1서 론

최근 국내 해양레저산업에 대한 다양한 연구 및 지원으로 마리나 및 요트에 대한 관심이 증대하고 있으며, 국내 최고 의 관광지인 제주도의 경우 세일요트, 모터보트 등을 활용 한 레저사업도 점차적으로 활성화 되고 있는 등 해양레저 수요가 점점 증가되고 있는 추세이다. 따라서 전국적으로 늘어나는 해양레저 수요를 수용할 수 있도록 해양레저를 즐 길 수 있는 시설 확보를 위하여 기존어항을 마리나와 겸용 하는 피셔리나 시설이 확대되고 있다. 그러나 아직까지는 시설이나 장비가 미흡한 상황이며, 그나마 시설이 구축된 마리나에서 요트관리를 할 경우 고가의 비용이 소요된다.

요트를 관리하는 또 다른 방법으로는 육상에서 트레일러 를 사용하거나 육상계류장을 사용하며, 서해안의 경우 조수 간만 차이로 인해 보트 계선시 한쪽으로 기울지 않도록 장 치를 하거나 아예 갯벌 밖으로 들어내어 놓고 관리하는 경 우가 많다.

모터보트인 경우 이러한 관리들이 가능하지만, 세일을 이 용해 항해하는 일반적인 세일요트의 경우 선저에 큰 스팬을 갖는 모노킬과 타가 선체에 부착되어 있다. 따라서 세일요 트를 마리나에 계선시키지 않을시 전용 트레일러 혹은 킬과 타를 고려한 세일요트 전용 시설 외에는 관리가 어려운 실 정이다.

기존에 세일링 요트의 킬이나 세일, 러더 등에 대한 연구 는 세일링 요트를 개발하면서 병행되어 다수 수행되어졌으 나(Ahn and Yoo, 2005; Yoo et al., 2006; Choo et al., 2006) 트윈 킬에 대한 연구는 단일킬과 저항특성을 비교한 연구(Lee et al., 2011) 외에는 찾아볼 수 없었으며, 트윈킬의 부착방법이 나 형상 및 요트계류에 대한 것은 고려되어있지 않았다.

또한 국내 조선소에서 트윈킬 요트가 건조된 실적도 없으 며, 국내에 운항하고 있는 트윈킬 요트 역시 전무한 실정이다.

따라서 본 연구에서는 국내 해양레저 활성화에 따른 세일 요트 관리 및 대중화를 고려하여 육상에서도 트레일러 없이 바로 설 수 있고 조수간만의 차이가 큰 서해안 갯벌에서도 선체가 한쪽으로 기울지 않고 관리할 수 있도록 킬의 부착 방법과 형상을 고려한 트윈킬 요트를 개발하고자 한다.

2트윈킬 개발

2.1세일요트 선정

본 연구는 세일요트에 대한 선형개발보다는 트윈킬 개발 에 집중하는 것으로 계획하였기 때문에 기존 세일링 요트 선형에 대하여 트윈킬을 개발하는 것으로 하였다.

따라서 기존의 20 ft급 세일요트 중 블루워터21을 대상선 박으로 선정하고 배수량 계산을 수행하였다. 선정된 세일요 트의 주요제원 및 선도는 Table 1 및 Fig. 1과 같다.

2.2킬 개발방향 설정

기존 모노킬의 킬면적은 1.322 ㎡, 침수표면적은 2.770 ㎡, 러더의 면적은 0.377 ㎡, 침수표면적은 0.764 ㎡이며, 모노킬 의 경우 길이방향으로 Fig. 2 도면과 같이 위치하고 있었다.

세일요트의 킬은 세일에서 발생하는 횡방향 힘(side force) 에 의한 사항(leeway)을 줄여주는 역할과 복원력을 향상시켜 횡경사를 줄여주는 역할을 주로 한다.

