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문제 정의
- 본 연구에서는 실린더 주유기 끝단에 부착된 퀼(Quill)내의 어큐뮬레이터(Accumulator)가 작동되지 않았을 경우, 실린더 주유기의 성능에 미치는 영향을 파악하기 위해, 실제기관의 분위기에 맞도록 모형 실린더 내의 압력을 질소가스를 사용하여 16 bar로 일정하게 형성하고, 어큐뮬레이터의 고장상태를 인위적으로 만들어 모터 회전속도와 플런저 행정을 파라미터로 하여 최대 토출압력, 최대 송출압력, 최대 손실압력, 송출지연시간 및 송출유량을 측정한 다음, 이전 연구6)와 비교하여 어큐뮬레이터의 역할을 파악하는 것이 목적이다.
- 본 연구에서는 산학협동에 의해 개발한 Wärtsilä Switzerland사의 디젤기관용 실린더 주유기를 사용하여 모형 실린더에 배압을 걸어주었을 경우에 정상 및 고장 상태의 어큐뮬레이터 성능특성을 조사하여 다음과 같은 주요한 결과를 얻었다.
제안 방법
- 또한, 주유기 내 코일식 전기히터(75 W)를 설치하여 자동온도조절기에 의해 설정온도를 유지하도록 하여 오일탱크와 주유기 사이의 관 통과시간, 주유기내로 유입된 후 체류시간, 주유구를 통한 주유관 통과시간 동안에 발생되는 온도변화를 작게 하였다. 관은 전체적으로 보온재로 감싸 온도차를 가능한 줄이도록 하였다.
- 주유기 축에 설치된 광센서를 이용한 레이저 회전속도 측정장치(Pocket tachometer 3632)에 의해 주유기 본체의 회전속도가 측정되었고, 플런저 펌프의 주유기 본체는 모터의 축과 연결되어 있는 인버터(KC-1500A)의 주파수에 의해 회전속도를 바꿀 수 있도록 되어있다.
- 따라서 주유기에서 분사되는 압력이 배압보다 높을 때에만 실린더 오일이 분사되어 윤활유로서의 역할을 할 수 있다. 본주유기의 성능시험시, 배압을 걸어주기 위해 직경 100 mm, 높이 100 mm, 두께 50 mm의 모형 실린더 배압기(modeling cylinder)를 제작하여 설치하였고, 질소가스를 사용해 모형 실린더내의 배압을 형성시켜 주었다. 실린더에 윤활유를 분출시키기 위해 관길이 10 m의 끝단에 실제 선박에서 사용하는 것과 동일한 퀼을 부착시켰다.
- 본주유기의 성능시험시, 배압을 걸어주기 위해 직경 100 mm, 높이 100 mm, 두께 50 mm의 모형 실린더 배압기(modeling cylinder)를 제작하여 설치하였고, 질소가스를 사용해 모형 실린더내의 배압을 형성시켜 주었다. 실린더에 윤활유를 분출시키기 위해 관길이 10 m의 끝단에 실제 선박에서 사용하는 것과 동일한 퀼을 부착시켰다.
- 본 실험에서는 운전중인 실제 디젤기관과 유사한 환경을 설정하기 위해 오일온도를 45°C로 가열하여 사용하였다.
- 즉, 저 모터회전속도 × 장 플런저 행정, 중 모터 회전속도× 중 플런저 행정, 고모터회전속도× 단 플런저 행정의 실험조건을 선정하여 어큐뮬레이터가정상 및 고장상태에서 주유기의 성능을 비교하였고, 주유상태를 관찰하기 위해 퀼 주유장면의 사진을 찍었다.
- 실린더 1기에 대해 상단 및 하단에서 주유하기 때문에, 4 실린더용 주유기의 경우에는 전체 주유구가 8개인데, 동일한 실험조건에서는 각 주유구의 토출량이 같다고 가정하여 1번 주유구의 성능을 측정했고, 나머지 주유구의 토출량은 탱크로 송출되었다. 1번 주유구의 끝단에서 0.03 m 떨어진 위치의 토출 압력과 퀼에서 분출하기 전 주유관 끝단의 송출압력을 측정하기 위해 압전식 압력계를 각각 설치하였다.
- 본 실험에서는 운전중인 실제 디젤기관과 유사한 환경을 설정하기 위해 오일온도를 45°C로 가열하여 사용하였다. 주유기 모터의 회전속도를 60, 80, 100, 120 rpm로 변화시켰고, 모형실린더 내의 배압은 게이지 압력으로 15 bar로 고정시켰으며, 플런저의 행정은 9 mm이지만, 2 mm에서 8 mm까지 2 mm씩 증가시켰고, 4.8 mm를 하나 추가시켰다.
