A Study on the Arrangement of Integrated Power System for Warship

통합 동력 시스템(이하 IPS)은 함정의 모든 원동기(Prime mover)가 전력만을 생산하고 생산된 전력을 통합하여 추진과 무기체계, 함정 내 소요처에 공급하는 체계로, 함정에서 요구되는 전력량이 증가할수록 그 필요성이 대두된다. 본 연구는 IPS의 원동기 구성 방식에 따른 적합성을 정량적으로 평가할 수 있는 평가 인자와 평가 방법에 대한 연구이다. 즉, 구축함급 함정에 발전용 디젤 기관과 발전용 가스터빈 기관으로 구성되는 IPS를 운용할 경우를 가상하여, IPS 동력 시스템의 다양한 구성 방법들의 특징을 비교 분석하여 평가함으로써 IPS를 최적화할 수 있는 방안에 관하여 연구하였다. 평가 인자는 동력 시스템의 최적화 대상인 전투 능력, 경제성을 중심으로 검토하였다.List of Tables ⅴ List of Figures ⅵ Abstract ⅷ 제1장 서 론 1 1.1 연구 배경 1 1.2 연구 내용 4 제2장 함정 추진체계의 종류와 IPS의 특징 5 2.1 함정 추진체계의 종류 5 2.1.1 기계식 추진체계 5 2.1.2 복합식 추진체계 7 2.2 IPS (Integrated Power System) 9 2.2.1 IPS의 필요성 9 2.2.2 IPS 동력 시스템의 특징 12 2.2.3 IPS의 배전 방식과 에너지 저장장치 13 제3장 IPS의 동력 시스템 구성과 평가 방법 15 3.1 동력 시스템 구성 비교 15 3.1.1 기계식, 복합식 추진 함정의 동력 시스템 구성 15 3.1.2 IPS 동력 시스템 구성의 고찰 16 3.2 IPS 동력 시스템의 최적화 평가 인자 20 3.2.1 전투 능력 20 3.2.2 운용성 21 3.2.3 경제성 22 3.2.4 환경 친화성 22 3.3 평가 인자의 정량화 및 평가 방법 25 3.4 동력 시스템의 연료소비 추세와 중량 추세 산출 28 3.5 추진기관의 제동 동력 산출 방법 30 3.6 함정 동력 시스템의 연간 운용 시간 비율의 추정 32 제4장 IPS의 동력 시스템 최적화 34 4.1 IPS 가상함정 설정 34 4.2 기관 체계별 동력 전달 36 4.2.1 기계식 추진 체계의 동력 전달 36 4.2.2 복합식 추진 체계의 동력 전달 37 4.2.3 IPS의 동력 전달 37 4.3 가상함정의 추진 방식에 따른 동력 시스템 구성 39 4.3.1 CODOG 시스템의 구성 39 4.3.2 IPS 동력 시스템의 구성 40 4.4 동력 시스템의 연간 연료 소비량 및 중량 산출 42 4.4.1 CODOG의 연간 연료 소비량과 중량 산출 42 4.4.2 IPS 동력 시스템의 연간 연료 소비량과 중량 산출 43 4.5 IPS 동력 시스템의 최적화 비교 47 4.6 CODOG과 IPS 동력 시스템의 비교 53 4.6.1 연료 소비량 비교 53 4.6.2 동력 시스템의 중량 비교 53 4.7 COGAG과 IPS 동력 시스템의 비교 55 4.8 만재톤수과 전력량에 따른 IPS 최적화 비교 59 제5장 IPS 동력 시스템 최적화를 위한 추가 고려 요소 61 5.1 인력 운용 61 5.2 획득 및 유지 비용 63 5.3 선형과 추진기에 따른 공간 활용도, 소요 동력의 변화 64 5.4 환경 요소 67 제6 장 결론 71 참고문헌 7

