[논문]선박의 직진과 선회 시의 프로펠러 하중이 프로펠러 축 베어링에 미치는 영향

신상훈

doi:10.3744/snak.2015.52.1.61

선박의 직진과 선회 시의 프로펠러 하중이 프로펠러 축 베어링에 미치는 영향
Effects of Propeller Forces on the Propeller Shaft Bearing during Going Straight and Turning of Ship 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.52 no.1, 2015년, pp.61 - 69

Abstract ▼ AI-Helper

In the beginning of the 1990's, numerous shaft bearing damages, especially in aft stern tube bearing, were reported. The main reasons of bearing damages were estimated that hull deflections have been increased by more flexible hulls and propeller dynamic loads have not been considered in shaft alignment. After that time, studies to take into account hull deflections in shaft alignment have been actively carried out, but for the latter leave much to be desired. In this study, the effects of the propeller forces on the propeller shaft bearing have been investigated by estimating thrust eccentricity as reasonable as possible although some assumptions to simulate turning of ship were introduced. Three dimensional nominal wake to estimate thrust eccentricity have been calculated by using CFD analysis and model test in the towing tank. This study presents the procedure to estimate the propeller eccentric forces and their influence on the stern tube bearing for a container carrier. As a result, it has been found that the lateral propeller forces in turning condition should be considered in shaft alignment to prevent shaft bearing damages.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 선회 중 편심 추력 추정과 이를 고려한 축 정렬 절차를 정립하기 위하여 Kuroiwa and Oshima (2007)가 제시한 등가 편류각(drift angle) 계산식과 상용 CFD 해석 프로그램인 FLUENT를 이용하여 컨테이너 운반선을 대상으로 선회 상태에서의 선속 및 등가 편류각에 대한 3차원 반류 분포를 계산하였다. 또한, CFD 계산에 의한 반류 분포와 동일한 조건으로 예인수조에서의 모형시험을 통해 계측한 반류 분포를 프로펠러 성능 해석 프로그램을 이용해 평가한 추력 편심 값을 서로 비교하였다.

가설 설정

(1) 선회 중 반류 분포를 구하기 위해 선회 상태를 등가 편류 상태로 치환하여 계산 및 계측한다.
(2) 선회 중 횡동요(rolling)의 영향을 정확히 추정하기 힘들어 계산 및 계측을 횡동요가 없는 상태에서 수행한다.
(3) 선회 시 추력 편심에 의해 베어링을 포함한 축계에 미치는 영향은 좌현 선회(port turning)보다 우현 선회(starboard turning)가 더 보수적이므로 우현 선회의 경우만을 수행한다. 프로펠러가 시계방향으로 회전하고 있어 우현 선회 시에 더 큰 추력 편심이 발생하기 때문이다.
(4) 선회운동 중 마력의 변화는 없고, RPM의 변화는 유사선의 실선 시운전에서 계측된 경향을 적용한다.
(3) 선회 시 추력 편심에 의해 베어링을 포함한 축계에 미치는 영향은 좌현 선회(port turning)보다 우현 선회(starboard turning)가 더 보수적이므로 우현 선회의 경우만을 수행한다. 프로펠러가 시계방향으로 회전하고 있어 우현 선회 시에 더 큰 추력 편심이 발생하기 때문이다.

제안 방법

본 연구에서는 선회 중 편심 추력 추정과 이를 고려한 축 정렬 절차를 정립하기 위하여 Kuroiwa and Oshima (2007)가 제시한 등가 편류각(drift angle) 계산식과 상용 CFD 해석 프로그램인 FLUENT를 이용하여 컨테이너 운반선을 대상으로 선회 상태에서의 선속 및 등가 편류각에 대한 3차원 반류 분포를 계산하였다. 또한, CFD 계산에 의한 반류 분포와 동일한 조건으로 예인수조에서의 모형시험을 통해 계측한 반류 분포를 프로펠러 성능 해석 프로그램을 이용해 평가한 추력 편심 값을 서로 비교하였다.
본 연구에서는 선회 시 프로펠러에 작용하는 편심 추력을 평가하는 방법을 제시하고, 컨테이너운반선을 대상으로 직진 및 선회 상태의 축계 해석을 수행하였다. 이로부터 선회 시에는 직진 시에 비해 추력 편심이 크게 증가하여 선미관 후부 베어링에 허용치를 초과할 수 있는 큰 하중이 작용할 수 있다.
아울러, 상기와 같이 평가된 편심 추력을 고려한 선회 상태의 축계 해석을 수행하여 선회 시 편심 추력이 프로펠러 축 베어링에 미치는 영향을 고찰하였다.
일반적인 축계해석 모델에서는 수직 방향의 베어링만을 적용하고 있으나, 본 연구에서는 수평 방향의 베어링도 추가하였다. 이는 선박 직진 시 프로펠러에 작용하는 수평 방향 힘이 수직 방향 힘에 비해 매우 작아 그 영향을 무시할 수 있으나 선회 시에는 수평 방향에 미치는 힘과 모멘트 효과가 무시하기 어렵다고 판단하였기 때문이다.