- 각 실험조건에서의 측정된 압력파형을 디지털 스토레지 오실로스코프(Hitachi VC-7504, 8bits, 8 kword/CH)에 저장하고, 저장된 압력파형에서 최대 토출 및 송출 압력을 환산하고, 이 값을 사용하여 송출지연시간 및 최대 손실압력을 계산하였다.
- 본 연구에서 최대 손실압력은 배압을 걸어준 상태에서 주유기 출구로부터 0.03 m 떨어진 곳의 최대 토출압력과 실린더에 퀼이 부착된 주유관 길이의 끝단인 10 m 떨어진 지점에 있어서 최대 송출압력과의 차이로서 정의했다.
- 모터 회전속도와 플런저 행정에 따른 운전모드 특성 비교실험에서 모형 실린더 내의 퀼로부터 주유되는 상태를 알아보기 위해 어큐뮬레이터가 정상 및 고장상태인 경우의 사진을 찍어 비교해 보았다.
대상 데이터
- 70,000마력급인 선박용 2행정 저속 디젤기관 RTA96C의 분리형에 적용하기 위하여 산학공동으로 개발한 Sulzer RTA48T형의 최소구경인 5 실린더용 디젤기관에 탑재되는 실린더 주유기의 본체를 Fig. 1에 나타내고 있다. 그림에서는 5 실린더용을 나타내고 있지만, 4 실린더의 경우에는 운전 중 어떤 실린더 주유기에 문제가 있을 때, 바로 교환이 가능하도록 1 실린더를 예비용으로 두고 있다.
- 주유기와 퀼 사이에 타이머가 부착된 솔레노이드 밸브(KSO-G-2B)를 설치하여 송출량을 측정하였고, 주유관은 스테인리스로 된 내경 6 mm인 관을 사용했다.
- 주유관 길이가 주유기 성능에 미치는 이전연구6)에서 주유관 길이의 영향이 거의 나타나지 않았기 때문에, 본 연구에서는 주유관 길이를 10 m로 하였다.
- 실험에 사용된 실린더 오일은 Mobil Gard 570으로 주요한 물리적 및 화학적 특성은 Table 3과 같다. 실험에 있어서 주유기 회전속도의 변동률은 1 rpm 미만이었고, 실린더의 오일온도 변동률은 2°C 이하였다.
성능/효과
- 3) 그런데 기술료를 지불하면서 60% 이상을 우리나라에서 생산하고 있는 MAN B & W사의 선박용 대형 디젤기관의 실린더 주유기는 도면을 받아 국내 몇 개의 중소기업체에서 OEM 방식으로 α형 등을 제작하여 공급하고 있지만, 아직도 50% 이상을 외국으로부터 수입하고있다.
- Wärtsilä사 선박용 대형 디젤기관의 실린더 주유기 작동과 기능은 MAN B & W사 제품과 거의 같기 때문에, 저자들은 그 기술을 적용하여 산학공동으로 Wärtsilä사 디젤기관용 실린더 주유기를 국내기술로 설계하고 제작한 다음, 자체적으로 개발한 실린더 주유기의 유량 특성을 조사하는 기초적인 실험을 수행하여 한스옌센사의 제품과 비교한 결과, 성능이 유사하게 나타나고 있음을 확인하였다.
- 4 ～ 5 bar 정도 떨어짐을 알 수 있다. 주유기 입구에서 토출되는 최대 토출압력은 퀼과 관계가 없고, 또한 퀼에서 10 m 정도 떨어져 있기 때문에 영향을 미치지 않을 것으로 판단했지만, 실제 실험에서는 3 ～ 10% 정도 영향을 미치고 있었다. 이것은 어큐뮬레이터의 역할인 맥동압력 등을 흡수하지 못하기 때문이라고 예측된다.
- 그림으로부터 어큐뮬레이터가 고장상태인 플런저 행정이 2 mm이고, 모터 회전속도가 60 rpm인 경우를 제외하고는 모터 회전속도, 플런저 행정에 관계없이 퀼 전단의 최대 송출압력은 동일하게 일정한 값을 나타냄을 알 수 있었다.
- 본 연구에서 고장상태 어큐뮬레이터의 플런저 행정 2 mm, 모터 회전속도가 60 rpm인 경우에 다른 경우보다 최대 송출압력이 낮고, 일정하지 않는 이유는 근본적으로 최대 토출압력이 낮고, 고장상태의 어큐뮬레이터가 역할을 하지 못하기 때문이라고 판단된다.
- 본 연구에서는 이전연구6)와 마찬가지로 기계식이 아닌 모터구동에 의해 주유기를 작동시키고 있는데, 퀼 전단의 최대 송출압력은 어큐뮬레이터의 상태에 관계없이 일정한 값을 나타내었다. 이러한 이유 중의 하나는 어떠한 경우에도 최대 토출압력이 송출압력보다 높기 때문에 나타나는 현상이다.
