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모노즈쿠리 Update
프로펠라 설계, 항해 데이터로
JMU, 항해 중에 수류를 계측

대형 조선업체 Japan Marine United(JMU)가 니폰유센(日本郵船)과 협력해 항해를 통해 수집된 데이터를 활용한 새로운 프로펠러 설계법을 개발했다. 프로펠러의 모양은 연비에도 영향을 주기 때문에 매우 중요한 요소이지만 간단히 교환될 수 있는 부품이 아닌 만큼 설계 단계에서 어디까지 그 성능을 예측할 수 있는지가 관건이다.

-- 형태를 변형시켜 1.2% 효율성 향상 --
20피트 컨테이너 환산으로 1만 4,000개를 실을 수 있는 JMU가 건조한 컨테이너선 ‘NYK FALCON’은 2017년 7월, 수에즈 운하에서 네덜란드의 로테르담 항까지 약 1주일 간의 항해를 떠났다. 이번 항해가 기존과 다른 것은 선미 바로 아래의 프로펠러 주변의 해류 속도를 입체적으로 측정하는 센서 ‘다층형 유속계(流速計)’를 장착한 것이다.

프로펠러와 그것을 둘러싼 선미 부분의 형태로 복잡한 해류가 형성한다. 이 물의 움직임은 배가 효율적으로 추진하는데 큰 영향을 주기 때문에 신중한 설계가 요구된다. 기존 프로펠러의 성능은 주로 2종류의 수조를 이용한 실험을 통해 세밀하게 예측해왔다.

그 하나는 ‘회류(回流)수조’라고 하는 수조이다. 컴퓨터를 통한 시뮬레이션을 바탕으로 설계∙제작한 프로펠러 모형을 수압을 관리하며 수중에서 회전시켜 효율 악화 및 손상의 원인이 되는 수포가 어떻게 발생되는지를 확인하는 것이다. 다른 하나는 ‘선형(船型)수조’로, 모형선에 프로펠러를 장착해 실제로 항해하면서 성능을 확인한다.

JMU상선사업부 기본계획부의 이누카이(犬飼) 주임은 “모형과 수조를 통한 시험 결과와 실제 항해에서의 결과는 차이가 있다”라고 말한다. 지금까지는 발생할 가능성이 있는 오차를 상정해 프로펠러를 설계하기 때문에 효율성을 최대한 높이기는 어려웠다.

“설계자로서 실제 선박이 바다에서 움직이는 상황에서 측정하고 싶었다”(이누카이 주임). ‘다층형 유속계를 사용할 수 없을까?’라는 아이디어는 연구 분야에서 교류해온 니폰유센과의 정보 교환 중에 나왔다. 다수의 선박을 운영하는 니폰유센도 JMU와 같은 문제 의식을 가지고 있었다. 다층형 유속계는 본래 선박의 속도를 정확하게 측정하기 위해 개발된 것이다. 통상적으로는 선박의 앞부분에 장착되지만, “이것을 프로펠러의 해류 측정에 응용할 수 없을까?”라고 생각한 것이다.

JMU는 니폰유센을 위해 NYK FALCON와 같은 형의 컨테이너선을 15척 건조 중이다. 취항이 끝난 선박에 기존 방법으로 설계한 프로펠러를 장착해 실제 항해에서 주변의 해류를 계측. 시뮬레이션 결과와 조합해 정밀도를 향상시키고 앞으로 건조할 같은 형의 선박에 개량형 프로펠러를 도입해 성능을 높인다는 계획이다.

‘NYK FALCON’의 시험 항해를 통해 기존의 시뮬레이션으로 계산한 물의 흐름과 실제로 다층형 유속계로 측정한 물의 흐름이 거의 일치되는 것을 알 수 있었다. “시뮬레이션이 예상보다 정확하게 계산된다는 사실을 알게 되었고, 보다 오차 범위를 줄여 설계해도 괜찮겠다는 결론을 얻었다”(JMU 상선사업본부 기본계획부의 이시쿠로(石黑) 그룹장).

이러한 결과를 바탕으로 시뮬레이션을 통한 시산 회수를 늘리고 형상 및 스핀형을 연구해 개발한 프로펠러를 제작. 이것을 수조에서 시뮬레이션 한 결과, 기존형보다 효율성이 1.2% 향상되었고 이산화탄소 배출량 및 연료 소비량이 감소되는 효과가 있었다고 한다.

이시쿠로그룹장은 “예전에는 피토관이라고 하는 대형 장치로 유속을 측정하는 방법도 검토했지만, 한계가 있었다. 센서 기술의 향상으로 새로운 선박 건조가 가능해졌다”라고 한다. 이 신형 프로펠러는 건조 중인 15척 중 14번 째 선박에 장착될 계획이다.

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