[논문]수중방사소음 저감을 위한 함정용 개스터빈 발전기의 순음 저감 분석

한형석; 최기용

doi:10.5050/ksnvn.2009.19.12.1329

문제 정의

따라서 발전기의 진동 저감을 위해 발전기의 개스터빈 인클로져를 포함한 바닥 베이스 프레임(base frame)에 제진재 적용 시 진동 저감 효과를 파악해 보고자 한다.
주요 장비 및 선체에 대한 소음 진동 측정 결과 주요 주파수 성분과 일치하는 진동 성분이 개스터빈 발전기(gas turbine generator)에서 크게 발생됨을 알 수 있었다. 따라서 이 논문에는 함에 탑재되어 있는 개스터빈의 주요 소음 소스에 대해 분석하고 이를 바탕으로 수중방사소음 저감을 위한 특이 소음 저감 대책을 다루고자 한다.
발전기의 보기류 기어박스에서 발생하는 순음 성분의 진동을 저감하기 위해서는 보기류 기어박스 자체에 대한 개선이 필요하지만 이미 제작이 완료된 상태이고 구조 변경 시 수반되는 문제들 때문에 이에 대한 개선이 쉽지 않은 실정이다. 따라서 이 연구에서는 보기류 기어박스를 통해 인클로져 바닥으로 전달되는 진동을 효과적으로 감쇠시키기 위한 제진재 적용에 대해 다루고자 한다.
이 논문에서는 함정 건조 중 발생되었던 순음 성분의 소스(source)를 식별하기 위해 항해 시 주요 장비 및 선체 진동을 계측하여 주파수 분석을 수행하였다. 주요 장비 및 선체에 대한 소음 진동 측정 결과 주요 주파수 성분과 일치하는 진동 성분이 개스터빈 발전기(gas turbine generator)에서 크게 발생됨을 알 수 있었다.
이 절에서는 이러한 발전기의 주요 장비에 대한 소음·진동 계측을 통해 수중으로 방사될 수 있는 순음 성분에 대해서 분석하고 이에 대한 원인을 파악하고자 한다.
이 절에서는 제진재의 진동 감쇠 특성을 파악하기 위해서 발전기에 사용되는 강판 시편에 대해 제진재를 부착하고 이에 따른 진동 감쇠 효과를 임팩트(impact) 가진 시험을 통해 파악하였다. 여기서 제진재는 3M사에서 제작된 부틸러버(Butyl rubber) 계열의 제진재로 두께는 3 mm이다.
이러한 진동 저감을 위해서는 근원적으로 가진원인 보기류 기어박스의 진동을 줄이거나 인클로져 구조 변경이 필요하지만, 이 연구에서는 현실적으로 가장 쉬운 방법이라고 판단되는 제진재 적용을 제안한다. 하지만 이 연구의 수치 해석은 선형 해석이므로 다른 비선형성에 대해 충분히 고려가 필요할 것으로 판단된다.
이와 같이 강판 및 제진 강판에 대한 해석 결과로부터 발전기에 사용할 제진강판의 물성치를 결정할 수 있었으며, 이를 가지고 발전기의 인클로져에 제진재 적용 시 발전기의 진동이 얼마만큼 저감되는지를 해석적으로 파악해 보고자 한다.

