[논문]선박 추진축 선미 베어링 압력 분포 해석

신상훈; 최익흥

doi:10.3744/snak.2004.41.3.035

선박 추진축 선미 베어링 압력 분포 해석
Pressure Distribution Analysis for After Bush Bearing of Ship Propulsion Shaft 원문보기

Since the scale of vessels is growing up recently, some troubles between the shaft and after bush bearing are frequently reported. Generally, mean pressure on bush bearing is used as a design criterion. However, in some case of the long bearing such as after bush bearing of the propulsion shaft, it might be liable to be locally under high pressure. As for the main engine bearings and the intermediate shaft bearing, it is reasonable to take the mean pressure as a design criterion. But, in case of after bush bearing, it is not sufficient because of the possibility of high pressure caused by local contact. In this study, Hertzian contact condition was applied to evaluation of the local pressure for after bush bearing. To reduce the local maximum pressure, the height of the after bush bearing was controlled. It was found that local maximum pressure could be reduced effectively by taking a partial slope on the white metal of the aft bush bearing.

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문제 정의

못하다. 본 연구는 선미 베어링 부분의 발열 사고를 방지하기 위한 방안으로 축계 해석 시부시 베어링에 작용하는 평균 압력을 설계 기준으로 두기보다는 상대적으로 긴 부시 베어링에 작용할 수 있는 최대 압력을 설계 기준으로 고려해야 한다는 사실이며, 무시 베어링의 국부 최대 압력을 낮추려면 추진축이 부시 베어링에 골고루 접촉할 것을 제안한다.
Hertzian 접촉은 접촉너비를 따라 반 타원 형상의 압력 분포(Johnson 1989)를 가정하고 있다. 본 연구에서도 Hertzian 접촉 조건을 부시 베어링에 구간 별로 적용하여 부시의 국부 압력 분포를 계산하였고, 발열사고를 막기 위하여 국부 최대 압력을 낮추는 방안을 제안하였다. 선체와 축계 사이의 반력은 유한요소 모델을 구성하여 구하였으며 상용 유한요소해석 프로그램인 NASTRAN을 사용하였다.

가설 설정

Hertzian 접촉은 접촉너비를 따라 반 타원 형상의 압력 분포(Johnson 1989)를 가정하고 있다. 본 연구에서도 Hertzian 접촉 조건을 부시 베어링에 구간 별로 적용하여 부시의 국부 압력 분포를 계산하였고, 발열사고를 막기 위하여 국부 최대 압력을 낮추는 방안을 제안하였다.

