[논문]드릴쉽 디젤엔진 발전기의 진동에 관한 연구

진봉만; 박형식; 공영모

doi:10.5916/jkosme.2009.33.4.502

드릴쉽 디젤엔진 발전기의 진동에 관한 연구
Study on the Vibration of Diesel Engine Generator of Drill Ship 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.33 no.4, 2009년, pp.502 - 508

진봉만 (대우조선해양 진동소음R&D팀) , 박형식 (대우조선해양 진동소음R&D팀) , 공영모 (대우조선해양 진동소음R&D팀)

Abstract ▼ AI-Helper

To obtain high power, diesel engines continuously increase combustion pressure and mean effective pressure each cylinder, and the excitation sources and noisy sources are increased, too. Moreover, to reduce the costs, shipyards make hull structures weaker than before. As above reasons, it is more difficult to control the vibration phenomenon nowadays. In this study, it was investigated why diesel generator sets reached the vibration allowable limits during the FAT and heavy vibration phenomenon of diesel generator sets using ODS test during onboard tests. Also, it is found out the stiffness of deck and common bed using the test result of their structural impedance. To find out the vibratory characteristics of diesel generator sets, model tests were carried out. From the sensitivity analysis after above tests, it was selected points to be reinforced and studied troubleshooting to solve heavy vibration phenomenon of diesel generator sets.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

당시, 후속선의 디젤엔진 발전기를 FAT 할 수 있는 기회가 생겨 하부조건을 onboard 조건과 동일 하게 만들어 수행할 것을 요청하였으나 업체의 shop조건상 힘들다고 하여 common bed 하부와 shop의 test bed를 고정하는 clamp수를 조절하여 디젤엔진의 고유진동수 이동을 확인하고자 하였다.
본 논문은 FAT때 진동허용치에 근접한 결과가 나온 이유와 onboard에 설치 후 디젤엔진 발전기의 과도진동 현상을 ODS방법을 사용하여 규명하고 common bed와 장비가 설치되는 하부 deck의 structural impedance를 계측하여 강성을 평가하였으며 과도진동 문제를 해결하기 위해 modal test를 수행하여 디젤엔진의 진동특성을 분석하여 강성관점에서 sensitivity를 계산하여 보강에 적합한 지점을 선택하여 과도진동을 해결 할 수 있는 대책을 검토하였다.
본 논문은 선박에 탑재된 디젤엔진의 alternator와 cooler의 과대진동 문제를 제한된 시간과 조건 하에서 최적의 보강안을 강구하는 것이다. 따라서 아래와 같은 해석 및 각종 test 수행을 통하여 최적의 보강안을 도출할 수 있었다.

제안 방법

1) F.E Analysis를 통하여 장비 하부 선체의 고유진동수 파악 및 기진진동수와의 공진여부 예측 및 보강안에 대하여 모의시험을 수행.
Alternator나 cooler부분을 보강재를 이용하여 강성을 증가시킬 수도 있지만 선주의 반대로 common bed의 강성을 증가시켜 문제해결을 하고자 하였고, 어느 부위를 보강하는 것이 효율적인지 평가하기 위하여 강성측면에서 sensitivity analysis를 수행하였다. Sensitivity analysis는 아래의 식 (1)에서 시작된다.
디젤엔진 발전기는 주요 장비로 조선소로 납품하기 전에 POS(Purchasing Order Specification)에 준하는 성능이 나오는지를 FAT때 검사를 수행하게 되는데 이때 진동레벨이 디젤엔진의 alternator의 cooler와 bearing에서 당사의 POS 허용치를 약간 초과하는 결과가 나와 보완작업을 수행 후 납품하기로 하였으나 선박에 설치 후 onboard test에서 alternator의 cooler와 bearing진동이 각각 73.5 mm/sec, peak, 33.0 mm/sec, peak로 각각의 허용치 30.0 mm/sec, peak, 25.0 mm/sec, peak를 초과하는 결과가 나타났으며, onboard 조건에서 6대의 디젤엔진 발전기에 대한 계측 결과를 Table 1에 정리하였다.
디젤엔진은 선박 및 해양플랜트의 핵심부로 설계 초기 각종 진동과 소음의 특성을 파악하고 적절한 방진 대책을 세워져야 하므로 조선소로 납품하기 전에 FAT(Factory Acceptance Test)를 수행하여 진동과 소음 및 다른 의장관련 사항과 성능을 점검 후 납품하게 되는데 본 논문의 대상 디젤엔진의 FAT 시 100% load에서는 진동허용치에 근접한 결과를 나타내었지만 onboard에 설치 후 허용치를 초과하는 진동이 발생하였다.
설계 단계에서 장비의 foundation과 foundation 하부 선체 구조와의 진동검토를 수행하였으나, 문제해결을 위해 보다 세심한 진동해석이 요구되어, 상세한 진동해석용 유한요소모델을 만들어 진동해석을 수행하였다. 사용된 유한요소모델을 Fig.
운전 중 장비의 진동거동을 파악하기 위해 ODS test를 수행하였다. Test를 위한 계측포인트는 Fig.
장비하부 deck의 강성과 디젤엔진의 common bed의 강성을 비교하기 위하여 두 곳의 structural impedance를 계측하였다. 계측한 결과를 Fig.