제안 방법

공기소음은 장비주위의 7점에 대해 장비로부터 1 m 떨어진 지점에서 마이크로폰(B&K, Type 4189)을 가지고 주파수 분석기(B&K, Model 3560B)를 통해 측정하였다.
선형 해석 시 제진재료의 상대운동에 의해 에너지를 열에너지로 소산시키는 메커니즘을 구현하기가 힘들다. 따라서 이 해석에서는 해석 시 강판의 구조 감쇠율을 제진 강판의 임팩트 시험 및 해석결과 얻어진 가속도의 주파수 응답함수들의 크기(magnitude)가 서로 유사한 값을 가지도록 조정하는 방법을 통하여 결정하였으며, 이를 통해 제진 재료와 강판 간의 상대운동에 의한 제진 효과를 구현하였다.
개스터빈 동작 중 정지하게 되면 회전수가 급격히 0이 되는 것이 아니라 서서히 회전수가 떨어지면서 정지하게 된다. 따라서 회전수 변화에 따른 f₁, f₂ Hz에서의 가속도를 측정하기 위해서 동작 중 정지 시 부터 회전수가 0이 될 때까지 보기류 기어박스 및 인클로져 바닥에서의 가속도를 측정하였다. Fig.
11과 같이 발전기의 인클로져 및 베이스 프레임을 셸 요소로 모델링 하였으며 감속기 및 교류 발전기를 포함한 개스터빈은 질량중심에 6자유도 집중질량요소로 모델링하여 강체요소로 발전기의 베이스 프레임과 연결하였다. 또한 발전기에 적용되어 있는 탄성 마운트는 1 자유도 스프링 요소로 종방향, 길이방향 및 횡방향에 대해 각각 모델링하였다. 모델링에 사용된 주요 제원은 Table 2와 같다.
문제 주파수에서 발전기의 진동원을 보다 정확하게 찾기 위해서 발전기 내 주요 부품을 중심으로 총 23점에 가속도 계측을 추가로 수행하고 이들 주파수에서의 고체소음 레벨을 측정하였다. Fig.
발전기 마운트 상·하단의 가속도는 발전기 마운트 상단 및 하단, 그리고 주변 선체 바닥을 가속도계(B&K, Type 4513)를 가지고 계측하였다.
오버사이드 수중소음의 경우 정박상태에서 기계실상부에 있는 노천 갑판에서 하이드로폰(B&K, Type 8106)을 수면 아래 4m 정도까지 내려 측정하였다. 오버사이드 측정 지점은 발전기와 가장 가까운 격실 측면의 수면 하에서 하나의 하이드로폰을 가지고 여러 지점 계측 결과 가장 소음이 크게 발생되는 지점에서 측정하였다.
이 연구에서는 기계실의 공기소음, 발전기 마운트 상·하부의 진동 및 외부 오버사이드(overside) 수중소음을 같이 계측하여 발전기의 소음이 얼마만큼 수중으로 방사되는지 분석하였다.
이 절에서는 발전기 해석 진행에 앞서 제진 강판 시편에 대한 유한요소 모델을 수치해석을 통해 계산하여 이를 시험 결과와 비교함으로써 재료 물성을 결정한 다음 이를 가지고 발전기 해석을 수행하였다.
전절에서 결정된 제진강판 물성치를 이용해서 제진재를 적용했을 때 개스터빈 발전기의 고체소음이 얼마만큼 줄어드는지를 수치해석을 통해 예측해 보았다.
오버사이드 측정은 보통 반사음을 무시할 수 있는 해양에서 측정해야하지만, 측정 여건상 정박 상태에서 계측하였다. 정박상태 계측 시 주변 소음이 문제가 될 수 있기 때문에 비교적 조용한 시간대에 맞추어 측정을 수행하였다. 실제 항해 시 발전기 부하는 80 % 정도 걸리지만 계측 시는 정박 상태이기 때문에 충분한 부하를 걸 수 없었다.
제진재 적용에 따른 진동 저감 효과는 Fig. 7과 같이 600×600×5 mm 크기의 강판에 대해 제진재 적용 전·후에 대해 임팩트 해머 가진력에 대한 가속도의 주파수 응답함수를 가지고 평가하였다.
제진재는 인클로져 바닥 및 베이스 프레임에 적용하는 것으로 하고 메시 위에 재 메싱하는 방식(mesh-on-mesh)으로 셸 요소로 모델링하였다. 해석 시 개스터빈에 의해 발생되는 진동은 실제 발전기에서 측정한 가속도를 바탕으로 Fig.
Patran 및 Nastran을 사용하였다. 제진재와 강판의 유한요소 모델은 모두 셸 요소로 하고 시험과 동일한 방법으로 임팩트 하중에 대한 가속도의 주파수 응답을 구하였다. 제진재의 경우 강판을 셸로모델링한 후 셸 메시 위에 재 메시(mesh on mesh)를 만들어 모델링하였다.
해석 모델은 Fig. 11과 같이 발전기의 인클로져 및 베이스 프레임을 셸 요소로 모델링 하였으며 감속기 및 교류 발전기를 포함한 개스터빈은 질량중심에 6자유도 집중질량요소로 모델링하여 강체요소로 발전기의 베이스 프레임과 연결하였다. 또한 발전기에 적용되어 있는 탄성 마운트는 1 자유도 스프링 요소로 종방향, 길이방향 및 횡방향에 대해 각각 모델링하였다.

대상 데이터

유한요소 모델링 및 수치해석은 대우조선해양(주)에서 보유하고 있는 상용 소프트웨어인 MSC. Patran 및 Nastran을 사용하였다. 제진재와 강판의 유한요소 모델은 모두 셸 요소로 하고 시험과 동일한 방법으로 임팩트 하중에 대한 가속도의 주파수 응답을 구하였다.
이 절에서는 제진재의 진동 감쇠 특성을 파악하기 위해서 발전기에 사용되는 강판 시편에 대해 제진재를 부착하고 이에 따른 진동 감쇠 효과를 임팩트(impact) 가진 시험을 통해 파악하였다. 여기서 제진재는 3M사에서 제작된 부틸러버(Butyl rubber) 계열의 제진재로 두께는 3 mm이다.
오버사이드 수중소음의 경우 정박상태에서 기계실상부에 있는 노천 갑판에서 하이드로폰(B&K, Type 8106)을 수면 아래 4m 정도까지 내려 측정하였다.

