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문제 정의
- 당 선박의 경우 거주구에 ISO6954-1984(E) 규정을 적용을 받음으로, MRV (Maximum Repetitive Value)값에 대한 파고율(Crest factor) 적용문제로 인해 여전히 허용치에 대한 문제가 제기되었다. 따라서, 선루의 진동을 제어하기 위하여 Radar mast 뒤쪽 Compass deck 상에 전기식 역기진기(Electric balancer)설치를 검토하였다. 그러나, 변동압력의 실선추정에 대한 불확실성과 그에 따른 진동응답 예측의 불확실성이 존재하므로, 실선에 대한 진동계측 후 문제발생시 설치하는 것으로 결정하였다.
- 본 사례연구는 당 사에서 건조하여 인도한 소형(1800TEU) 컨테이너선의 설계초기 야기된 진동문제에 대한 일련의 방진 대책을 소개하고, 실선 진동계측을 통한 진동제어 대책의 유효성 검증 및 실선에서 계측한 프로펠러 유기 변동압력(Propeller-induced fluctuating pressure)을 모형시험에서 얻은 결과와 비교 검증하고자 함에 있다.
제안 방법
- 따라서, 선루의 진동을 제어하기 위하여 Radar mast 뒤쪽 Compass deck 상에 전기식 역기진기(Electric balancer)설치를 검토하였다. 그러나, 변동압력의 실선추정에 대한 불확실성과 그에 따른 진동응답 예측의 불확실성이 존재하므로, 실선에 대한 진동계측 후 문제발생시 설치하는 것으로 결정하였다. 다만 사 후 문제 발생시 설치시간 및 비용을 최소화하기 위해 역기진기 하부 보강과 관련 케이블 등을 사전에 설치하였다.
- 밸러스트 및 재화상태에서 국부 진동계측도 수행하였다. 설계단계에서 국부진동을 제어하기 위한 공진회피설계가 이미 수행되었으며, 따라서 진동 계측결과 거주구, 선미, 기관실등 모두 양호한 값을 나타내었다.
- 본 사례연구에서는 선박진동의 주요 원인으로 작용하는 주기관 및 프로펠러 변동압력에 의한 진동응답의 특성에 대하여 문제시된 기진력 성분에 대한 진동제어 대책을 마련하고 시운전 밸러스트 조건 및 인도 후 재화상태에서 실선계측을 수행하여 이를 검증하였다.
- 최적의 선체 보강안을 찾기 위해서 문제시된 계획만재 흘수 조건에 한하여 전선진동해석을 수행하였다. 선루 및 선미, 기관실 구조의 변경을 수행하여 재차 진동해석을 수행하였다. 선루의 선미, 측면, 선수 격벽에 대하여 두께를 증가시켰지만 진동 감소치는 미미하였다.
- 설계 초기단계에서 선체 저차 고유진동수를 추정하기 위하여 초기진동해석을 수행하였다. 해석결과 Table 2와 같이 오차범위 내 상용 운항영역에서 주 기관의 2차 수직 불평형 모멘트와 선체 상하 4절 진동(밸러스트 상태)과 5절 진동(만재 상태)과의 공진발생 가능성이 큰 것으로 예측되었다.
- 실선 변동압력 계측을 위해 Bottom Plug를 선체외판에 시공한 후 압력센서를 설치하여 선체 내부에서 변동압력을 직접 계측할 수 있도록 하였다. 이는 송인행(2005) 등이 개발한 실선계측 방법과 유사한 방법이다.
- 실선 변동압력 계측을 위해 Bottom plug를 선체외판에 시공한 후 압력센서를 설치하여 선체 내부에서 변동압력을 직접 계측할 수 있도록 하였다. 계측결과 날개주파수의 1차 성분(1xPBF)뿐만 아니라 고차 조화성분에도 크게 지배되는 것으로 나타났으며, 프로펠러 회전수의 증가에 따라 변동압력크기가 전반적으로 증가함을 알 수 있었다.
- 해상 상태는 두 조건 모두 양호하였다. 실선변동압력 계측은 HMRI에 의뢰하였으며, 진동계측은 당사에서 수행하였다.
- 최적의 선체 보강안을 찾기 위해서 문제시된 계획만재 흘수 조건에 한하여 전선진동해석을 수행하였다. 선루 및 선미, 기관실 구조의 변경을 수행하여 재차 진동해석을 수행하였다.
- 해석결과로부터 프로펠러 1차 조화성분(1xPBF)에 대한 기존 프로펠러(HP671)의 변동압력을 줄이기 위하여 프로펠러의 날개 수를 5개에서 6개로의 변경을 초기 검토하였으나, 변동압력이 약 30% 감소하는 반면 선속의 감소 및 선루 국부진동 발생 염려로 적용 하지 않았으며, Vortex generator등도 검토하였으나 최종적으로 고스큐 프로펠러(Highly-skewed propeller, HP670) 적용을 통한 변동압력 감소 및 선체구조 보강을 통한 진동응답 감소 방향으로 다음과 같이 검토하였다.
