Flapping Foil을 적용한 위치유지시스템 개발을 위한 운동시험

Feasibility Study for Development of New Stationkeeping System

Article information

J. Ocean Eng. Technol. 2019;33(2):189-195
Publication date (electronic) : 2019 April 29
doi : https://doi.org/10.26748/KSOE.2018.038
*Naval Architecture & Ocean Engineering, University of Ulsan, Ulsan, Korea
유영재*orcid_icon, 심우림*orcid_icon, Rupesh Kumar*orcid_icon, 김동주*orcid_icon, 신현경*orcid_icon
*울산대학교 조선 및 해양공학전공
Corresponding author Hyun-Kyoung Shin: +82-52-259-2696, hkshin@ulsan.ac.kr

It is noted that this paper is revised edition based on proceedings of KAOSTS 2018 in Jeju.

Received 2018 June 18; Revised 2019 April 5; Accepted 2019 April 11.

Trans Abstract

In this study, experiments with a floater using flapping foils were performed to develop a new station keeping system that can maintain its position in waves without mooring lines. The foils applied to this system generate thrust using wave energy. In this experiment, the motion of the floater was analyzed in three different wave periods. Sixteen foils were attached to the cylindrical floater. The thrust of each foil was controlled by changing its azimuth angle, and three cases were compared. Based on the previous data, we made more precise measurements and found an optimal model for stationkeeping under each wave condition. We verified the potential of this new stationkeeping system using flapping foils, and conclusions were drawn from the results.

1. 서 론

최근 풍력발전기의 대형화와 함께 해상풍력이 주요 시장으로 부상함에 따라 부유식 해상풍력발전기의 설치 문제를 간과할 수 없다. 해상풍력발전은 육상보다 더욱 양질의 바람 자원을 얻을 수 있고, 블레이드에 의한 소음 문제와 용지확보의 어려움과 같은 문제들을 해결할 수 있다. 해상풍력발전도 비교적 수심이 얕은 해안가를 따라 고정식으로 설치되는 방식이 있고, 수심 50m 이상의 바다에 설치가 가능한 부유식이 있다. 부유식 해상풍력발전기는 계류선과 평형수(Ballast water)의 이동으로 위치제어와 자세제어를 하고 있다. 가스와 석유를 생산하며 심해 환경에 주로 설치되는 부유식 해양구조물은 계류시스템과 함께 위치유지시스템인 DPS(Dynamic positioning system)를 같이 사용하고 있으나, 유지보수가 어렵고 비용이 많이 발생하는 단점이 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 Flapping foil을 Cylinder 형상의 부유체에 적용하여 향후 위치유지시스템의 부유체에서의 적용 가능성을 검토해 보고자 한다. 먼저 그 원리를 보면, Flapping foil에 Wave가 가해지면 파랑에너지에 의해 Foil이 상하 운동을 하게 된다. 그때 Foil은 Fig. 1에서와 같은 추력을 발생하게 된다. 이때 발생한 추력은 부유체를 표류하게 하는 파랑 하중을 상쇄시키고 부유체의 위치 유지를 가능하게 한다. 기존의 Wave devouring propulsion foil에 관한 연구는 Isshiki(Isshiki, 1982)와 Terao(Terao and Sakagami, 2012)의 선행연구가 있으며, 이 효과를 배에 적용한 Nagahama(Nagahama et al., 1986)와 Bockmann(Bockmann and Steen, 2013)의 논문이 발표되어있다. 본 연구에서는 주기가 다른 세 가지의 규칙파 조건에서 Flapping foil이 적용된 부유체의 위치유지 능력을 반복실험을 통해 검증해보았다.