따라서 세일링 요트는 모노킬과 같이 무게중심을 가능한 낮게 만들어주는 킬이 효과가 좋다. 그러나 본 연구에서는 서해안 갯벌에 선체가 기울지 않고 설 수 있으며 모노킬과 성능이 비슷한 킬을 개발하는 것이 목표이므로, 트윈킬에 의한 무게중심 상승값이 최소가 될 수 있도록 고려하였다. 또한 트윈킬에 따른 저항증가를 고려하여 침수표면적을 모 노킬과 동일하게 설계하였으며 갯벌에 안정적으로 설 수 있 도록 타의 스팬에 따른 chord length를 고려하였다. 또한 트윈 킬의 중량은 모노킬과 동일하도록 계획하여 개발하였다.

2.3트윈킬 설계

2.3.1형상에 따른 설계

앞서 말한 킬의 개발방향에 따라, Type 1과 Type 2를 설계 하였다. Type 1의 경우 기존 모노킬의 면적을 반으로 나눠 0.625B.L 선저위치에 부착하는 것으로 저항성능 면에서는 기 존 모노킬과는 차이가 없을 것으로 예상되어진다. Type 1의 제원 및 형상은 Fig. 3과 같다.

그러나 타의 스팬보다 Type 1의 스팬이 더 짧으므로 요트 가 갯벌에 안정적으로 서는 것은 어려울 것이며 타에도 손 상이 가는 등 바람직하지 않을 것으로 판단된다. 또한 타와 킬의 스팬이 유사하거나 차이가 적을 경우에도 같은 문제점 이 발생할 것으로 예상된다.

따라서 Type 2의 경우 요트가 갯벌에 안정적으로 계류될 수 있도록 우선 계획하였으며, 침수표면적을 고려하고 Type 1과 같이 0.625B.L 선저위치에 부착하는 것으로 Fig. 4와 같이 재설 계하였다.

2.3.2부착방법에 따른 설계

세일요트 선체에 킬을 부착하는 방법은 킬자체를 수직이 되도록 하여 선체에 부착하는 방법(M 1)과 선체와 킬을 수직 이 되도록 부착하는 방법(M 2) 두가지를 고려하였다(Fig. 5).

킬자체를 수직이 되도록 하여 선체에 부착하는 경우(M 1) 는 선체와 킬을 수직이 되도록 부착하는 방법(M 2)보다 선 체와의 접합이나 강도면에서 유리할 것으로 생각되어진다. 그러나 선체가 서는데 있어 안정성이 다소 불리할 것으로 생각되어지므로, 두가지 방법에 대해 설계를 수행하고 모형 시험을 통해 기본성능을 확인하며 모형선이 안정적으로 설 수 있는지 검토해 보는 것으로 계획하였다.

2.3.3킬 위치에 따른 설계

트윈킬의 종방향 위치를 결정하기 위하여 5가지 위치에 대하여 킬의 LCG를 구하고 요트 경하중량에 대한 LCG를 계 산하여 Table 2에 나타내고 각 조건에 대한 트림값을 비교하 였다. 킬의 종방향 위치는 킬 위치 1, 2, 3, 4, 5 중 모노킬과 가장 유사한 상태를 갖고 있는 No. 3을 선택하였다.

선정된 트윈킬 요트와 기존 모노킬 요트에 대한 최종중량 계산 결과는 Table 3과 같다. 계산결과를 보면 종방향 중심 은 동일하며, 무게중심은 모노킬 요트보다 트윈킬 요트가 0.081 m 정도 높아진 것을 볼 수 있다. 결과적으로 중량 및 종방향 중심은 모노킬과 동일하며 무게중심이 약 14 % 상승 하였다.

2.3.4초기 복원성 계산

앞에서 서술한 바와 같이, 트윈킬의 무게중심이 상승하였기 때문에 복원력에 문제가 없는지 확인하기 위하여 KST_SHIP system을 이용하여 초기 복원성을 계산해 보았다. 국내에는 “범선의 구조 및 설비 등에 관한 기준”에 의해 세일링 요트 의 복원성을 검토하게 되어 있으며 (Ministry of Maritime Affairs and Fisheries, revision 2012) 경사우력정 산정시 돛은 포함하 지 않는다. 본 개발선은 연해구역 이하를 항해구역으로 하 는 선박길이 24 m 미만으로 선박복원성 기준 중 여객선에 적용하는 내용을 만족할 필요가 없으나, 계산기준을 강화하 여 검토를 수행하였다. 풍압은 504.2 N/m²으로, 여객의 횡이동 모멘트도 고려하여 계산하였다(Ministry of Maritime Affairs and Fisheries, 2009). 계산결과, 모노킬 요트의 경우 여객선 기 준을 만족하지 못하였으며 예상과는 다르게 트윈킬 요트가 모노킬 요트에 비해 복원성이 좋게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 트윈킬과 모노킬 요트의 복원성 판정결과 및 GZ-curve에 대해 Table 4 및 Fig. 6, 7에 나타내었다.

