선박이 고출력화, 초대형화 됨에 따라 대형저속 2행정 엔진을 탑재한 선박에서 축계배치의 잘못에 기인하는 주기관 선미측 베어링과, 선미관 후부 베어링의 손상이 증가하는 경향이 있다. 또한 고출력화에 의한 추진축의 강성은 증가한 반면에 선체는 고장력 후판을 사용하므로 이전의 선체보다 훨씬 더 쉽게 변형하는 실정이다. 이는 기존의 선박보다 더욱 정교한 축계배치가 요구됨을 의미한다. 본 연구에서는 열팽창 효과, 감도지수를 이용한 중간축 베어링의 최적위치 선정 및 베어링의 강성을 고려하여, 베어링의 하중 분석 및 영향 계수를 분석함으로서 축계 배치가 이론적으로 최적이 되는 것을 검토하였다. 이를 위하여 축계 배치 계산시 대형 엔진 제조사의 엔진 거치기준을 참조하고, 한국선급 및 DnV 선급의 축계 배치 프로그램을 이용하여 검토하고 그 신뢰성을 검증하였다.
선박이 고출력화, 초대형화 됨에 따라 대형저속 2행정 엔진을 탑재한 선박에서 축계배치의 잘못에 기인하는 주기관 선미측 베어링과, 선미관 후부 베어링의 손상이 증가하는 경향이 있다. 또한 고출력화에 의한 추진축의 강성은 증가한 반면에 선체는 고장력 후판을 사용하므로 이전의 선체보다 훨씬 더 쉽게 변형하는 실정이다. 이는 기존의 선박보다 더욱 정교한 축계배치가 요구됨을 의미한다. 본 연구에서는 열팽창 효과, 감도지수를 이용한 중간축 베어링의 최적위치 선정 및 베어링의 강성을 고려하여, 베어링의 하중 분석 및 영향 계수를 분석함으로서 축계 배치가 이론적으로 최적이 되는 것을 검토하였다. 이를 위하여 축계 배치 계산시 대형 엔진 제조사의 엔진 거치기준을 참조하고, 한국선급 및 DnV 선급의 축계 배치 프로그램을 이용하여 검토하고 그 신뢰성을 검증하였다.
Damages of the main engine aftmost bearing and the after stern tube bearing tend to increase due to misalignment. And as the shafting system becomes stiffer due to the large engine power, whereas the hull structure becomes more flexible due to optimization by using high tensile thin steel plates. An...
Damages of the main engine aftmost bearing and the after stern tube bearing tend to increase due to misalignment. And as the shafting system becomes stiffer due to the large engine power, whereas the hull structure becomes more flexible due to optimization by using high tensile thin steel plates. And this is the reason that more sophisticated shaft alignments are required. In this study, the optimum shafting alignment calculation was carried out, considering the thermal expansion effect, exploiting the sensitivity index, which indicates the reasonable position of forward intermediate shaft bearing for shaft alignment. and as the main subject in this study, the elastic deformation on intermediate shaft and main engine bearings occurred by vertical load of shaft mass were examined thoroughly and analyzed allowable load of bearings, reaction influence numbers of all bearings. As the result, a reliable optimum shafting alignment was derived theoretically. To verify these results, they were referred to the engine maker's technical information of main engine installation and being used shafting alignment programs of both Korean Register of Shipping and Det Norske Veritas, their reliability were reviewed.
Damages of the main engine aftmost bearing and the after stern tube bearing tend to increase due to misalignment. And as the shafting system becomes stiffer due to the large engine power, whereas the hull structure becomes more flexible due to optimization by using high tensile thin steel plates. And this is the reason that more sophisticated shaft alignments are required. In this study, the optimum shafting alignment calculation was carried out, considering the thermal expansion effect, exploiting the sensitivity index, which indicates the reasonable position of forward intermediate shaft bearing for shaft alignment. and as the main subject in this study, the elastic deformation on intermediate shaft and main engine bearings occurred by vertical load of shaft mass were examined thoroughly and analyzed allowable load of bearings, reaction influence numbers of all bearings. As the result, a reliable optimum shafting alignment was derived theoretically. To verify these results, they were referred to the engine maker's technical information of main engine installation and being used shafting alignment programs of both Korean Register of Shipping and Det Norske Veritas, their reliability were reviewed.
