Turning circle
1. 선회권(Turning circle) 의 생성
① 선박이 타각없이 직진하는 상태에서 상당한 타각을 주고 그 상태를 유지하면 선박은 선회하면서 원운동을 한다. 이렇게 360도를 회전하면서 선박의 무게중심이 그리는 궤적을 선회권(Turning circle)이라고 한다.
② 조타를 하여 타에 일정한 각도를 주게되면 타판에 생기는 압력은 선박의 연직축 주위에 회두Moment를 줄 뿐만 아니라, 선체의 횡이동을 유발시키는 힘과 전진운동에 대항하는 항력을 주게 된다. 그리하여 조타개시 직후에는 회두가 일어나기 전 조타방향과 반대방향으로 빗나가는 것처럼 보이면서 직진한다.
③ 그러나 이런 시간은 극히 짧고 곧 선회운동이 일어나며 회두가 진행됨에 따라 편각이 증가하고 선속은 떨어져 타각에 대응한 정상의 회두각속도, 편각 및 선회선속에 달하게 되고 일정한 중심점을 선회하는 원의 궤적을 그리게 된다.
④ 선회가 정상상태에 도달한 후의 운동을 정상선회운동(steady Turning motion)이라 하고 보통 원침로에서 90도 정도 선회하였을 때 이루어진다. 선회권은 같은 타각이라도 좌선회와 우선회의 크기가 다르다. 선종에 따라 다르겠지만, 일반적으로 공선시 60도, 만선시 100도 정도에서 정상선회운동으로 들어간다.
2. 선회권의 용어
① 전심(Pivoting point)
선박이 선회운동을 할 때 실제 역학적 회전중심은 선체의 중심 G에 있으나 외관상 원침로상을 그대로 가면서 선체의 종중심선상의 다른 점을 수직축으로 회전하는 것같이 보이는 데 이러한 외관상의 회전중심점을 전심이라 한다.
선박이 직진 중에는 선수미선의 이동방향과 선체중심의 이동방향은 일치한다. 그러나 선회를 시작하면 그들의 이동방향이 달라져 중심G점의 이동방향과 선수미선이 협각을 이루게 되는데 이를 편각이라 한다.
좀더 자세히 설명하면 V라는 속력으로 진행하면서 타각을 주게 되면 타압의 횡분력으로 인하여 선체는 원래의 진행방향으로부터 회전하여 편각을 갖게 되고, 이때 선체는 V라는 속력으로 흐르는 유체 중에 입사각 α(편각)로 놓인 평판과 같게 된다. 이때 선체에 수직하게 직압력(Fn)이 생기게 되며 이는 다시 항력 Fd와 양력 Fl로 분해되어 항력은 선속을 감소시키고 양력은 구심가속도를 만들어 선체가 원운동을 하도록 밖에서 안쪽으로 밀어대는 것이다. 이렇게 선회시 물의 流線과 선수미선이 이루는 입사각(attack angle)을 편각이라 하고 이 편각으로 인하여 선체에 양력 및 항력이 생기게 되고 원운동에 필요한 구심가속도가 생기는 것이다.
편각은 항상 선체중심 G점 궤적의 안쪽에 있게 되며, 편각이 적으면 선회권은 커진다. 선회운동시 타압이 하는 일은 선미를 외측으로 밀어내고 선수를 내측으로 밀어 넣어 편각을 만드는 역할이며 이후에는 선체의 직압력에 의하여 원운동을 하게 되는 것이며 편각의 크기는 보통 5-15도 정도이다.
③ 선회종거(Advance) 및 선회횡거(Transfer)
전타점에서 각변화량이 90도가 되는 점까지 원침로상에서의 거리를 Advance, 윈침로에 수직한 거리를 Transfer라 한다.
④ 선회경(Tactical diameter) 및 정상선회경(Final diameter)
윈침로로부터 회두가 180도 이루어 졌을 때까지의 거리를 Tactical diameter라 하며, 선박의 선회각속도가 일정하게 되었을 때에는 중심G점의 궤적은 완전한 원에 가깝고 그 때의 선회항적의 직경을 Final diameter라 한다. 선회경은 전속전진상태에서 보통 선체길이의 3-4배 정도이며 Advance의 1.25배 정도지만 선박의 시운전 자료를 참조하도록 한다.
⑤ Kick
조타를 하여 타에 일정한 각도를 주게 되면 타판에 생기는 압력은 선박의 연직축 주위에 회두Moment를 줄 뿐만 아니라 선체의 횡이동을 유발시키는 힘과 전진운동에 대항하는 항력을 주게 된다. 따라서 조타개시 직후, 회두가 일어나기 전에 조타방향과 반대방향으로 선체가 이탈하는데 이를 Kick이라 한다.