제안 방법

Hertzian 접촉 조건을 후방 선미 베어링에 구간별로 적용하기 위해 선미 베어링을 10개의 구간으로 나누었고, 개선 전 압력 분포 중 국부 최대 압력을 나타내는 full load와 6m 파랑하중의 복합조건의 압력 분포를 Fig.7에 나타내었다.
발열사고는 대부분 후방 선미 베어링(after bush beaiing)의 후방부에서 할생하며, 후방부의 압력이 상대적으로 높음을 의미한다. 베어링의 전체적인 압력 분포 모습을 얻기 위하여 베어링을 길이 방향으로 여러 부분 나누어 계산하였다.
부시 베어링을 길이 방향에 따라 10개의 구간으로 나누었으며 각 구간에 상용 유한요소해석 프로그램(NASTRAN)의 접촉 요소인 gap 요소를 사용하였다. 축계해석을 수행하면 gap 요소의 반력으로 단위 길이 당 반력(Q)을 구할 수 있으며, 식(7)과 식(8)에 대입하여 접촉 너비와 최대압력을 계산하였고, 압력분포는 식(2)에 대입하여 나타내었다.
부시의 전방부를 더 올려 전방부에 하중 부담을 증가 시켜 보았다. 이 경우는 국부 최대 압력이 full load 조건에서 발생하였고, 그 결과를 Fig.
선체와 축계 사이의 반력은 유한요소 모델을 구성하여 구하였으며 상용 유한요소해석 프로그램인 NASTRAN을 사용하였다. 선체 하중 조건 변화에 따른 선미 베어링 반력 및 최대 압력 변화를 조사하기 위하여 ballast 조건, full load 조건, full load와 6m 파랑 하중의 복합조건에 대하여 각각 계산을 수행하였다. 또한, 국부 최대 압력을 낮추기 위해 후방 선미 베어링 전후의 높낮이를 조절하였으며, 추가적으로 후방 선미 베어링 안의 라이닝 재료에 약간의 경사각을 주어 국부 최대 압력을 효과적으로 낮출 수 있었다.
5는 VLCC의 유한요소 모델로서 엔진룸 부분의 요소크기를 다른 부분에 비해 샹대적으로 작게 하였다. 선체의 구조해석을 통하여 각 하중 조건에서 얻어진 변위들을 축계에 강제변위로 적용하였다.
선체의 변형을 고려하기 위한 선체의 하중 조건은 Table 1 같이 엔진 가동 상태의 ballast 조건, full load 조건, full load와 6m 파랑하중의 복합조건을 각각 적용하였다.
추진축과 부시 사이에 국부적으로 발생하는 압력 분포를 계산하기 위해 Hertzian 접촉 조건을 적용하였다. Fig.
7과 8에서 알 수 있듯이 부시의 중간 무가 제 역할을 못하고 있다는 사실이다. 효과적으로 부시의 중간 부분에 하중 부담을 주기 위하여 Fig.9와 같이 부시의 후방부에 경사를 주는 것을 제안하였다. 전방부에 경사를 주지 않은 이유는 프로펠러에 가까운 후방부가 전방부에 비해 축과의 접촉이 상대적으로 크기 때문에 전방부에 경사를 주면 후방 부에 하중 부담을 상당히 가중시키기 때문이다.

대상 데이터

본 해석에서 채택하고 있는 축계 해석 모델은 VLCC 축계 모델로서 Fig.1에 나타내었고, 축계해석 시 고려하고 있는 사항은 다음과 같다.

이론/모형

본 연구에서도 Hertzian 접촉 조건을 부시 베어링에 구간 별로 적용하여 부시의 국부 압력 분포를 계산하였고, 발열사고를 막기 위하여 국부 최대 압력을 낮추는 방안을 제안하였다. 선체와 축계 사이의 반력은 유한요소 모델을 구성하여 구하였으며 상용 유한요소해석 프로그램인 NASTRAN을 사용하였다. 선체 하중 조건 변화에 따른 선미 베어링 반력 및 최대 압력 변화를 조사하기 위하여 ballast 조건, full load 조건, full load와 6m 파랑 하중의 복합조건에 대하여 각각 계산을 수행하였다.
추진축 장치들의 기능 및 제한사항들은 (전효중 1983)과 (대한조선학회 1976)를 참조하였다.

성능/효과

둘째, 부시 베어링에 작용하는 평균 압력보다는 국부 최대 압력을 설계 기준으로 두는 것이 바람직하다고 사료된다.
선체 하중 조건 변화에 따른 선미 베어링 반력 및 최대 압력 변화를 조사하기 위하여 ballast 조건, full load 조건, full load와 6m 파랑 하중의 복합조건에 대하여 각각 계산을 수행하였다. 또한, 국부 최대 압력을 낮추기 위해 후방 선미 베어링 전후의 높낮이를 조절하였으며, 추가적으로 후방 선미 베어링 안의 라이닝 재료에 약간의 경사각을 주어 국부 최대 압력을 효과적으로 낮출 수 있었다.
베어링의 압력 분포를 변화시키기 위해서는 베어링의 위치 및 높낮이를 조절할 수 있으나, 본 계산의 대상인 축계 시스템의 경우 최대 압력을 줄이는 데는 큰 효과가 없었다. Fig.
첫째, 축계 해석 시 부시 베어링을 길이 방향에 따라 여러 구간으로 나누어 압력 분포를 계산하면 발열 사고 부위인 후방무의 압력 분포가 높음을 확인 할 수 있었다.

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