데이터처리

그리고 진동특성을 평가하기 위해 modal test를 수행하여 평가하였다.

성능/효과

위의 수식에 의해 sensitivity analysis를 수행한 결과, Fig. 12와 같이 small pipe를 부착한 곳과 100A를 보강한 곳이 가장 효율이 높게 나타났고 small pipe만 추가했을 때 13.8Hz로 고유 주파수가 증가되었고 여기에 100A angle을 추가했을 때 14Hz로 증가되었다.
정상운전 조건하에서 deck의 structural impedance가 common bed의 강성에 비해 약 1.6배 이상 크게 나타나고 있어 업체에서 이야기한 조선소의 deck 강성이 약하다는 근거가 없는 것으로 나타났다.
해석결과에 의하면, onboard test시 계측된 높은 spectrum이 나타나는 주파수에는 주요 공진모드가 존재하지 않았으며, 1차 고유모드의 주파수는 28.3Hz에 존재하였으며, 디젤엔진 발전기 하부 deck가 국부적으로 진동하는 모드는 1차 고유모드보다 높은 곳에 존재하는 것을 확인할 수 있었다. 각각의 주요 모드는 Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	디젤엔진이 조선소로 납품하기 전 FAT를 수행하는 이유는 무엇인가?	디젤엔진은 선박 및 해양플랜트의 핵심부로 설계 초기 각종 진동과 소음의 특성을 파악하고 적절한 방진 대책을 세워져야 하므로 조선소로 납품하기 전에 FAT(Factory Acceptance Test)를 수행하여 진동과 소음 및 다른 의장관련 사항과 성능을 점검 후 납품하게 되는데 본 논문의 대상 디젤엔진의 FAT 시 100% load에서는 진동허용치에 근접한 결과를 나타내었지만 onboard에 설치 후 허용치를 초과하는 진동이 발생하였다.
	선박의 디젤엔진의 alternator와 cooler의 과대진동 문제의 보강안을 강구하기 위한 실험의 결과는 무엇인가?	1) F.E Analysis를 통하여 장비 하부 선체의 고유진동수 파악 및 기진진동수와의 공진여부 예측 및 보강안에 대하여 모의시험을 수행. 2) ODS 및 modal test를 통하여 선체와 장비 자체의 고유진동수를 파악한 결과 common bed가 기진원 진동수와 공진가능성이 있음을 파악 3) sensitivity analysis를 통한 보강안의 위치선정 4) 최종보강 후 진동계측을 통하여 문제해결 확인.
	드릴쉽 디젤엔진의 제어가 힘들어 지는이유는 무엇인가?	디젤엔진은 고출력을 얻기 위해 실린더 내 연소 압력과 평균 유효 압력이 꾸준히 증가 되고 있어 엔진에서 발생하는 기진력이 증가하고 있지만 조선소에서는 생산비용을 줄이기 위해 엔진과 관련된 선체 구조를 종전보다 경량화하고 있어 이를 지지하는 선체 구조는 상대적으로 약해져 진동을 제어하기가 힘들어지고 있고 또한 디젤엔진의 고출력화로 소음원도 커지고 있다.[1]-[3]

참고문헌 (5)

Lee, D. C., M.J. Brennan and B.R. Mace, "A design criterion for the vibration isolation of a marine diesel generator sets", Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering. Vol. 16, No. 4, pp.329-338, 2006

원문보기 상세보기
Kim, Y. W., Bae, Y. C., Bae, C. H., Lee, Y. S., "High vibration phenomena due to cylinder explosion pressure of low-speed diesel engine with 7 cylinder installed on land", Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering. Vol. 17, No. 9, pp.826-834, 2007

원문보기 상세보기
Yoo, K. T. and Park, J. G., "Vibration characteristics and anti-vibration method of 4 cycle medium sized diesel engine", Proceedings of the KSNVE Annual Spring Conference, pp. 392-398, 1998
Ward Heylen, Stefan Lammens, Paul Sas, Modal Analysis Theory and Testing, Kath olieke Universiteit Leuven, Belgium, 1997
G. S. Choi and C. S. Kim, "Linear stable systems", IEEE Trans. of Automatic Control, Vol. 33, No. 3, pp. 1234-1245, 1993

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