Fig. 1

Principle of thrust force generation

2. 모형시험 조건

본 실험은 Fig. 2에 나와 있는 울산대학교 해양공학 광폭수조(L×B×D = 30×20×2.5m)에서 진행되었으며 세 가지 주기의 규칙파에서 Foil의 조건을 변화시켜가며 모형시험을 수행하였다. 이 모형시험에서는 부분적 구속 프레임을 설치하여 Yaw-motion과 Sway-motion을 구속하였으며 -방향의 Surge Motion만을 고려하여 모형의 위치 유지를 판단한다. Surge Motion과 Foil의 추력 발생 방향에 대한 좌표계는 Fig. 3에 나타내었다. 시험에 사용된 foil은 다음의 선행 연구에 기반을 두었으며(Rupesh et al., 2017a), Elastic beam에 의해 Foil의 Flapping 운동이 향상되었다. Fig. 4를 보면 Foil은 Fixed 지점을 기준으로 움직임이 큰 방향으로 추력을 발생하게 된다. 본 실험은 Foil의 추력 발생능력을 검증하기 위한 단계이므로 Passive type의 Foil을 이용하여 실험이 진행되었다.

Fig. 2

Ocean Engineering Wide Tank, UOU

Fig. 3

Coordinates used in the model test

Fig. 4

Direction of thrust force

Foil의 추력 발생 능력은 파주기에 의한 영향이 크기 때문에 Table 1과 같이 파고는 고정되고 주기가 다른 세 가지 조건의 규칙(사인)파에서 실험을 진행하였다. 축적비는 1:50으로 Full Scale에서의 해상조건은 Table 2에 정리하여 나타내었다. 또한 해양공학 수조의 수심 2.5m에 해당하는 심해파의 파장은 5m이며 본 실험에서는 Short wave와 Intermediate wave에서 5m 이하의 파장을 적용하여 무한수심 조건을 설정하였고, Long wave에서는 5m 파장의 2배에 달하는 9.79m 파장을 적용하여 유한수심 조건을 설정해주었다. 측정은 파도가 Model에 도달하는 시간을 포함하여 150초를 측정하였으며 모델이 움직이는 시점에서 120초를 기준시간으로 Surge motion이 수심의 15%(±0.1875m) 이내로 들어오는 것을 위치유지의 기준으로 보았다. 먼저, 16개 foil의 방위각이 다르게 부착된 세 가지의 Model Case를 이용하여 각 파도 조건에서 비교적 위치유지를 잘 이루는 Case를 선정하였다. Case 1은 Fig. 5와 같이 16개의 Foil이 모두 Model의 중심을 향해 추력을 발생시키는 경우이다.

Different period of wave condition

Full scale wave condition (Ratio 1:50)

Fig. 5

Top view of Case 1

Case 2는 Fig. 6과 같이 파도 진행 방향의 Foil 9개는 그대로 두고 반대 방향의 Foil 7개의 방위각을 180° 회전시킨 경우이다. Case 3은 Foil의 (+)x방향 추력 발생을 최대로 한 경우이고 Fig. 7과 같이 구성되었다.

Fig. 6

Top view of Case 2

Fig. 7

Top view of Case 3

Case마다 Foil에 번호를 부여하였으며, 1번 Foil이 부착된 방향이 (-)x방향이 된다. 번호가 증가할수록 Foil의 방위각 회전으로 발생하는 추력의 변화가 크다는 전제를 하였다. 그 이유는 Case 1의 Foil의 형태가 Case 3의 foil의 형태로 되었을 때, 3번 Foil의 방위각이 45° 회전하는 것보다 9번 Foil의 방위각이 180° 회전하면서 (+)x방향으로 더 많은 추력의 변화를 가져왔을 것으로 생각하였다. 실험결과에서 각각의 Step은 서로 다른 Foil의 방위각을 조절하여, Model의 Surge motion이 위치유지 범위 내에 머무를 수 있도록 반복한 실험의 결과들이다.