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문제 정의
본 논문의 대상인 선박의 축계는 길이가 70미터에 달하고, 중간축이 Aft-Mid-Fwd 3개로 이루어진 초장축이다. 본 논문에서는 베어링의 감도지수를 이용한 계산의 목적이 엔진측에 지나치게 가깝지 않은 위치에서 가장 유연한 축계를 만드는 것에 있으므로 Fwd(전부) 중간축을 대상으로 베어링 감도지수법을 이용하여 베어링의 최적위치를 산출하였다. 이를 위한 계산도구로 Figure 2와 같이 한국선급의 추진축계 배치 프로그램을 이용하였다.
따라서 추진축계 배치의 최적치를 설계 단계에서 얻기 위해서는 해석 시 선박의 적하 하중에 따른 베어링 반력의 변화, 운항에 따른 메인 엔진의 변형 및 프로펠러 추력에 의해 발생되는 굽힘모멘트, 하중에 대해 연직방향으로 작용하는 베어링의 탄성변형 등을 함께 고려하여야 한다[5][6]. 본 연구에서는 10,100 TEU급 컨테이너 운반선에 대하여 이러한 사항을을 고려한 축계 배치분석을 수행하여 축계 배치가 이론적으로 최적이 되는 방안을 모색하였다. 이를 위하여 대형 엔진 제조사의 엔진 거치기준을 참조하고, 한국선급 및 DnV 선급의 축계 배치 프로그램을 이용하여 검토하고 그 신뢰성을 검증하였다.
가설 설정
(6) 가능한 한 선미관 후부 베어링에서 하중의 분포가 균일할 것, 즉 선미단에 베어링 하중이 국부적으로 편중되지 않을 것
제안 방법
(1) 장축을 가지는 10,100TEU 컨테이너선 축계의 최적 배치를 위하여 선박의 정지/운전 상태에서 축계배치를 수행하고, 더 나아가 주기관 베어링 개수, 열팽창효과를 고려하여 축계 배치계산을 수행하였으며. 베어링의 하중 분석 및 영향 계수를 분석하여 축계 배치가 이론적으로 최적이 되는 방안을 모색하였다.
(2) 또한, 반력영향계수를 이용한 감도지수(sensitivity index)를 사용하여 이 값이 가장 작게 되는, 즉 베어링의 상태변화에 대하여 가장 민감도가 낮은 위치를 분석함으로써 최적의 베어링 위치를 결정하는 방법을 소개하였다. 다만 이 경우에 선미 구조상 베어링을 원하는 위치에 설치하기에 어려움이 있어 가능한 범위에서 그 위치에 가깝도록 하였다.
(1) 장축을 가지는 10,100TEU 컨테이너선 축계의 최적 배치를 위하여 선박의 정지/운전 상태에서 축계배치를 수행하고, 더 나아가 주기관 베어링 개수, 열팽창효과를 고려하여 축계 배치계산을 수행하였으며. 베어링의 하중 분석 및 영향 계수를 분석하여 축계 배치가 이론적으로 최적이 되는 방안을 모색하였다.
본 논문에서는 선체 변형을 고려하지 않고 엔진 베어링에 가해지는 하중에 따른 베어링 지지점의 연직방향 베어링 강성을 식 (2)을 이용하여 선형적인 탄성변화를 고려하였다. 또한 탄성베어링으로 간주하는 부분은 대부분 대형조선소에서 계산하는 방법과 같이 주기관 베어링만을 탄성베어링으로 간주하였다.
또한 주기관 베어링의 스프링 상수 K는 엔진 제조사의 기술자료를 통하여 확인한 5,000kN/mmm 값을 이용하였다. 상기에 따른 축계 배치 검토를 위하여 한국선급의 축계배치 프로그램[11]을 사용하였고 계산 결과의 정밀도를 확인하기 위하여 DnV 선급의 축계 배치 프로그램 결과와 비교함으로서 그 신뢰성을 확인하였다. Table 2 는 한국 선급의 축계 배치 프로그램을 이용하여 계산한 탄성 베어링의 옵셋결과이고, Table 3 는 DnV 선급의 축계 배치프로그램을 이용하여 계산한 탄성베어링의 옵셋결과이다.
