선박 펌프젯 추진기의 비공동 소음해석 기법 및 소음저감 설계연구 = Research on noise analysis and reduction design for non-cavitation pump-jet propulsor for ships

국문 초록 (Abstract)

선박은 크게 상선과 함정으로 구분되며, 고속화와 대형화로 인하여 수중방사소음의 중요성이 강조되고 있다. 특히, 상선은 해양환경규제가 강화되면서 이를 만족시키기 위해서, 함정은 작전운용성능을 향상시키기 위해서 수중방사소음을 줄이기 위한 설계가 필수적이다. 선박에서 발생하는 소음은 기계류소음, 유체소음, 추진기 소음 등이 있지만, 추진기에서 발생하는 소음이 넓은 주파수 범위에서 크게 발생하기 때문에 이를 줄이기 위한 추진기 설계가 필요하다. 추진기에서 발생하는 소음은 크게 공동 소음과 비공동 소음으로 나뉜다. 추진기가 빠른 속도로 회전하면서 낮은 국부 저압 영역이 생길 때 공동이 발생하며, 비공동일 때보다 큰 소음이 발생한다. 하지만, 펌프젯 추진기는 감속덕트를 사용하여 로터의 회전영역에서 주변 압력을 높여줄 수 있고, 공동 발생을 억제 및 지연시킬 수 있다. 현재는 추진 효율과 에너지의 문제로 핵추진 잠수함과 어뢰에서 주로 쓰이고 있으며 상선에는 거의 적용된 바가 없지만, 향후 함정의 스텔스 기술의 발전과 상선 공동 소음에 대한 해양환경규제 강화 등으로 인하여 폭넓게 펌프젯 추진기가 사용될 것이 예상된다.
본 논문에서는 펌프젯 추진기의 공동 억제 및 지연 성능이 우수하기 때문에, 펌프젯 추진기의 비공동 소음에 대해 연구하였다. 먼저, 펌프젯 추진기의 구조적 특성을 반영하여 단일 추진기와는 다른 소음 해석기법을 개발하고, 비공동 날개주파수 소음과 난류광대역 소음을 분석하였다. 펌프젯 추진기 소음 해석기법은 덕트 내부의 경계조건에 따른 그린함수와 Lighthill의 음향상사법, 그리고 외부로의 자유방사 조건을 이용하였으며, 소음원별 해석을 위해서 주파수 영역에서 개발하였다. 비공동 소음원은 유동해석과 벽면변동압력 스펙트럼을 이용하여 날개주파수와 난류광대역 소음원을 도출하였다. 그리고, 펌프젯 추진기 덕트의 소음 차단과 스테이터의 유입류 정류 특성을 분석하여 비공동 소음을 저감시킬 수 있는 덕트와 스테이터의 설계기법을 개발하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Ships are classified into merchant vessels and naval vessels. With advancements in speed and size, the importance of underwater radiated noise has gained significant attention. For merchant vessels, stricter marine environmental regulations necessitate designs that reduce underwater radiated noise, while for naval vessels, reducing underwater radiated noise is essential for enhancing operational capability. The noise generated by ships can originate from machinery, fluid flow, or propulsion, but propulsion noise is particularly critical as it occurs across a wide frequency range. Thus, designing propulsors to minimize this noise is vital.
Noise from propulsors is primarily categorized into cavitation noise and non-cavitation noise. Cavitation occurs when the rapid rotation of the propulsor creates low-pressure regions, producing significantly higher noise levels than under non-cavitating conditions. However, pump-jet propulsors can mitigate and delay cavitation by using deceleration ducts to increase the local pressure around the rotor’s operating region.
Currently, pump-jet propulsors are mainly utilized in nuclear-powered submarines and torpedoes due to concerns about propulsion efficiency and energy consumption. They have not yet been widely adopted for merchant vessels. However, with the advancement of stealth technologies for naval vessels and the tightening of marine environmental regulations regarding cavitation noise in merchant vessels, pump-jet propulsors are expected to see broader adoption in the future.
This study focuses on the non-cavitating noise of pump-jet propulsors, given their superior performance in suppressing and delaying cavitation. First, a noise analysis methodology tailored to the structural characteristics of pump-jet propulsors was developed, differing from the approach used for single propulsors. Non-cavitating blade frequency noise and turbulent broadband noise were analyzed. The pump-jet propulsor noise analysis utilized Green's function based on duct boundary conditions, Lighthill's acoustic analogy, and free radiation conditions for external noise propagation. The analysis was conducted in the frequency domain to separately evaluate noise sources.
Non-cavitating noise sources were derived using flow analysis and wall pressure fluctuation spectra, identifying blade frequency and turbulent broadband noise. Additionally, the noise-blocking characteristics of the pump-jet duct and the inflow rectification effects of the stator were analyzed. Based on these analyses, duct and stator design methods were developed to reduce non-cavitating noise.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1. 연구배경 및 내용 1
• 1.2. 논문구성 15
• 2. 펌프젯 추진기 비공동 소음 해석기법 연구 17
• 2.1. 추진기 비공동 소음원 해석기법 17
• 2.1.1. 음향상사법을 이용한 추진기 소음해석 기법 17
• 2.1.2. 추진기 비공동 소음 분류 19
• 2.1.3. 추진기 비공동 날개주파수 소음원 해석기법 29
• 2.1.4. 추진기 비공동 난류광대역 소음원 해석기법 38
• 2.2. 펌프젯 추진기 비공동 소음 해석기법 58
• 2.2.1. 덕트 내부 비공동 소음 해석기법 64
• 2.2.2. 덕트 외부 비공동 소음 해석기법 86
• 3. 펌프젯 추진기 비공동 소음 저감 설계기법 개발 103
• 3.1. 덕트 설계를 통한 비공동 소음 저감 설계 103
• 3.1.1. 음향 모드별 소음전파 특성 104
• 3.1.2. 감쇠파 특성을 이용한 날개주파수 소음저감 덕트 설계 114
• 3.2. 스테이터 설계를 통한 비공동 소음 저감 설계 129
• 4. 펌프젯 추진기 비공동 광대역소음 반경험식 개발 170
• 4.1. 단일 추진기 비공동 광대역소음 반경험식 개발 172
• 4.1.1. 추진기 초기 설계변수를 이용한 난류소음원 추정 173
• 4.1.2. 설계변수 소음특성을 고려한 3차원 난류유동 추정 187
• 4.2. 펌프젯 추진기 비공동 광대역소음 반경험식 확장 197
• 4.2.1. 펌프젯 추진기 덕트 삽입 손실 정의 197
• 4.2.2. 머신러닝을 이용한 덕트 삽입 손실 학습 201
• 5. 결론 및 향후 추천 연구 208
• 5.1. 결론 208
• 5.2. 향후 추천 연구 211
• 6. 참고문헌 213
• Abstract 220