함정용 디젤엔진의 성능 향상을 위한 과급 시스템 개선에 관한 연구

미래 한국 해군의 함정에 요구되는 공간 집약성과 정숙성, 높은 발전 용량은 한국 해군이 새롭게 도입하고 있는 전기식 추진체계를 통해서 달성 가능하나 효율성과 친환경성 면에서의 이점을 분명히 하는 데는 한계가 있다. 함정의 효율성과 친환경성은 함정용 디젤엔진의 성능 향상을 통해 극대화 될 수 있으며 이에 따라, 해군은 디젤엔진의 효율성과 친환경성을 향상시키기 위해 시퀀셜(sequential) 과급, 밀러(Miller) 사이클, 2단 과급 시스템, 가변 밸브 타이밍, 가변 분사 타이밍 등의 다양한 기술들을 디젤엔진에 채택해 가고 있다. 따라서, 이들 기술들을 명확히 이해하고 그 효과를 분명히 할 수 있는 연구 자료는 장비의 획득과 후속 보급 등 군수 정책의 의사결정 과정에서 유용하게 활용될 수 있다. 본 연구에서는 먼저, 높은 신뢰성을 갖는 디젤엔진의 시뮬레이션 모델을 이용하여 함정용 디젤엔진에 채택 중인 시퀀셜 과급 시스템의 효과를 검토하였다. 다수의 과급기로 구성된 기존의 흡배기 매니폴드를 조정하여 과급기 일부를 차단한 후, 과급 시스템이 운전 조건 범위 내로 안정화되는 과정을 계산하여 시퀀셜 과급 시스템의 적용 가능성과 효과를 고찰하였다. 그 결과, 2개의 과급기로 구성된 대상엔진의 25% 부하 영역에서 과급기를 1대만 운전함으로써, 배기 에너지의 집중을 통해 과급 압력을 추가적으로 상승시켜 엔진의 연료소비율이 개선 즉, 효율성이 향상됨을 확인하였다. 이어서, 함정용 디젤엔진의 부하별 운용 패턴과 발전기의 주 운전 부하를 고려하여 과급기 다운사이징의 효과를 추가로 검토하였으며, 과급기 다운사이징을 통해 연간 연료 소비 총량 중 약 40 톤의 감소 효과가 나타남을 확인하였다. 엔진의 효율성과 친환경성을 동시에 개선(연료소비율의 감소와 NOx 저감) 가능하다는 점에서 크게 주목을 받고 있는 밀러 사이클에 대해서는 이론적인 고찰을 통해 밀러 효과의 원리를 분명히 한 후, 시뮬레이션을 통해 실제 엔진에서 밀러 적용 방법에 따른 적용 효과의 차이를 고찰하였다. 주요 결과로, 밀러 사이클의 열효율은 밀러 각도를 크게 하고 과급 압력을 높게 할수록 향상되지만 밀러 각도가 더 커지게 되면, 터빈 입구 압력의 상승과 밀러 로스의 증가로 인하여 열효율이 다시 감소하기 때문에 최적의 밀러 각도가 존재함을 확인하였다. 또한 대상엔진의 과급 조건에서 late Miller에 비해 early Miller의 효과가 크게 나타남을 알 수 있었으며 밀러 효과는 엔진의 운전 속도 등 운전 조건에 따라 변하기 때문에 효율성과 친환경성 중 우선시 되는 성능에 보다 적합한 밀러 적용 방법을 선택 적용할 필요가 있음을 분명히 하였다. 