데이터처리

밸러스트 상태에 대해 수평 방향의 힘을 고려한 축계 해석을 수행하였다. 이때, 프로펠러 하중은 Table 3의 값을 적용하였으며, 엔진 가동에 의한 열팽창 효과와 선체 변형도 함께 고려하였다.
상기와 같이 평가된 등가 편류각을 이용하여 해당 선속에 대해 상용 CFD 해석 프로그램인 FLUENT를 이용하여 3차원 반류 분포를 계산한 후 프로펠러 성능 해석 프로그램(MPUF3A)을 이용하여 추력 편심 값을 구하였다.
상기의 방법으로 평가한 선회 시 추력 편심 값을 검증하기 위하여 축척비(scale ratio)가 40.6767 인 13,100 TEU 컨테이너 운반선 모형선을 이용하여 예인수조에서 계측한 반류를 이용한 추력 편심 값과 비교하였다.
선회 상태에서 추력 편심이 가장 큰 경우를 찾기 위해 설계 흘수 조건에서 모형시험과 CFD 해석을 0초, 50초, 300초 환경에서 수행하여 계산된 3차원 반류 분포를 프로펠러 성능 해석 프로그램을 이용하여 구한 추력 편심 값을 Table 1에 나타내었다.
선회 조종운동 성능 시뮬레이션 프로그램(HyMAN)을 이용하여 설계 및 밸러스트 흘수에서 선회 궤적을 평가한 결과는 Fig. 5와 6에 나타내었다.
수평 방향의 힘을 고려하여 선회 시 만재 상태와 밸러스트 상태에 대해 축계 해석을 수행하였다. 직진 시와 같은 방법으로 프로펠러 하중은 Table 3의 값을 적용하였고, 엔진 가동에 의한 열팽창 효과와 선체 변형을 모두 고려하였다.
선회 중 추력 편심의 해석을 위해서는 선회 중 3차원 공칭 반류 분포의 정확한 추정이 필요하다. 이를 위해서 해석 대상선박의 선회 중 거동은 당사 고유의 조종성능 추정 프로그램인 HyMAN을 사용하여 추정하였다. 선박의 흘수는 만재 상태(full load condition)의 흘수인 설계 흘수(design draft)와 밸러스트 흘수(ballast draft)에 대하여 해석을 수행하였다.
해석용 축계 모델의 검증을 위해 엔진 가동 조건(main engine running condition)에서 완전 침수상태의 프로펠러 중량 89,7ton 과 y 방향 모멘트 1,712kNm를 적용한 상태에서 동일한 오프셋 (offset)을 적용한 경우에 대한 축정렬 해석 결과를 DNV Nauticus 프로그램으로 계산한 결과와 비교 및 검토하였다.

이론/모형

본 연구에서는 선체 무게 분포를 유한요소에 반영하기 위해 당사에서 개발한 WALIS 프로그램의 NASTRAN 데이터 인터페이스 기능을 이용하여 각 하중 조건에 해당하는 무게 분포를 유한 요소 모델에 적용하였다.
그러나 선회 중 반류 분포를 구하기 위한 모형 시험을 수행할 수 있는 장비 구현이 어렵고, CFD 해석을 통한 선회 중 반류 추정 역시 선회 중 선체 주위 유동을 계산하는 것이 현재의 계산 환경에서는 매우 까다롭고 정도 또한 높지 않다. 이에 본 연구에서는 선회 중 반류 분포를 추정하기 위해 식 (1) 에 나타낸 Kuroiwa and Oshima (2007)가 제시한 등가 편류각 계산식을 도입하였다.