실제 제작된 모형을 Fig. 8을 통해 확인할 수 있다. Table 3은 실험에 사용된 원형 플랫폼의 제원을 보여준다. 원형 플랫폼의 각 칼럼은 알루미늄 중공 파이프로 제작이 되었는데, 이는 면적을 줄여 입사파에 의한 힘을 최대한 줄이면서 Foil의 Flapping 효과를 최대로 확인하기 위해서이다. 수직 방향의 칼럼에는 자체부력을 높이기 위해 원기둥 형태의 Styrofoam을 부착하였다. Fig. 9Table 4에는 부착된 Foil의 형상 정보를 보여준다. 공저자의 논문(Rupesh et al., 2017b)을 참고하여 최대 추력을 낼 수 있는 Foil과 Elastic beam의 크기를 선정하였고, 전 방향으로 추력을 발생할 수 있도록 플랫폼의 둘레에 최대로 설치가 가능한 16개의 Foil을 대칭으로 설치를 하였다.

Fig. 8

Manufactured test model image

Information of circle platform

Fig. 9

Parameter of Flat Plate & Elastic Beam

Information of flapping plate

3. 모형실험 결과

실험은 Case 1, Case 2, Case 3 model을 세 가지 조건의 파도에서 진행하였고, 그 결과를 비교하여 가장 위치유지의 범위에 근접하는 Case를 선정한 후 해당 모델에서 Foil의 방위각을 조정하여 최적의 위치유지시스템을 찾는 방법으로 진행하였다. 각 Step은 선정된 Case에서 번호가 매겨진 Foil의 방위각이 일부 조정된 모델을 의미하고, 방위각은 Foil의 추력 발생을 증가시키거나 감소시키는 방향으로 조절된다. Foil의 방위각 제어는 파도의 입사각을 기준으로 제어가 된다. 파도의 입사각과 Foil이 평행하게 놓인 경우 최대 추력을 발생할 수 있다. 여러 번의 반복실험을 통하여 위치 유지의 경향을 가장 잘 보이는 모델을 찾아보았다. 결과 그래프에서 120초에 도달하기 이전에 측정값이 끊기는 것은 모델이 측정 도구인 VICON camera의 측정범위를 넘어서는 경우이다.

3.1 Short wave 결과

Fig. 10에서 Short wave에서의 Surge motion 결과를 보면 Case 3에서 Model이 (-)x방향으로 거동하는 것을 볼 수 있다. 따라서 Case 3을 Initial model로 하여 각 Foil의 방위각 변화를 통해 모델의 전체 추력을 감소시켜 설정된 위치유지 범위에서 Model의 위치를 유지할 수 있도록 하였다. 결과 Fig. 11에서 Step 5의 경우에 Model이 위치유지 범위 내에서 120초 머무는 것을 확인할 수 있었다. 이때 Step 5의 Foil은 Case 3을 기준으로 3, 4, 5번 Foil의 방위각이 추력을 감소시키는 방향으로 조절되었으며 방위각 변화는 Fig. 12와 같다. 이때 Step 1은 2번, Step 2는 3번, Step 3은 4번, Step 4는 5번, Step 6은 2, 3, 4, 5번 foil이 추력을 줄이는 방향으로 방위각이 조절되었다. Short wave에서의 결과를 보면 Foil의 방위각 조절에 따른 추력의 감소가 Foil의 숫자가 클수록 추력의 감소 경향이 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이는 실험의 전제가 Short wave에서는 어느 정도 타당성을 가지는 것으로 볼 수 있다. Step 6에서는 Model의 Surge가 (+)x방향으로 발생하였는데, 이는 4개의 Foil을 조절하였으므로 추력감소가 가장 크게 나타났기 때문이다.