마지막으로 밀러 효과를 극대화하기 위한 방안을 고찰하였다. 밀러 효과는 2단 과급 시스템과의 결합을 통해 강화되며, 변화된 과급 조건에 적합한 밸브 조건을 선택함으로써 엔진에서 구현 가능한 밀러 효과를 극대화시킬 수 있다.목 차 List of Tables iv List of Figures v Abstract x 개요 xii Nomenclature xiv Subscript xv 제1장 서 론 1 1.1 연구 배경과 목적 1 1.2 연구 내용 6 제2장 함정의 추진체계 변화와 디젤엔진의 요구 성능 9 2.1 개요 9 2.2 함정의 추진체계 변화 10 2.2.1 함정의 패러다임 변화 10 2.2.2 기계식 추진체계의 한계 15 2.2.3 전기식 추진체계로의 전환 23 2.3 함정용 디젤엔진의 요구 성능 변화 30 2.3.1 함정용 디젤엔진의 요구 성능 30 2.3.2 효율성과 친환경성의 요구와 관련된 기술들 36 2.4 요약 47 제3장 함정용 디젤엔진의 과급 시스템 영향 49 3.1 개요 49 3.2 디젤엔진의 성능 예측 50 3.2.1 대상엔진의 선정과 계산 모델 52 3.2.2 열발생률 패턴 55 3.2.3 성능 예측 결과의 고찰 58 3.3 시퀀셜 과급 시스템의 효과 63 3.3.1 시퀀셜 과급 시스템의 적용과 연구 사례 63 3.3.2 시퀀셜 과급 시스템의 적용 효과 65 3.4. 과급기 매칭 변경의 효과 71 3.5 요약 74 제4장 밀러 사이클의 고찰 75 4.1 개요 75 4.2 밀러 사이클의 이론적 고찰 76 4.2.1 밀러 사이클의 적용과 연구 사례 76 4.2.2 밀러 사이클의 이론 열효율 78 4.2.3 4행정 과급 밀러 사이클의 주요 성능인자 영향 85 4.3 실제 4행정 사이클에서의 밀러 효과 고찰 91 4.3.1 실제 사이클에서의 early Miller와 late Miller의 비교 91 4.3.2 회전 속도의 영향 99 4.4 요약 102 제5장 밀러 사이클 적용 디젤엔진의 성능 향상 방안 103 5.1 개요 103 5.2 2단 과급 시스템의 효과 104 5.2.1 2단 과급 시스템의 성능 인자 고찰 105 5.2.2 2단 과급 시스템에 의한 밀러 효과 극대화 115 5.3 가변 밸브 기구의 적용 효과 120 5.3.1 밸브 오버랩 조정의 영향 120 5.3.2 밸브 리프트 증가의 영향 129 5.4 수정 단일영역모델을 이용한 NOx 생성량 예측 및 비교 131 5.4.1 수정 단일영역 모델 131 5.4.2 NOx 생성량 예측 및 성능 비교 134 5.5 요약 138 제6장 결론 141 참고문헌 143 감사의 글Docto