성능/효과

결과로부터 베이스 프레임 및 인클로져 바닥의 두께가 30톤 이상의 개스터빈을 받치기에 너무 작기 때문에 진동이 크게 발생하는 것으로 예측되며 제진재 적용으로 인한 감쇠계수 증가로 인해 베이스 프레임 및 인클로져 바닥의 기계적 임피던스(mechanical impedanc)가 증가함으로써 진동 저감에 효과가 있을 것으로 예측된다. 따라서 근원적으로는 두께 증가나 보강재 추가 등을 통해 베이스 프레임 및 인클로져 바닥의 기계적 임피던스 증가가 필요할 것으로 판단된다.
6에서 회전수가 감소하면서 특정 피크 성분이 인클로져 바닥보다는 보기류 박스에서 f₁ 및 f₂ Hz 주파수 근방을 지나갈 때 증폭됨을 알 수 있다. 따라서 발전기 보기류 기어박스가 이들 주파수에 공진점이 있을 것으로 추정되며 이들 진동이 발전기의 인클로져 바닥을 가진시켜 해당 주파수 성분의 진동을 선체로 전달하는 것으로 예측되었다.
특히 가장 진동이 크게 발생한 좌측부 펌프의 경우 유연 배관(flexible pipe)으로 발전기 인클로져 바닥에 연결되어 있는데, 여기에 사용하고 있는 유연배관의 강성이 펌프진동을 충분히 전달시킬 만큼 큰강성을 가지고 있는 것으로 판단된다. 따라서 측정결과 f₂ Hz 주파수 성분의 가장 큰 진동원은 보기류 기어박스로 판단되며 보기류 기어박스에서 발생한 진동이 이들과 연결되어 있는 배관 등을 통해 발전기 인클로져 바닥을 가진시킨 것으로 추정된다.
2와 같이 공기소음 측정 결과 f₁, f₂ Hz 주파수에서 큰 순음 성분이 발생됨을 알 수 있었다. 또한 오버사이드 수중소음 계측 결과 Fig. 3과 같이 발전기 운전 시 배경 소음 대비 f₁ 및 f₂ Hz에서 소음 레벨이 크게 증가함을 알 수 있었다. 오버사이드 측정은 보통 반사음을 무시할 수 있는 해양에서 측정해야하지만, 측정 여건상 정박 상태에서 계측하였다.
이러한 진동 성분을 저감하기 위하여 발전기의 인클로져 바닥 및 베이스 프레임에 제진재를 적용했을 때의 진동 저감을 유한요소 해석을 통해 예측해본 결과 발전기 마운트 상단에서의 가속도레벨이 문제 주파수에서 약 31~45 % 저감됨을 예측할 수 있었다. 또한 판의 진동과 수중방사소음의 관계식으로부터 제진재 적용으로 인한 발전기의 진동 저감으로 인해 수중방사소음 레벨이 해당 주파수에서 약 3.2~5.2 dB 저감됨을 예측할 수 있었다.
수중방사소음 저감을 위해서 함정의 개스터빈 발전기에서 발생하는 순음 성분을 실험을 통해 식별한 결과 문제가 되는 순음은 발전기의 보기류 기어박스를 통해 하부 인클로져 바닥으로 전달되는 진동임을 알 수 있었다. 이러한 진동 성분은 인클로져의 바닥판을 가진시켜 진동을 증폭시키고 증폭된 진동은 인클로져를 받치고 있는 탄성마운트를 통해 선체로 전달되어 수중방사소음을 증가시키는 것으로 예측되었다.
실험 결과와 해석 결과인 Fig. 8과 9를 1/3 옥타브 레벨로 비교해 보면 Fig. 10과 같으며 비교 결과 관심 주파수 영역 내에서 주파수 응답함수 레벨이 비교적 잘 일치함을 알 수 있다.
이 시료 평가를 통해 발전기의 5 mm 강판에 3 mm 제진재로 제진 시공을 하였을 때 문제 주파수에서의 진동 레벨을 어느 정도 저감시킬 수 있을 것으로 판단되며, 특히 f₂Hz 주파수에서 매우 효과적일 수 있음을 예측 할 수 있었다. 이러한 시편을 통한 진동 감쇠 효과를 가지고 실제 발전기에 적용해 보고 그 효과를 파악해 보아야 하지만 이에 대한 비용과 시간을 고려해 볼 때 이에 대한 효과를 해석적으로 파악하는 것이 효과적이다.
이러한 진동 성분을 저감하기 위하여 발전기의 인클로져 바닥 및 베이스 프레임에 제진재를 적용했을 때의 진동 저감을 유한요소 해석을 통해 예측해본 결과 발전기 마운트 상단에서의 가속도레벨이 문제 주파수에서 약 31~45 % 저감됨을 예측할 수 있었다. 또한 판의 진동과 수중방사소음의 관계식으로부터 제진재 적용으로 인한 발전기의 진동 저감으로 인해 수중방사소음 레벨이 해당 주파수에서 약 3.
이 논문에서는 함정 건조 중 발생되었던 순음 성분의 소스(source)를 식별하기 위해 항해 시 주요 장비 및 선체 진동을 계측하여 주파수 분석을 수행하였다. 주요 장비 및 선체에 대한 소음 진동 측정 결과 주요 주파수 성분과 일치하는 진동 성분이 개스터빈 발전기(gas turbine generator)에서 크게 발생됨을 알 수 있었다. 따라서 이 논문에는 함에 탑재되어 있는 개스터빈의 주요 소음 소스에 대해 분석하고 이를 바탕으로 수중방사소음 저감을 위한 특이 소음 저감 대책을 다루고자 한다.
그림으로부터 마운트 상단에서의 가속도가 f₁, f₂ Hz에서 상대적으로 큰 순음 성분을 가짐을 알 수 있었으며 이들이 바닥 하부 선체부쪽으로 전달되고 있음을 알 수 있었다. 특히 보기실 격벽에서의 가속도 레벨이 마운트 바닥의 가속도 레벨과 큰 차이 없이 그대로 전달되고 있음을 알 수 있었다.
3에서의 소음레벨이 실제 수중방사소음 계측 결과와 비교해 볼때 절대 레벨에는 차이가 있을 것으로 판단된다. 하지만 측정 결과 스펙트럼으로 볼 때 f₁ 및 f₂ Hz에서 다른 주파수에 비해 큰 순음 성분을 가짐을 알 수 있었다.
해석 결과 발전기의 인클로져 하단에 설치되어 있는 마운트 상단에서의 가속도는 Fig. 13과 같음을 알 수 있었으며 제진재를 적용하였을 때 f₁ 및 f₂ Hz에서 가속도 레벨이 마운트 상단 가속도의 평균값 기준으로 각각 45 % 및 31 % 저감됨을 알 수 있었다.

