 양끝단 덕트 형상을 설계하였다. 수치해석을 이용하 여 다양한 부하에서 덕트 앞의 유동 특성뿐만 아니라, 추력과 효율을 계산하여 덕트 형상을 최적화하였다. 수 치해석 결과, 낮은 전진비(높은 하중)에서는 덕트 앞쪽 에 와류가 나타나지 않았으나, 전진비가 높아질수록(하 중이 낮아질수록) 덕트 끝단부에 와류가 나타났다. 출구 의 크기가 덕트 끝단까지 일정하게 유지되는 형상은 덕 트에서 출구의 크기가 넓어지는 형상에 비해 높은 추력 과 효율을 보였다. 유동 특성, 추력과 효율을 고려했을 경우 V5가 가장 최적화된 덕트라는 것을 보여주었다. 향후, 실험을 통해 수치해석 결과를 검증하고, 형상을 더 다양화하여 수치해석과 실험을 수행할 예정이다.