⑥ Reach
전타개시의 위치에서 정상선회권 중심이 위치한 거리까지 직진한 거리로 원침로상에서 잰 거리를 Reach라 한다. 이것은 조타에 대한 추종성 즉, 정상선회에 달하는 시간적인 체속을 거리로 표시한 것으로 타효가 좋은 선박은 Reach가 짧고 타각의 크기에 따라 다르다. 이 값은 통상 주어진 일정 타각에서 Heading이 10도내외로 변할때까지 진행거리와 같다. 이 Reach가 갖는 선체길이에 대한 비를 선회타력계수라고 한다.
3. 선회권에 영향을 주는 요소
선박이 타각없이 직진하는 상태에서 상당한 타각을 주고 그 상태를 유지하면 선박은 선회하면서 원운동을 한다. 이렇게 360도를 회전하면서 선박의 무게중심이 그리는 궤적을 선회권(Turning circle)이라고 한다. 이러한 선회권의 크기는 선박의 조선에 중요한 요소이며 선회권의 크기에 영향을 주는 요소는 다음과 같다.
1). 방형비척계수 (Block coefficient)
방형비척계수 Cb가 적은 날씬한 고속형의 선박(Cb이 약0.6)은 Cb가 큰 비대형선(Cb가 약0.8)에 비하여 선회성이 떨어진다. 따라서 선폭에 비하여 그 길이가 짧은 뚱뚱한 선형 즉 Cb가 큰 선형은 선회경이 작아진다. 그리고 길이가 긴 선체는 연직축주위의 관성모우멘트가 크고 회두에 의한 물의 저항이 크기 때문에 선회성이 나쁘고 선회경이 커진다. 여기서 방형비척계수(Cb)는 배수용적과 Block용적(LxBxD)과의 비율이다. 즉 Cb = 배수용적/ LxBxD
2). 흘수
동일한 선박이라도 흘수가 변화하면 배수량이 바뀌고 이러한 배수량이 선회성능에 영향을 준다고 할 수 있다. 일반적으로 타면적이 일정하게 그대로 있고 흘수가 증가하면 타면적비는 감소하고 또한 선회저항이 증가하기 때문에 선회경은 크게 된다고 생각되나 실험에 의하면 배수량이 약 35% 증가하여도 선회경의 변화는 그리 크지 않다. 이것은 흘수의 증가에 따라 측압면적이 크게 됨으로 인하여 양력이 상대적으로 크게 되는 것이 한 원인이다.
3). 트림
배수량을 일정하게 두고 선미트림으로 하면 타면적은 그대로 있으나 선회저항의 작용점이 후방으로 이동하고 저항 모우멘트가 커지기 때문에 선회경이 크게 된다. 즉 선회시 수저항 중심이 선수쪽으로 이동할 수록 선회하기 쉬워지며 트림이 선체길이의 1% By the stern 증가하면 선회경은 10% 증가한다. 같은 이유로 선수 트림은 선회경을 적게 한다.
4). 선체의 중량분포
배수량 및 트림을 일정하게 두고 선체중량이 전후부에 널리 분포한 경우 연직축 주위의 관성능률이 크기 때문에 회전각가속도가 적어지고 따라서 선회성이 저하하며, 선체중앙부에 모인 경우 관성능률이 적어져 선회성이 좋아진다.
공선항해시에는 관성능률도 적어지고 흘수도 감소하므로 선회권이 적어질 것같지만 타의 상부가 노출되고 프로펠러의 효율도 나빠져 타압이 감소하기 때문에 선회성능이 저하되는 수가 있다. 또한 공선시에는 선미트림이 크기 때문에 선회경이 적어지지 않는다.
5). 수면하선체측면형상
선체의 수면 하 측면형상에 있어서 그 면적의 일부를 절제한 부분을 cut up이라고 하고 반대로 면적을 증가시킨 것과 같은 부분을 skeg 또는 역재(力材)라고 한다. 선체침하부에 cut up을 실시하는 것은 측면적을 감소시켜 주는 것으로 선회권에 영향을 미치는 데 선미 cut up은 선수 트림과 같이 선회성을 돕게 되므로 기동성을 요하는 군함, 포경선 등에 이러한 형을 채용하나 이러한 선형은 침로안정성이 좋지 아니하다. 따라서 선회성보다 침로안정성이 중요한 화물선 등에서는 선미에 skeg를 붙여 후부측면적을 증가시키는 방법을 취하고 있다.
6). Screw propeller의 회전방향
(1) 단추진기선의 선회권
일반적으로 single screw vessel에서는 타판이 추진기의 직후에 설치되어 있기 때문에 이상적인 흐름을 받는 단독타와는 달리 screw current, wake current의 영향을 받아서 타중앙으로 하고 항주하더라도 좌우에서 타에 미치는 압력이 달라지고 좌우 어느 한쪽으로 선수가 편향한다. 또한 좌우 같은 타각으로 선회를 하더라도 그 선회권의 크기는 약간씩 다르게 나타난다. 그 이유는 횡압력(Transverse thrust)의 관계로 propeller회전쪽의 선회권이 커진다고 본다. 우선회단추진기선의 경우 일반적으로 우선회권이 크게 된다.