대상 데이터
- 10에 나타내었다. 계측 위치는 Fig. 11과 같이 선미 프로펠러 직상부 외판 주위에서 우현에 7개 좌현에 2개를 설치하였다.
- 영구형 Socket 및 Plug의 경우 표준 Plug와 동일한 재질을 사용하였으며, 계측용 Plug의 경우 시운전 설치 후 1항차 계측시점까지 Plug의 교체가 없도록 하기 위하여 수밀 등을 고려하여 황동재질을 사용하였다. 압력센서는 Core bolt 타입을 사용하였다.
이론/모형
- 영구형 Socket 및 Plug의 경우 표준 Plug와 동일한 재질을 사용하였으며, 계측용 Plug의 경우 시운전 설치 후 1항차 계측시점까지 Plug의 교체가 없도록 하기 위하여 수밀 등을 고려하여 황동재질을 사용하였다. 압력센서는 Core bolt 타입을 사용하였다. Bottom plug type 및 계측용 압력 센서를 Fig.
성능/효과
- 실선 변동압력 계측을 위해 Bottom plug를 선체외판에 시공한 후 압력센서를 설치하여 선체 내부에서 변동압력을 직접 계측할 수 있도록 하였다. 계측결과 날개주파수의 1차 성분(1xPBF)뿐만 아니라 고차 조화성분에도 크게 지배되는 것으로 나타났으며, 프로펠러 회전수의 증가에 따라 변동압력크기가 전반적으로 증가함을 알 수 있었다. 변동압력의 증가량은 본선의 경우 프로펠러 회전수 5승에 비례하는 경향을 보였다.
- 계측결과 프로펠러 1차 조화성분(1xPBF)에 의한 과도응답은 두 조건 모두 나타나지 않았으며, 응답치 또한 1mm/s 내외로 진동해석에서 얻은 추정 응답치 보다 상당히 낮은 값을 보였다. 또한 Fig.
- 계측결과로부터 프로펠러 변동압력은 프로펠러 1차 조화성분(1xPBF)뿐만 아니라 고차 조화성분에도 크게 지배되는 것으로 나타났으며, 프로펠러 회전수의 증가에 따라 변동압력크기도 전반적으로 증가함을 알 수 있다. 특히 재화상태가 밸러스트 상태보다 NCR로 근접할수록 변동압력이 상대적으로 크게 증가하는 경향을 보였다.
- 고스큐 프로펠러 적용 및 선체구조 변경으로 인해 약 36% 정도의 진동저감 효과가 있는 것으로 판단되었으며, 최종적으로 진동응답이 약 7.5mm/s로 예측되어 기존보다 약 32%정도 감소하는 것으로 나타났다. 당 선박의 경우 거주구에 ISO6954-1984(E) 규정을 적용을 받음으로, MRV (Maximum Repetitive Value)값에 대한 파고율(Crest factor) 적용문제로 인해 여전히 허용치에 대한 문제가 제기되었다.
- 이는 역기진기의 Counter mass가 2차 수직 불평형 모멘트를 완전히 상쇄하지 못해 생기는 현상으로 판단된다. 그러나, 재화상태에서의 계측 전 영역에 걸쳐 뚜렷한 응답특성은 나타나지 않았으며 응답치 또한 아주 작은 값을 나타내었다.
- 그리고, 주기관 기진력에 의한 진동계측 결과 기계식 역기진기(Mechanical balancer)가 주기관 선수미에 설치 되었음에도 불구하고 2차 수직 불평형 모멘트에 기인된 기진력 성분 응답치가 크게 계측되었다. 이는 역기진기의 Counter mass가 2차 수직 불평형 모멘트를 완전히 상쇄하지 못해 생기는 현상으로 판단된다.
- 따라서, 구조보강에 의한 공진회피 설계가 매우 힘들 것으로 판단되고 관련 기진력 값도 큰 것으로 나타나, 주 기관에 2차 기계식 역기진기(Mechanical balancer)를 선수미에 모두 설치하는 것으로 결정하였다.
- 선루의 선미, 측면, 선수 격벽에 대하여 두께를 증가시켰지만 진동 감소치는 미미하였다. 따라서, 선미 및 기관실 구조의 보강이 진동을 저감시키는 것이 유효 적절하다고 판단되어 기기류 등과의 간섭을 최소화 하는 범위에서 Fig. 8 과 같이 구조변경을 한 후 강제 진동해석을 수행한 결과 기존대비 약 15% 정도의 진동 응답의 감소가 있는 것으로 예측되었다.
- 계측결과 날개주파수의 1차 성분(1xPBF)뿐만 아니라 고차 조화성분에도 크게 지배되는 것으로 나타났으며, 프로펠러 회전수의 증가에 따라 변동압력크기가 전반적으로 증가함을 알 수 있었다. 변동압력의 증가량은 본선의 경우 프로펠러 회전수 5승에 비례하는 경향을 보였다.