Fig. 10

Surge motion in short waves

Fig. 11

Surge motion in difference azimuth angle

Fig. 12

Stationkeeping model in short waves

3.2 Intermediate wave 결과

Fig. 13에서 Intermediate wave에서의 Surge motion 결과를 보면 Case 1은 (+)x방향으로 Surge가 발생하고 Case 2는 (–)x방향으로 Surge가 발생했으므로 그 사이에서 위치유지가 이루어질 것을 예상할 수 있다. Fig. 14를 보면 Foil 방위각의 변화를 통하여 Step 6의 결과가 다른 결과에 비해 위치유지를 가장 잘 이루는 것을 확인할 수 있다. 이때 Step 6의 Foil은 Case 1을 기준으로 2, 4번 Foil의 방위각이 추력을 더 발생시키는 방향으로 조절되었고 Fig. 15와 같다. Step 1은 7번, Step 2는 2, 3번, Step 3은 7, 8번, Step 4는 2, 3, 4번, Step 5는 3, 4번 foil이 추력을 증가시키는 방향으로 조절되었다. Intermediate wave에서는 7번과 8번 Foil을 변화시킨 Step 1과 Step 3에서보다 2, 3, 4번대 Foil을 변화시킨 나머지 Step에서 추력의 변화가 더 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다. Intermediate wave에서는 실험 전제와 반대의 경향이 나타나지만, Short wave에서와 마찬가지로 조절된 Foil의 수가 많을수록 추력 변화가 크게 나타나는 경향은 확인할 수 있었다.

Fig. 13

Surge motion in intermediate waves

Fig. 14

Surge motion in difference azimuth angle

Fig. 15

Stationkeeping model in intermediate waves

3.3 Long wave 결과

Fig. 16을 보면 Long wave에서는 전방 추력이 세 가지 Case 중에서 가장 약한 Case 1에서도 Model이 (-)x방향으로 이동한 것을 볼 수 있다. Fig. 17을 보면 Case 1에서 Foil 방위각의 변화를 통해 추력을 감소시킨 Step 3과 같은 상태에서 매우 안정적으로 120초 동안 위치유지 범위에 위치하는 것을 확인할 수 있다. 이때 Step 3의 Foil은 Case 1을 기준으로 6번 Foil의 방위각이 조절되었고 이때 Foil의 방위각은 Fig. 18과 같다. 이때 Step 1은 5, 8번, Step 2는 8번, Step 4는 7번, Step 5는 5번, Step 6은 5, 6번 Foil이 추력을 감소시키는 방향으로 조절되었다. Long wave에서는 조절된 Foil의 위치와 조절된 Foil의 개수에 의한 경향성이 잘 나타나지 않는 것을 볼 수 있다. 결과적으로 Fig. 12, Fig. 15, Fig. 18의 모델에 장착된 각각의 Foil에서 발생하는 추력의 합이 파도에 의해 모델에 작용하는 유체력을 상쇄시키고 일정 시간 동안 모델의 위치를 유지한다. 위의 결과들을 보면 Model에 작용하는 유체력이 일정한 규칙파에서는 Passive foil을 이용한 위치유지가 가능할 것으로 보인다. 그러나 주기가 다른 세 가지 파도에서 위치유지를 이루는 Foil의 방위각이 모두 다르기 때문에 불규칙파에서의 Passive foil을 적용한 위치유지에는 한계가 있을 것으로 보인다. 추후 Model에 Foil의 방위각을 제어할 수 있는 Autonomous control system을 적용한다면 불규칙파에서 위치유지도 가능할 것이라 생각된다. 아래의 Fig. 19-20은 Intermediate wave에서의 실험장면을 보여 주고 있다. 원형 플랫폼은 자체부력만으로 떠 있는 것을 볼 수 있다. 현 실험은 위치유지시스템의 개발이 아닌 Flapping foil의 추력 발생능력과 위치유지시스템으로의 적용 가능성을 검토하는 것이 목적으로 Net sway force와 Net yaw moment의 영향을 제한하였다. 이를 위해 원형의 모델 위로 설치된 가이드 프레임을 이용하여 Sway motion과 Yaw motion을 구속하였다.