- 최대 토출압력과 마찬가지로 모터 회전속도와 플런저 행정이 증가할수록 최대 손실압력은 증가하였으며, 어큐뮬레이터가 고장일 때의 최대 손실압력이 어큐뮬레이터가 정상일 때의 최대 손실압력보다 더 낮음을 알 수 있다.
- 앞에서 검토한 것처럼 최대 송출압력은 어큐뮬레이터가 고장상태인 모터 회전속도 60 rpm의 플런저 행정이 2 mm인 경우를 제외하고는 모터 회전속도, 플런저 행정에 관계없이 퀼 전단의 최대 송출압력은 37 bar로 일정한 값을 나타내었다. 그런데 최대 토출압력은 모터 회전속도와 플런저 행정이 증가할수록 증가하였기 때문에, 결국은 모터 회전속도와 플런저 행정이 증가할수록 맥동압력 등에 의한 관내의 마찰손실이 증가되어 손실 압력도 증가되고 있음을 알 수 있다.
- 위의 결과를 종합해 보면 모터 회전속도와 플런저 행정에 따른 운전모드 특성은 어큐뮬레이터가 정상상태에서 토출압력이 낮고 실린더 오일의 송출유량이 적은 저회전속도와 플런저 장행정의 경우가 최적의 조건이라 판단된다.
- 모든 조건의 사진에서 실린더 오일은 거의 일정한 형태의 굵기로 주유되었고, 퀼 끝단에서 주유가 시작되어 종료될 때까지 주유상태는 거의 변화되지 않는 것처럼 보였지만, 자세히 관찰하면 정상상태인 경우에 굵기가 약간 가늘게 나타나고 있음을 알 수 있다.
- 또한, 정상상태 어큐뮬레이터일 경우에는 다이어프램에 일정한 압력이 저장되어 있다가 주유가 끝날 때까지 오일을 밀어주기 때문에 비교적 주유가 끝나는 시간이 빨랐지만, 고장상태의 어큐뮬레이터일 경우에는 후적이 발생하여 주유가 종료되는 데까지 걸리는 시간이 약간 길어졌다.
- 1) 플런저 행정과 모터 회전속도가 증가할수록 최대 토출압력은 증가하였고, 정상상태인 어큐뮬레이터가 고장상태인 경우보다 최대 토출압력이 더 높았다.
- 2) 플런저 행정과 모터 회전속도에 관계없이, 또한 어큐뮬레이터의 정상 및 고장 상태와도 관계없이 거의 모든 조건에서 퀼 전단의 최대 송출압력은 일정한 값인 37 bar를나타내었다.
- 3) 플런저 행정과 모터 회전속도가 증가할수록 겉보기 최대 손실압력은 증가하였고, 정상상태의 어큐뮬레이터가 고장상태의 경우보다 겉보기 최대 손실압력도 더 증가하였다.
- 4) 플런저 행정과 모터 회전속도가 증가할수록 송출유량은 증가하였고, 플런저 행정이2 mm인 경우를 제외하고는 고장상태의 어큐뮬레이터가 정상상태의 경우보다 송출유량이 더 많았다.
- 5) 한스옌센사와 정상상태 어큐뮬레이터에 대한 주유기 송출유량의 비교에서는 플런저 행정 2 mm인 경우를 제외하고는 정상상태 어큐뮬레이터에 대한 주유기의 송출유량이 감소되었다.
- 6) 송출 지연시간은 플런저 행정과 모터 회전속도가 증가할수록 짧아졌고, 어큐뮬레이터의 고장 유무와 관계없이 10 ～ 13 ms를 나타내었다.
- 7) 모터 회전속도와 플런저 행정에 따른 운전모드 특성은 정상상태 어큐뮬레이터 경우에 토출압력이 낮고 실린더 오일의 송출유량이 적은 저회전 속도와 플런저 장행정의 경우가 최적의 조건이었다.
- 8) 정상상태인 어큐뮬레이터의 경우에 주유의 굵기가 약간 가늘게 나타났고, 비교적 주유가 끝나는 시간이 빨랐지만, 어큐뮬레이터가 고장상태일 경우에는 후적이 발생하여 주유가 종료되는 데 까지 걸리는 시간이 길어졌다.
후속연구
- 이러한 이유 중의 하나는 어떠한 경우에도 최대 토출압력이 송출압력보다 높기 때문에 나타나는 현상이다. 그러나 이러한 압력으로 지속되는 송출기간이 어느 정도인지, 그리고 송출된 오일이 피스톤링의 상하부에 적절하게 윤활되고 있는지는 알 수 없기 때문에, 추가적인 실험이 필요하다고 판단된다.
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