(2) 쌍추진기선의 선회권
쌍추진기선에서는 일반적으로 한 개의 타가 선체중심선에 설치되는 수가 많고 타판이 추진기의 배출류를 직접 받지 아니하므로 단추진기선에 비하여 타압은 약간 떨어진다. 그러나 각현의 추진기의 회전방향이 대개 외선식이고 좌우대칭이므로 단추진기선에서와 같은 편향력은 나타나지 아니한다. 양현 propeller의 직후에 설치한 쌍타의 경우에는 타의 성능은 좋아지나 선회권에 대한 종합영향은 좌우가 같고 편향력은 일어나지 않는다.
7). 타의 제요소
선회권의 크기를 결정하는 요소는 선체의 크기, 침하부형상, 타 및 선속 등이지만 제요소를 일정하게 두고 타만을 생각하면 이것이 선회권에 미치는 영향은 다음과 같다.
(1)타각
선박의 선회를 일으키는 기본적인 힘은 타압에 의한 선회우력 Pncosθ·½L이며 이것은 C ·A · v² sin2θ로 표시된다. 타면적 A 및 유속 v를 일정한 값으로 가정하면 이론상 최대 유효타각은 45도이지만 critical angle의 영향, 조타기의 마력, 선체선미부의 강도 등을 고려하여 최대타각을 35도정도의 범위에서 제한하고 있다. 그러나 선미에서 수류를 받는 실제 타판의 입사각은 실제타각 θ에서 편각을 뺀 값이 되므로 타효의 증가는 35도를 넘는 각도에서도 발생하며 그에 따라 선회권은 적어진다고 볼 수 있다.
(2) 타면적
상기한 선회우력의 공식에서 타압은 타면적에 비례하므로 타면적을 크게 하면 선회권은 작아져야 한다. 그러나 타면적비가 선체의 크기 종류에 따라 일정 정도 이상이 되면 조타기의 마력, 선체의 강도 등의 견지에서 불리할 뿐 아니라 타자체의 선회운동에 대한 저항이 커져서 선회권이 오히려 커지는 경향이 있다.
8). 속력
결론적으로 속력은 선회권의 크기에 관계하지 않는다.
선체가 정상선회운동에 들어가면 선체운동방정식을 다음과 같다.
선수미선방향
T = Pnsinθ + R’ ·cosß + m·v2/r·sinα
횡방향
R’sinß = Pncosθ + m·v2/r·cos α
Z축방향
Pncosθ·GC = R’sinß·GB
Pn: 타의 직압력
θ: 타각
R’: 선체 수저항
ß: 수류입사각
m: 선체질량
v: 선속
r: 선회경
α: 편각
상기식에서 불확실한 요소인 R'를 소거하고 선회권의 반경 r에 관한 식을 만들면
선회권에 관한 종합평가
R = C3· GB·M·cosα/ sin2θ(GC-GB)
편각 α가 크면 적어지고, M이 커지면 커진다.
GC>GB이고 정상선회에 들어가면 부호는 같아지고 GB가 커지면 커진다.
θ이 크면 선회권은 작아진다.
C: 타의 위치
G: 중심점의 위치
B: 선체 수압중심
상기식은 속도를 포함하지 아니함으로 선회권의 반경은 선속에 관계 없다는 것을 표시하고 있다. 일반적으로 속력이 선회권에 관계치 않는 것은 Froude수가 약 0.3 이하인 경우라고 한다. 이 속력은 길이 100미터 선박일 경우 선속이 약 18.3노트로 보통 상선의 경우 Froude수 0.3이하의 선속을 대부분 갖기 때문에 선속은 선회권에 무관하다고 보며 선속이 이보다 커지면 선회권은 커진다. 그 원인은 속력이 커지면 타배면에 형성되는 수류관계로 양력이 감소하고 또한 선체주위의 파형 및 수류가 변하여 수저항의 작용점이 선미쪽으로 이동하기 때문이다. 반대로 선속이 매우 적어지거나 타력전진의 경우 추진기류가 없어지기 때문에 타압은 매우 감소하고 선회권은 커진다.
거리만이 문제가 되는 곳에서 전방의 장해물을 피할 때에는 전속에서 미속으로 하면서 타를 최대각도로 하는 것이 좋다.
9). 수심
흘수에 비하여 충분한 수심이 있지 아니하면 천수의 영향으로 선회권이 커진다. 수심이 옅어지면 부가관성 모멘트, 선회저항 모멘트, 타압 모멘트가 모두 증가한다. 다만 선회저항 모멘트 증가율이 관성 모멘트나 타압 모멘트보다 일층 크게 되어 선회경이 커진다. 실험에 의하면 선회경의 증가는 전체적인 것이 아니고 측방으로 증가하는데 이는 선박이 선회를 시작함에 따라 상대적으로 타압 모멘트는 감소하는데 비하여 선회저항 모멘트는 증가하기 때문이다.