Fig. 16

Surge motion in long waves

Fig. 17

Surge motion in difference azimuth angle

Fig. 18

Stationkeeping model in long waves

Fig. 19

Image of experimental scene

Fig. 20

Image of experimental scene

4. 결 론

본 연구에서는 Foil을 이용한 새로운 위치유지시스템을 실험적으로 검증해 보았으며, Foil 방위각의 변화에 따른 Surge motion 응답을 비교해 봄으로써 Foil의 추력 발생 능력을 새로운 분야에 활용하고자 하였다. 현재 실험에 사용된 포일은 Passive type으로 수동적으로 제어된 특정한 Foil의 방위각 조합으로 수행된 규칙파 시험조건에서 Surge 방향으로 120초 정도의 유지 가능성을 확인하였다. Short wave에서의 결과를 보면, 실험의 전제와 같이 Foil의 번호가 커질수록 추력 변화의 정도가 더 크게 나타나는 경향을 볼 수 있었고, Foil의 방위각 제어에 의해 추력을 조절하여 위치유지의 기준에 들어가는 Model의 형태를 찾을 수 있었다. Intermediate wave의 결과를 보면 실험의 조절된 Foil의 위치에 따른 경향성은 확인 할 수 없었지만, 조절된 Foil의 개수를 늘려가며 위치유지 기준에 들어가는 Model의 형상을 찾을 수 있었다. Long wave에서의 결과를 보면, 세 가지 형태의 Case에서 모두 (-)x방향으로 Model이 진행하였으며, 조절된 Foil의 위치나 개수에 의한 경향성은 볼 수 없었지만 반복실험을 통해 위치유지를 이루는 Model의 형상은 찾을 수 있었다. 이를 통하여 유체력이 일정한 규칙파에서는 Passive foil을 적용한 위치유지가 가능하다는 결론을 내렸다. 마지막으로 Foil의 Flapping 운동의 고유주기를 확인하기 위해 Decay test를 수행하였으며, 영상장비를 통하여 운동을 분석한 결과 약 1.25s 정도의 Flapping 고유주기가 측정되었다. 이는 현재 실험조건에서 사용된 Short wave의 파주기(0.8944s)와 Intermediate wave의 파주기(1.789s) 사이의 값으로 입사파에 의한 공진의 가능성이 존재하는 것을 확인할 수 있다. 하지만, 공진으로 인한 Foil의 Flapping 운동 향상은 추력의 증가를 가져올 수 있으므로 향 후 위치유지에 공진을 이용할 수 있을 것으로 생각된다. 물론, 공진은 피로 하중의 증가를 유발하므로 설계 시 이를 충분히 고려하여 구조물의 안정성을 확보해야 한다. 본 연구에서 수행한 반복실험 데이터의 축적으로 Foil의 방위각 변화에 따른 추력 발생 능력도 추정할 수 있을 것이다. 공저자의 논문(Rupesh and Shin, 2019)에서는 단일 Foil의 운동에 의해 발생하는 추력을 수식화 하였으며, 추후에는 이 수치를 이용하여 구조물에 작용하는 유체력을 극복할 수 있는 Foil의 추력 값이 산출된다면, Foil의 초기 형상을 설정할 수 있을 것이다. 또한, Control system의 구성으로 Foil의 방위각 능동제어를 통해, 모든 수평면 운동(Surge, Sway, Yaw)방향과 불규칙파 조건에서의 위치유지 가능성을 검토할 예정이다. 실제 해상에서는 파도만 고려한 실험과 달리 해상에서는 Current와 Wind에 의해 구조물에 작용하는 하중영향도 고려해주어야 하므로 더 강한 추력을 발생할 수 있도록 방위각을 제어할 것이고, 방위각 제어만으로는 추력에 한계가 있기 때문에 Survival Condition을 고려했을 때, Foil을 Passive type에서 Active type으로 전환해 주는 방안도 함께 연구 중이다. 최종적으로 Flapping foil을 이용하여 Mooring line 없이도 부유체의 위치 유지를 할 수 있는 새로운 위치유지시스템을 적용할 수 있을 것이다.