후속연구

결과로부터 베이스 프레임 및 인클로져 바닥의 두께가 30톤 이상의 개스터빈을 받치기에 너무 작기 때문에 진동이 크게 발생하는 것으로 예측되며 제진재 적용으로 인한 감쇠계수 증가로 인해 베이스 프레임 및 인클로져 바닥의 기계적 임피던스(mechanical impedanc)가 증가함으로써 진동 저감에 효과가 있을 것으로 예측된다. 따라서 근원적으로는 두께 증가나 보강재 추가 등을 통해 베이스 프레임 및 인클로져 바닥의 기계적 임피던스 증가가 필요할 것으로 판단된다.
이러한 진동 저감을 위해서는 근원적으로 가진원인 보기류 기어박스의 진동을 줄이거나 인클로져 구조 변경이 필요하지만, 이 연구에서는 현실적으로 가장 쉬운 방법이라고 판단되는 제진재 적용을 제안한다. 하지만 이 연구의 수치 해석은 선형 해석이므로 다른 비선형성에 대해 충분히 고려가 필요할 것으로 판단된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	함정의 수중 방사 소음원으로 무엇이 있는가?	따라서 최근 선박의 수중 방사 소음을 최소화하기 위해 많은 연구가 수행되고 있다(1~4). 일반적으로 함정의 수중 방사 소음원으로는 프로펠라에 의한 캐비테이션 소음, 기계류에 의한 소음 및 배관 등에서 발생하는 유체소음이 대표적이다. 캐비테이션 소음의 경우 캐비테이션 발생속도 이후, 즉 고속 조건에서 지배적이며, 기계류 소음이나 배관에서 발생되는 유체 소음 등은 저속조건에서 지배적이다.
	함정의 수중 방사 소음이 스텔스 작전 개념에서 중요한 이유는 무엇인가?	함정의 수중 방사 소음은 함정의 자체 소나 운용에 있어 매우 중요할 뿐만 아니라 적함에 아함의 탐지 및 식별 정보를 제공하기 때문에 스텔스 작전 개념에서 볼 때 매우 중요한 항목 중 하나이다. 따라서 최근 선박의 수중 방사 소음을 최소화하기 위해 많은 연구가 수행되고 있다(1~4).
	공기소음과 고체소음이 함정 내에 미치는 영향은 어떠한가?	이들 중 공기소음의 경우 내부 기계실이 두꺼운 강판으로 둘러싸여져 있기 때문에 투과손실이 크므로 크게 문제가 되지 않지만, 고체소음의 경우 진동원으로부터 선체로 전달되어 수중으로 방사되기 때문에 수중방사소음을 증가시키는 주요 소음원으로 알려져 있다.

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