- 특히 재화상태가 밸러스트 상태보다 NCR로 근접할수록 변동압력이 상대적으로 크게 증가하는 경향을 보였다. 본 선박의 경우 변동압력의 증가는 Fig. 15와 같이 프로펠러 회전수의 5승에 비례하여 증가하는 양상을 보였으며, 응답값은 고차항으로 갈수록 감소하는 형태를 보이나, 재화상태에서 프로펠러 4차 조화성분(4xPBF)이 비교적 크게 나타났다.
- 실선 변동압력 계측 결과로부터 모형시험에서 계측한 프로펠러 1차 성분(1xPBF)값이 비교적 정확히 예측됨을 알 수 있었다. 또한 통계학적 방법에 의한 DnV 경험식도 고스큐 프로펠러(highly-skewed propeller) 적용에 의한 변동압력 감소를 고려한다면 계측결과와 유사한 경향을 보이는 바, 설계초기단계에서의 진동제어에 있어 아주 유용한 자료가 될 것으로 판단된다.
- 주기관에 의한 진동의 경우 주기관에 기계식 역기진기가 설치되었음에도 불구하고 Fig. 22에서 보여주듯 밸러스트 상태에서 주기관의 2차 수직 불평형 모멘트에 기인된 기진력 성분 응답치가 101 rpm(3.4Hz)에서 7.7mm/s로 계측되었고, 또한, 선체 3~4절 수직 모드에 기인된 진동특성이 뚜렷하게 관측되었다. 이는 역기진기의 Counter mass가 모멘트를 완전히 상쇄하지 못해서 생기는 현상으로 판단된다.
- 계측결과로부터 프로펠러 변동압력은 프로펠러 1차 조화성분(1xPBF)뿐만 아니라 고차 조화성분에도 크게 지배되는 것으로 나타났으며, 프로펠러 회전수의 증가에 따라 변동압력크기도 전반적으로 증가함을 알 수 있다. 특히 재화상태가 밸러스트 상태보다 NCR로 근접할수록 변동압력이 상대적으로 크게 증가하는 경향을 보였다. 본 선박의 경우 변동압력의 증가는 Fig.
- DnV방법의 경우 비교적 큰 값을 보이고 있으나 고스큐 프로펠러 적용에 의한 변동압력의 감소를 고려했을 때 비교적 유사한 값을 얻은 것으로 판단되므로, 초기진동 해석시 진동제어에 있어 유용한 자료가 될 것으로 판단된다. 프로 펠러 고차항의 추정 값 중 프로펠러 2차 조화성분(2xPBF)의 경우 비교적 유사한 값을 예측한 것으로 판단되나 모형시험에서 얻은 고차항의 변동압력 값은 실선의 그 것과 큰 괴리를 보이고 있어, 실선의 변동압력 추정에는 무리가 있는 것으로 나타났다.
- 해석결과 Fig. 7과 같이 계획만재 흘수 조건(Design draft condition)에서 프로펠러 1차 조화 함수 크기(1xPBF)에 의한 진동 응답값이 조타실 종방향으로 최대 11.2mm/s로 설계기준을 초과하는 것으로 예측되었다. 이는 상용운항 대부분의 영역에서 큰 응답치를 보였으며, Fig.
후속연구
- 프로펠러 1차 조화성분(1xPBF)의 경우 모형시험 및 추정 변동압력 결과가 실선에서 그 것과 대체로 일치하고 있음을 알 수 있다. DnV방법의 경우 비교적 큰 값을 보이고 있으나 고스큐 프로펠러 적용에 의한 변동압력의 감소를 고려했을 때 비교적 유사한 값을 얻은 것으로 판단되므로, 초기진동 해석시 진동제어에 있어 유용한 자료가 될 것으로 판단된다. 프로 펠러 고차항의 추정 값 중 프로펠러 2차 조화성분(2xPBF)의 경우 비교적 유사한 값을 예측한 것으로 판단되나 모형시험에서 얻은 고차항의 변동압력 값은 실선의 그 것과 큰 괴리를 보이고 있어, 실선의 변동압력 추정에는 무리가 있는 것으로 나타났다.
- 실선 변동압력 계측 결과로부터 모형시험에서 계측한 프로펠러 1차 성분(1xPBF)값이 비교적 정확히 예측됨을 알 수 있었다. 또한 통계학적 방법에 의한 DnV 경험식도 고스큐 프로펠러(highly-skewed propeller) 적용에 의한 변동압력 감소를 고려한다면 계측결과와 유사한 경향을 보이는 바, 설계초기단계에서의 진동제어에 있어 아주 유용한 자료가 될 것으로 판단된다. 그러나, 고차항의 변동압력 들은 모형시험에서 신뢰할 수 없을 만큼 작은 값이 계측되어 실선 변동압력의 직접 추정에는 무리가 있어 보인다.
- 그러나, 고차항의 변동압력 들은 모형시험에서 신뢰할 수 없을 만큼 작은 값이 계측되어 실선 변동압력의 직접 추정에는 무리가 있어 보인다. 이러한 괴리는 추후 실험과 이론을 포함한 포괄적인 연구를 통한 신뢰성 해석으로의 접근이 필요하다고 사료된다.
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