Acknowledgements

본 연구는 정부(산업통상자원부)의 재원으로 한국에너지기술평가원의 지원(과제번호: 20163010024620)과 한국전력공사의 2018년 착수 에너지 거점대학 클러스터 사업의 지원(과제번호: R18XA03)을 받아 수행된 연구임.

References

Bockmann E, Steen S. 2013. The Effects of a Fixed Foil on Ship Propulsion and Motions. In : Proceedings of the Third International Symposium on Marine Propulsors smp’13. Launceston Tasmania Australia. p. 553–561.
Isshiki H. 1982;A Theory of Wave Devouring Propulsion (1st Report). Journal of the Society of Naval Architects of Japan 1982(151):54–64. https://doi.org/10.2534/jjasnaoe1968.1982.54.
Nagahama M, Murakami M, Isshiki H. 1986;Effects of a Foil Attached to a Ship in Waves. Hitachi Zosen Technical Research Laboratory
Rupesh K, Kim JB, Seo BC, Kim DJ, Shin HK. 2017a;An Estimation of Thrust Force of a Flapping Foil in Waves Using Potential Theory. Proceeding of 2017 Joint Conference the Korean Association of Ocean Science and Technology Societies :47–48.
Rupesh K, Kim JY, Kim DJ, Shin HK. 2017b;Effects of Elastic Bands on the Generation of a Flapping Foil. Proceedings of Annual Fall Meeting in The Korean Society for Marine Environment & Energy :123.
Rupesh K, Shin HK. 2019. Thrust Estimation of a Flapping Foil Attached to an Elastic Plate Using Multiple Regression Analysis. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering https://doi.org/10.1016/j.ijnaoe.2019.02.006.
Terao Y, Sakagami N. 2012;Application of Wave Devouring Propulsion System for Ocean Engineering. Proceedings of the Advances in Civil, Environmental, and Materials Research (ACEM’12) :1795–1808.

Article information Continued

Fig. 1

Principle of thrust force generation

Fig. 2

Ocean Engineering Wide Tank, UOU

Fig. 3

Coordinates used in the model test

Fig. 4

Direction of thrust force

Fig. 5

Top view of Case 1

Fig. 6

Top view of Case 2

Fig. 7

Top view of Case 3

Fig. 8

Manufactured test model image

Fig. 9

Parameter of Flat Plate & Elastic Beam

Fig. 10

Surge motion in short waves

Fig. 11

Surge motion in difference azimuth angle

Fig. 12

Stationkeeping model in short waves

Fig. 13

Surge motion in intermediate waves

Fig. 14

Surge motion in difference azimuth angle

Fig. 15

Stationkeeping model in intermediate waves

Fig. 16

Surge motion in long waves

Fig. 17

Surge motion in difference azimuth angle

Fig. 18

Stationkeeping model in long waves

Fig. 19

Image of experimental scene

Fig. 20

Image of experimental scene

Table 1

Different period of wave condition

Wave type Period [sec] Wave height [m] Wave length [m]
Short wave 0.8944 0.025 1.2490
Intermediate wave 1.789 0.025 4.9970
Long wave 2.504 0.025 9.7894

Table 2

Full scale wave condition (Ratio 1:50)

Wave type Period [sec] Wave height [m] Wave length [m]
Short wave 6.324 1.25 62.450
Intermediate wave 12.650 1.25 249.850
Long wave 17.706 1.25 489.470

Table 3

Information of circle platform

Parameter Value
Circle diameter 1,600 mm
Height 700 mm
Draft level 460 mm
Ring pipe diameter 28 mm
Ring pipe thickness 2.2 mm

Table 4

Information of flapping plate

Parameter Value
Material Polyethylene
Flat plate thickness 8 mm
Flat plate S 200 mm
Flat plate C 150 mm
Elastic beam thickness 2 mm
Elastic beam B 100 mm
Elastic beam L 50 mm