Development and Applications of an Optic Oxygen Sensor Datalogger for in situ Dissolved Oxygen Monitoring in Coastal Water

Dissolved oxygen (DO) is a crucial parameter for assessing environmental conditions in aquatic ecosystems. However, commercial in situ dataloggers for oxygen optodes can be relatively expensive and limited in their specifications. In this paper, we present a novel design for a DO datalogger system based on the control boards family with RP2040 MCU chipset. Our design includes two types of dataloggers: a simple logging system and a programmable system for sampling rates via magnetic switches underwater for divers. We provide detailed descriptions of the system, including the MicroPython source code and drawings to aid in construction. We also discuss the various applications of our DO datalogger system in monitoring dissolved oxygen concentration in coastal waters and assessing the benthic metabolism of aquatic ecosystems. Our DO datalogger system provides an affordable and flexible option for researchers to accurately monitor DO concentrations in aquatic environments, and thereby improve our understanding of these complex ecosystems.33Nscopuskc

현장 관측용 휴대용 벤틱챔버 기술 개발

한국해양과학기술

비인만 어장생산력 산정 인자 조사 최종보고서

국립수산과학

The estimation of sedimentary organic carbon budge and in situ benthic respiration and nutrient flux in the continental shelf sediments of southern Yellow Sea

본 연구는 황해 냉수대 해역 퇴적물 내 유기탄소 산화율 측정에 의한 탄소 수지 산정과 저층 및 저층-수층 연결고리(benthic-pelagic coupling)을 추정하였다. 황해 남부 해역 중심부(CSYS; central southern yellow sea)와 황해 남부 해역 서단(WSYS; westmost part of southern yellow sea)에서 퇴적물 내 지화학 성분, 현장 관측 장비 운용 및 퇴적물 시료 채집을 통해 퇴적물 총 산소 소모율, 저층 영양염 용출율에 대한 조사가 이루어졌다. 측정된 총 산소 소모율 및 확산 산소 소모율은 각각, 7.71-10.3 mmol m–2 d–1 와 6.44 ± 1.33-9.09 ± 0.09 mmol m–2 d–1로 나타났다. 측정된 산소 소모율은 모두 CSYS 정점이 WSYS 정점에 비해 1.1-1.4배 높게 나타났으며, 현장 관측 장비를 통해 측정된 결과가 선상 배양을 통해 측정된 결과보다 1.1-1.3배 높게 나타났다. 산소 투과 깊이는 0.64 ± 0.11-1.2 ± 0.6 cm로 나타났으며, 산소 소모율과 유사한 경향을 보였다. 저층 영양염 용출율은 용존 무기질소가 –0.25-2.02 mmol m–2 d–1로 나타났으며, 용존 무기 인 및 규산염은 각각, 0.02-0.07 mmol m–2 d–1, 1.72-2.84 mmol m–2 d–1로 나타났다. 저층 영양염 용출율이 일차 생산력을 위한 영양염 요구량에 대한 기여도는 각각, 용존 무기질소가 1.47-27.1%, 용존 무기 인이 4.30-15.1%, 용존 무기 규산염이 18.5-30.5%로 나타났다. 표층부터 20 cm까지 누적한 퇴적물 공극수 내 질산염, 암모니아, 인산염, 규산염 농도는 정점간 유사하게 나타났다. 하지만, 퇴적물 내 탄소 수지는 정점간 차 이가 나타났다. WSYS에서 유기탄소 침강률(680 g m–2 yr–1)과 표층 퇴적물 유기탄소 함량(2.3%)은 CSYS (212 g m–2 yr–1 및 0.99%)에 비해 약 2-3배 이상 높게 나타났으나, 유기탄소 산화율은 29.0 g m–2 yr–1 CSYS(34.7 g m–2 yr–1)에 비해 상대적으로 낮게 나타났다. 한편, WSYS 정점의 표층 퇴적물 C/N(9.99) 및 Chl-a/Phaeopigment(0.95)를 CSYS(7.5 및 1.2)와 비교해 봤을 때, WSYS 정점 표층 퇴적물 유기탄소는 상대적으로 난분해성 이었으며, WSYS의 퇴적물 내 유기탄소 매장률은 47.9%로 CSYS(19.0%)에 비해 2배이상 높게 나타났다. 본 연구 결과는 황해 남부 해역 내 퇴적물 수송 및 분포 특성과 관련 있는 것으로 사료 되어진다.2

Argo float provided with measuring function of oxidation rate of organic carbon from a sediment layer

본 발명은 선박으로부터 해수중으로 투입된 이후 특정 수심층을 단계별로 유영하면서 해당 수심층의 환경데이터를 측정 및 저장시킨 다음, 해수면으로 다시 부상하여 저장된 환경데이터와 위치정보를 위성 등으로 송신할 수 있도록 한 무인 해양환경 측정장비로서의 아르고 플로트에 있어, 상기 아르고 플로트의 원통형 플로트바디 하단측에 다수 개의 행거프레임을 방사상으로 연결 설치하고, 상기 각각의 행거프레임 하측부에 바닥면이 개구된 배양챔버를 연결 설치하며, 상기 배양챔버의 덮개판 상부면에 임펠러모터가 내장된 모터케이스를 설치하고, 상기 임펠러모터의 구동축이 덮개판을 관통하여 배양챔버 내부의 임펠러와 연결 설치되도록 하며, 상기 임펠러의 회전반경을 벗어난 위치에 덮개판을 관통하는 센서기구를 설치함에 따라, 아르고 플로트를 이용하여 상기배양챔버를 해저면의 퇴적물층에 수직 방향으로 안착시킨 다음, 배양챔버 내부의 해수를 임펠러로 교란시킨 후 해당 센서기구로 해수중의 가스성분을 측정하는 과정을 아르고 플로트의 탐사루트에 포함시킴으로서, 아르고 플로트가 제공하는 고유의 측정기능과 더불어 해저면의 퇴적물층에 부착하거나 기어다니는 표생생물 또는 퇴적물층으로 들어가 서식하는 내생생물의 생태 파악을 위한 유기탄소 산화율의 측정기능을 추가로 제공할 수 있도록 한 퇴적물의 유기탄소 산화율 측정기능이 제공된 아르고 플로트에 관한 것이다