3모형시험

3.1모형선

모형선은 주)대원마린텍에서 FRP로 제작하고 유동가시화 및 항주자세 관측이 유리한 회류수조에서 모형시험을 수행 하였다. 모형선의 주요제원은 Table 5와 같다.

3.2시험조건

세일요트의 속력은 길이에 따른 임계속도를 산정하여 결 정하며 임계속도를 설계속도로 간주한다. 본 선형의 임계속 도는 Fn=0.4에 해당하므로 설계속도는 5 kts에서 6 kts 사이가 적정하나, 전문적인 세일링이 아닌 해양레저 대중화가 목적 이므로 설계속도를 3 kts로 산정하였다. 모형시험은 2 kts에서 7 kts까지 1 kts단위로 6가지 speed에서 수행하는 것으로 시험 속도를 결정하였다.

세일요트는 세일에 작용하는 바람에 따라 직진상태와 사 항상태에서 운항하므로, 본 시험에서는 기존 시험 자료(Lee et al., 2009)를 참고하여 직진상태(Φ=0°#x00B0;)와 받음각이 5도인 사항상태(Φ=5°) 두가지에 대해 시험하기로 하였다. 또한 킬 의 형상은 모노킬 및 트윈킬 두가지(Type 1, Type 2) 조건으 로 계획되었으나, Type 1의 경우 앞에서 말한 바와 같이 갯 벌에 서는데 있어 타에 영향을 줄 것으로 생각되어 Type 2에 대해 부착방법 M1을 CASE1으로 M2는 CASE2로 나누어 시 험속도에 대해 각각의 저항시험을 수행하였다.

3.3시험결과

3.3.1모노킬

Fig. 8은 모노킬에 대한 직진 및 사항상태에 대해 시험한 모형선이며, Table 6 및 7은 직진 및 사항상태에서 계측한 전 저항값을 나타내고 있다. 전저항값은 각 속도별로 3회씩 시 험하여 읽은 값의 평균으로 나타내었다.

모노킬에서 직진상태와 사항상태의 시험결과를 비교하여 보 면 2 knots에서는 거의 비슷하다가 3 knots에서는 38 %, 4 knots 부터는 40 % 이상의 차이를 보이며 사항상태가 직진상태보 다 저항이 커지는 것을 알 수 있다.

Fig. 9부터 Fig. 14까지는 모노킬에서의 직진 및 사항상태 에 대한 속도별 wave pattern을 나타내고 있다. 사항상태에서 는 고속으로 갈수록 선체가 한쪽현으로 많이 기울었기 때문 에 시험은 7 knots까지 수행하였으나 데이터의 정확도를 위 하여 데이터는 6 knots에 대한 것으로 비교하였다. 그림에서 보는 바와 같이 사항상태에서 고속으로 갈수록 저항이 커지 는 이유도 이런 현상에 기인한 것으로 생각되어진다.

3.3.2트윈킬 (CASE1)

Fig. 15는 트윈킬(CASE1)에 대한 직진 및 사항상태에 대해 시험한 모형선이며 킬 자체를 수직으로 하여 선체에 부착한 것을 볼 수 있다.

Table 8 및 9는 직진 및 사항상태에서 계측한 전저항값을 나타내고 있다. 마찬가지로 전저항값은 각 속도별로 3회씩 시험하여 읽은 값의 평균으로 나타내었다. Table 9

트윈킬(CASE1)의 직진 및 사항상태에 대해 시험한 결과를 비교해보면 전반적으로 모노킬의 시험결과와 같은 경향을 보이고 있는 것을 알 수 있다.