성능/효과

이로부터 선회 시에는 직진 시에 비해 추력 편심이 크게 증가하여 선미관 후부 베어링에 허용치를 초과할 수 있는 큰 하중이 작용할 수 있다. 따라서, 신뢰성 높은 축계 설계와 설치를 위해서는 기존의 직진 상태는 물론 선회 상태의 축계 해석과 이를 고려한 축계 정렬이 필요하다고 판단한다. 한편, 정도 높은 축계 해석을 위해서는 선회 시 프로펠러에 가해지는 하중을 추정하는 정도 높은 평가 방법에 대한 연구가 선행되어야 한다고 사료한다.
상기의 결과로부터 모형시험과 CFD 해석으로 구한 추력 편심 값은 다소간의 차이를 나타내나 선회 시 추력 편심이 크게 발생하는 경향은 일치함을 확인할 수 있다.
상기의 결과로부터 본 연구에서 적용한 축계해석 모델을 이용한 반력 해석 결과는 기존의 선급에서 개발한 상용 프로그램에 의한 결과와 모든 베어링 위치에서 1.0% 미만으로 나타나 해석 모델링이 타당함을 확인할 수 있다.
상기의 결과로부터 직진 시와 비교하여 주기관 베어링의 반력은 차이가 거의 없고, 중간축 베어링의 반력은 조금 증가하는 것에 반해 선미관 후부와 전부 베어링의 반력은 크게 증가함을 확인할 수 있다. 또한, 직진 시와는 반대로, 밸러스트 상태보다 만재 상태가 선미관 후부 베어링의 반력 크기가 크다.

후속연구

또한, 축계 정렬에 선회 시 작용하는 편심 추력을 반드시 고려해야 한다고 판단한다. 이를 위해서는 선회 시 작용하는 프로펠러 하중의 정밀한 계산 방법에 대한 추가적 연구가 필요하다고 사료한다.
따라서, 신뢰성 높은 축계 설계와 설치를 위해서는 기존의 직진 상태는 물론 선회 상태의 축계 해석과 이를 고려한 축계 정렬이 필요하다고 판단한다. 한편, 정도 높은 축계 해석을 위해서는 선회 시 프로펠러에 가해지는 하중을 추정하는 정도 높은 평가 방법에 대한 연구가 선행되어야 한다고 사료한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	추력 편심에 대한 설명은?	프로펠러의 추력은 축 중심에 작용하는 것이 이상적이지만, 선미부 선체 형상 때문에 발생하는 불균일한 반류로 인해 추력 편심이 생기게 된다. 추력 편심은 축계에 힘과 모멘트로 작용하게 되어 방향에 따라 과대한 하중을 받는 뒤쪽 선미 베어링의 반력 상태를 호전시켜 주거나, 악화시킬 수 있다.
	선회 시 프로펠러에 작용하는 편심 추력을 고려한 연구 사례를 찾아보기 어려운 이유는?	이는 직진 시 모형선의 3차원 공칭 반류(nominal wake)를 이용하면 추력 편심을 비교적 용이하게 평가할 수 있으나 선회 시는 반류 분포를 구하기 위한 모형시험을 수행할 수 있는 장비 구현이 어렵기 때문이다. 또한, CFD 해석을 통한 선회 중 반류 추정 역시 현재의 계산 환경에서는 까다롭고 정도 또한 높지 않아 선회 중 선체 주위 유동을 수치해석적 방법으로 평가하는 것도 어려운 실정이다.
	1990년대 초반에 프로펠러 축 베어링의 손상 사고가 크게 증가한 원인은?	1990년대 초반에 프로펠러 축 베어링의 손상 사고가 크게 증가하였는데, 이의 주된 원인은 선박의 대형화에 기인한 선박의 유연성(flexibility) 증가로 선체 변형이 크게 증가한 것과 축계 정렬시 프로펠러 동적 하중을 고려하지 않은 것이라고 추정되었다.

참고문헌 (6)

Choung, J.M. & Choe, I.H., 2006. Development of Elastic Shaft Alignment Design Program. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 43(4), pp.512-520.

원문보기 상세보기
Kim, K.C. & Kim, J.G., 2005. A Study on Optimum Shaft Alignment Analysis for VLCC. Special Issue of the Society of Naval Architects of Korea, June, pp.134-137.
Kuroiwa, R. & Oshima, A., 2007. Reliability Improvement of Stern Tube Bearing Considering Propeller Shaft Forces during Ship Turning. Mitsubishi Heavy Industries, Ltd., Technical Review, 44(3), pp.52-56
Shin, S.H. & Choe, I.H., 2004. Pressure Distribution Analysis for After Bush Bearing of Ship Propulsion Shaft. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 41(3), pp.35-40.

원문보기 상세보기
Sun, J.S. Lee, Y.J. & Kim, U.K., 2009. The Flexibility Estimation of Alignment for Propulsion Shaft System using the Approximated Hull Deflection Curve. Journal of the Korean Society of Marine Engineering, 33(1), pp.28-36.

원문보기 상세보기
Vartdal, B.J. Gjestland, T. & Arvidsen, T.I., 2009. Lateral propeller forces and their effects on shaft bearings. First International Symposium on Marine Propulsors, Trondheim Norway, 22-24 June 2009, pp.475-481

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증