Development of non-invasive eddy covariance technique for estimation of net ecosystem metabolism in barren ground of Jeju Island

한국해양과학기술

In situ benthic chamber possible for continous measurement on the seafloor

본 발명은 해저면의 생태연구에 필요한 환경측정용 샘플이나 데이터를 수집하는 측정장치에 제공되어 해저 면의 저질층에 부착하거나 기어다니는 표생생물 또는 저질층을 이루는 갯벌이나 모래사장으로 들어가서 서 식하는 내생생물의 생태활동으로 발생하는 각종 가스성분이나 화학성분 및 해저면과 인접한 해수속에서 생 장하는 각종 미생물의 종류 등에 대한 분석작업을 수행하는 데 사용되는 벤틱챔버에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상기 벤틱챔버를 이루는 배양챔버를 힌지로드에 의하여 측정장치의 장치구조물상에 링크식으 로 연결 설치하는 한편, 상기 힌지로드를 배양챔버와 함께 소정의 각도만큼 상부 방향으로 들어 올릴 수 있는 각운동기구를 측정장치의 장치구조물상에 설치함으로서, 바닥면이 개구된 상태의 배양챔버 하단측을 소정의 깊이만큼 해저면으로 삽입시킨 다음, 배양챔버 내부의 임펠러를 회전시켜 해저면의 저질층을 교란 시키는 방식으로 1회의 측정작업을 수행한 직후, 상기 각운동기구를 이용하여 배양챔버를 힌지로드와 함 께 해저면으로부터 들어 올림에 따라 해당 위치의 저질층이 일정 시간에 걸쳐안정화되도록 한 다음, 배양 챔버를 다시 원위치로 하강시켜 측정작업을 재수행하는 방식으로 해저면에서의 연속적인 저질층 측정작업 이 가능토록 한 현장배양 벤틱챔버에 관한 것이다

시화호 및 유역 퇴적물의 중금속 오염 평가 및 오염 원인 추적

시화호는 인접한 육역의 도시화와 산업화로 인해 오염이 심각하게 진행된 연안 수역 중 하나로, 유입된 유기물 및 중금속이 시화호 및 주변 해역 퇴적물에 축적되어 저서 및 수층 생태계 건강에 위협을 미치고 있다. 시화호의 환경개선을 위한 정부와 지자체의 노력으로 일부 수질이 개선되었지만, 인근 산업단지와 지역 개발로 인해 중금속을 포함한 오염 유입이 지속되고 있어 환경 관리의 필요성이 더욱 커지고 있다. 장기적인 환경문제 해결을 위해 체계적인 육상오염원 관리가 필수적이다. 본 연구에서는 시화호 유역 퇴적물의 중금속 오염도를 평가하고, 오염원 분석을 통해 환경 위해성을 진단하였다. 오염 평가 방법으로 농축계수(Enrichment Factor, EF) 및 지구축적계수(Geo-accumulation Index, Igeo)을 활용하여 오염 수준을 정량적으로 분석하였다. 또한, 생태학적 위해성 평가(Ecological Risk Assessment, ERA)를 수행하여 퇴적물 내 중금속의 생태학적 위험성을 평가하였다. 통계 분석을 통해 중금속 오염 현황을 파악하고, 오염원 간의 관계를 규명하였다. 스피어만 상관관계 분석(Spearman’s correlation analysis)을 이용하여 중금속 간의 상관성을 평가하였으며, 군집 분석(Cluster Analysis, CA)을 통해 중금속 오염원의 특성을 구분하였다. 또한, 주성분 분석(Principal Component Analysis, PCA)을 통해 주요 오염 요인을 추출하고, 수용체모델(Positively Matrix Factorization, PMF)을 적용하여 각 오염원의 기여율을 정량적으로 산정하였다. 본 연구의 결과는 시화호 유역의 중금속 오염 특성을 이해하고, 오염원의 기여도를 규명하여 효과적인 관리 방안을 마련하는 데 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.2