Fig. 16부터 19까지는 트윈킬(CASE1)에 대한 직진 및 사항 상태에 대해 2 knots와 7 knots에서의 wave pattern을 나타내었 다. 모노킬과 마찬가지로 사항상태에서 한쪽현으로 기우는 현상이 나타났으나, 6 knots에서 비교해 봤을 때 모노킬 보다 는 기울기가 조금 완화되어있어 트윈킬(CASE1)에 대한 직진 및 사항상태 비교시 저항치의 차이가 모노킬보다 줄어든 것 을 알 수 있었다.

3.3.3트윈킬 (CASE2)

Fig. 20은 트윈킬(CASE2)에 대해 시험한 모형선을 나타내 고 있으며 선체와 수직으로 킬이 붙어 있는 것을 볼 수 있다.

Table 10와 11은 트윈킬(CASE2)에 대해 시험한 저항치의 평균값을 나타내고 있다. 평균 저항치만 보더라도 6 knots에 서의 직진 및 사항상태 차이가 45 % 이상인 것을 알 수 있으 며 CASE1보다 큰 값을 갖고 있었다.

Fig. 21부터 Fig. 24까지는 트윈킬(CASE2)의 직진 및 사항 상태에 대한 wave pattern을 나타내고 있다. 앞에서와 같이 사항상태에서는 한쪽현으로 기우는 현상이 역시 보이며, Fig. 24를 보면 반대편 킬에 의한 파도가 생성된 모습을 볼 수 있다.

3.3.4결과

시험결과에 대한 자세한 분석을 위하여 모노킬과 트윈킬 의 직진 및 사항상태에 대한 저항값을 한눈에 볼 수 있도록 Fig. 25와 같이 그래프로 나타내었다. 그림에서와 같이 모노 킬 및 트윈킬 모두 사항상태가 직진상태보다 저항이 높으며 특히 속도가 증가할수록 사항상태에서의 저항은 급격히 증 가하는 경향을 보이고 있다.

직진상태의 경우 트윈킬(CASE1)이 트윈킬(CASE2)와 저항 값 및 경향이 비슷하지만 근소한 차이로 성능이 가장 좋게 나타났다. 모노킬은 4 knots이전까지는 트윈킬(CASE1, CASE2) 과 유사한 값을 보이고 있으며 4 knots에서는 동일한 성능을 보여주고 있으나 이후부터는 계속 차이가 증가하는 것을 볼 수 있다.

사항상태의 경우 킬의 형상 변화에 따라 킬에 작용하는 유체력의 차이에 의한 Heeling이 서로 다르게 발생했으며, 트 윈킬(CASE1)의 저항값이 모노킬과 트윈킬(CASE2)와 약 17 % 이상의 차이로 양호하게 나타나는 것을 볼 수 있다. 트윈킬 (CASE2)의 경우 4 knots 이하에서는 트윈킬(CASE1)과 유사한 저항성능을 나타내고 있으나 5 knots 이상에서는 저항성능이 급격히 나빠지며 7 knots에서는 모노킬 보다 저항성능이 더 나빠지는 경향을 보인다. 이는 킬이 선체와 거의 수직으로 부착된 관계로 고속에서 Heeling시 반대편에 부착된 킬의 일 부가 수면에 돌출되면서 여기에 파도가 생성되기 때문인 것 으로 판단된다.

4결 론

개발된 트윈킬 요트의 저항성능은 직진뿐 아니라 사항상 태에서 모노킬 요트에 비해 다소 양호한 저항성능을 갖는 것으로 나타났다. 다만 킬이 선체에 수직으로 부착되거나 수면 근처에 부착될 경우, 사항상태에서 자세변화에 따른 킬의 압력 차이에 의해 한쪽 현으로 기우는 현상이 발생하 여 저항성능이 나빠질 가능성이 존재한다. 따라서 트윈킬 목적을 고려하여 선체가 직립할 수 있고 외관상 디자인이 우수한 범위 내에서 킬의 부착위치 및 부착방법을 결정하는 것이 중요하다고 생각된다.