[논문]선박용 디젤엔진 추진축에서 빙 충격 토크 기진에 의한 과도 비틀림 진동 응답

로날드디.바로; 엄기탁; 이돈출

doi:10.5050/ksnve.2015.25.5.321

초록
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최근 극지 선박의 수요가 늘어나고 있고 IACS(국제선급연합)에서는 대빙 선박에 대한 새로운 기준이 적용되고 있다. 이 선박에서는 추진시스템에 대한 대빙 설계 기준으로 빙 충격 토크는 프로펠러 날개 수를 중심으로 한 조화 함수로 규정되어 있다. 그러나 실 상황에서는 이러한 주기적인 기진 토크보다는 불규칙한 빙의 충격 토크가 발생할 수 있는 확률이 오히려 크다. 이 논문에서는 비틀림진동이 비교적 큰 6개의 실린더를 갖는 디젤엔진을 주 기관으로 한 추진시스템의 안정성을 검토하고자 한다. 특히 불규칙한 빙 충격 토크와 디젤엔진에서 발생하는 진동토크를 동시에 고려하여 비틀림진동의 공진점을 통과할 과도 비틀림 진동 응답을 이론적으로 해석하였다. 여기서 빙 충격토크는 빙이 프로펠러에 부딪칠 때를 여러 유형별로 가상하여 선급에서 규정된 방법에 의해서 구하였다. 전체적인 시스템의 과도응답 해석은 직접적분방법의 하나인 뉴마크(Newmark) 법을 이용하였다.

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In recent years, there has been an increasing demand to apply the new IACS(International Association of Classification Societies) standards for ice and polar-classed ships. For ice-class vessel propulsion system, the ice impact torque design criterion is defined as a periodic harmonic function in re...

In recent years, there has been an increasing demand to apply the new IACS(International Association of Classification Societies) standards for ice and polar-classed ships. For ice-class vessel propulsion system, the ice impact torque design criterion is defined as a periodic harmonic function in relation to the number of the propeller blades. However, irregular or transient ice impact torque is assumed to occur likely in actual circumstances rather than these periodic loadings. In this paper, the reliability and torsional vibration characteristics of a comparatively large six-cylinder marine diesel engine for propulsion shafting system was examined and reviewed in accordance with current regulations. In this particular, the transient ice impact torque and excessive vibratory torque originating from diesel engine were interpreted and the resonant points identified through theoretical analysis. Several floating ice impacts were carried out to evaluate torque responses using the calculation method of classification rule requirement. The Newmark method was used for the transient response analysis of the whole system.

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문제 정의

This paper obtained theoretically the transient torsional vibration response of a low-speed two-stroke diesel engine due to the irregular ice impact torque in order to evaluate the design and reliability of a directly-coupled propulsion system for an ice-class vessel. Classification regulations on ice-propeller interaction impact torque are applied(7) whereas the Newmark numerical method was used to analyze the transient torsional vibration overall response of the propulsion system(8).

제안 방법

2. The propulsion shafting system excitation analysis was divided in two parts: the ice-propeller impact torque and the diesel engine excitation torque attributable to the cylinder gas pressure and reciprocating mass force of piston. Likewise, the analysis method was done utilizing a specialized software developed by the authors(9).
4. This analysis applied the Classification Society rules on vibration response of the system during the initial phase but it should be considered in the subsequent phase that the occurrence of the ice impact torque will likely increase the actual vibration value. Hence, the result of this theoretical analysis considers simultaneously the torsional vibratory torque of the engine and the ice impact torque.
This analysis applied the Classification Society rules on vibration response of the system during the initial phase but it should be considered in the subsequent phase that the occurrence of the ice impact torque will likely increase the actual vibration value. Hence, the result of this theoretical analysis considers simultaneously the torsional vibratory torque of the engine and the ice impact torque.

성능/효과

(2) The new operation guide on ice impact torque is needed to protect ice-classed vessels. Even applying the lowest ice class grade factor, increased torsional vibratory torque on the resonance range acting on the propeller shaft and engine was confirmed.
(2) The new operation guide on ice impact torque is needed to protect ice-classed vessels. Even applying the lowest ice class grade factor, increased torsional vibratory torque on the resonance range acting on the propeller shaft and engine was confirmed.
Considering the IACS regulation and the Korean Register, it has been recommended to avoid resonance and propeller blades resonance should be within ±20 % range of the maximum continuous operating speed.
(3) For ice class propulsion systems directly coupled to a two-stroke low-speed marine engine, the resonance due to engine's number of cylinders should be considered alongside with the number of propeller blades. A smaller 8-cylinder engine can be employed in view of lower natural frequency of torsional vibration and considered advantageous to the main propulsion design and safety.
(3) For ice class propulsion systems directly coupled to a two-stroke low-speed marine engine, the resonance due to engine's number of cylinders should be considered alongside with the number of propeller blades. A smaller 8-cylinder engine can be employed in view of lower natural frequency of torsional vibration and considered advantageous to the main propulsion design and safety.

참고문헌 (10)

Woodyard, D., 2010, Arctic Exploration Increases Demand for Ice Operations, Marine Propulsion, June/July issue pp. 14-16.
Sodhi, D. S., 1995, Northern Sea Route Reconnaissance Study, US Army Corps of Engineers Cold Regions Research &Engineering Laboratory, Special Report 95-17.
Garma, G. C., 2000, Ice Loads on Propellers Under Extreme Operating Conditions, Thesis, Memorial University of Newfoundland.
Baik, S. Y., 2011, The Study for Stress Calculation of Slip Damage between Propeller Boss and Shaft on the Large Vessel, Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety, Vol. 17, No. 3, pp. 291~294.

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Yu, H., 2013, Ice Class Rules & IMO Polar Code Development, ABS, NSRP All Panel Meeting.
Gilmour, T. H., 2008, Arctic Shipping and Class, U.S. Maritime Administration Arctic Shipping Conference.
Korean Register, 2012, Guidance Relating to the Rules for the Classification of Steel Ship Part 3 Chapter 20-22.
Lee, D. C. and Yu, J. D., 2003, Transient and Unstable Torsional Vibration on a 4-stroke Marine Diesel Engine, 2003 Spring Technical Conference of the ASME Internal Combustion Engine Division.
Barro, R. D. and Lee, D. C., 2014, Transient Torsional Vibration Analysis for Ice-class Propulsion Shafting System Driven by Electric Motor, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 24, No. 9, pp. 667-674.

원문보기 상세보기
Dynamics Lab. of Mokpo Maritime University(DL-MMU), 2007, Torsional and Axial Vibration Measurement for Hyundai-Samho S248, Document No. MDL-06012.

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