엔진 베어링에 가해지는 하중에 따른 베어링 지지점의 연직방향 베어링 강성을 선형적으로 고려한 탄성변화를 계산하고 이를 통하여 최적 축계배치의 신뢰성을 검증하기로 한다.
이 장에서는 추진축계 배치 시 고려하고 있는 대표적인 방법들을 이용하여 계산을 수행하고 그 결과를 검토하였다. Table 1은 본 연구에 이용한 실선의 축계 주요 사양이다.
본 연구에서는 10,100 TEU급 컨테이너 운반선에 대하여 이러한 사항을을 고려한 축계 배치분석을 수행하여 축계 배치가 이론적으로 최적이 되는 방안을 모색하였다. 이를 위하여 대형 엔진 제조사의 엔진 거치기준을 참조하고, 한국선급 및 DnV 선급의 축계 배치 프로그램을 이용하여 검토하고 그 신뢰성을 검증하였다.
대상 데이터
본 논문의 대상인 선박의 축계는 길이가 70미터에 달하고, 중간축이 Aft-Mid-Fwd 3개로 이루어진 초장축이다. 본 논문에서는 베어링의 감도지수를 이용한 계산의 목적이 엔진측에 지나치게 가깝지 않은 위치에서 가장 유연한 축계를 만드는 것에 있으므로 Fwd(전부) 중간축을 대상으로 베어링 감도지수법을 이용하여 베어링의 최적위치를 산출하였다.
이론/모형
본 논문에서는 베어링의 감도지수를 이용한 계산의 목적이 엔진측에 지나치게 가깝지 않은 위치에서 가장 유연한 축계를 만드는 것에 있으므로 Fwd(전부) 중간축을 대상으로 베어링 감도지수법을 이용하여 베어링의 최적위치를 산출하였다. 이를 위한 계산도구로 Figure 2와 같이 한국선급의 추진축계 배치 프로그램을 이용하였다.
성능/효과
(3) 연직방향 엔진베어링 강성을 선형적으로 고려하여 이에 따른 결과와 강체 지지로 했을 경우의 결과를 비교하여, 축의 거동에 따른 다양한 계산을 통하여 만족스러운 결과를 얻었다. 이러한 방법은 본 사례뿐만 아니라 긴 추진축계를 갖는 유사 선박에도 적용할 수 있을 것으로 사료된다.
(4) 두 선급에서 독자적으로 개발하여 사용 중인 축계배치 프로그램에 의한 계산 결과의 차이가 미미함을 보여주었다. 따라서 어느 선급의 프로그램이나 결과의 정밀도에 있어서는 차이가 없기 때문에 축계 배치프로그램의 선택은 사용상의 편리함에 따라 결정할 필요가 있을 것으로 사료된다.
계산결과를 고찰하였을 때 각 베어링 반력과 면압의 경향이 같고, 계산값의 편차는 매우 근소하였으며 계산결과는 모두 2.4 항의 추진축계 배치 기준치를 만족함을 확인하였다.
따라서 상기와 같이 배치한 중간축의 위치가 10,100 TEU Container 선박의 최적의 Fwd(전부) 중간축 베어링의 최적 위치임을 감도 지수를 이용하여 확인할 수가 있었다.
Table 2 는 한국 선급의 축계 배치 프로그램을 이용하여 계산한 탄성 베어링의 옵셋결과이고, Table 3 는 DnV 선급의 축계 배치프로그램을 이용하여 계산한 탄성베어링의 옵셋결과이다. 양 선급 프로그램의 결과는 매우 유사함을 확인하였다.
후속연구
(3) 연직방향 엔진베어링 강성을 선형적으로 고려하여 이에 따른 결과와 강체 지지로 했을 경우의 결과를 비교하여, 축의 거동에 따른 다양한 계산을 통하여 만족스러운 결과를 얻었다. 이러한 방법은 본 사례뿐만 아니라 긴 추진축계를 갖는 유사 선박에도 적용할 수 있을 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
설계단계에서 추진축계 배치의 최적치를 얻기 위해서는 무엇을 고려해야 하는가?
이는 기존의 선박보다 더욱 정교한 축계배치가 요구됨을 의미한다. 따라서 추진축계 배치의 최적치를 설계 단계에서 얻기 위해서는 해석 시 선박의 적하 하중에 따른 베어링 반력의 변화, 운항에 따른 메인 엔진의 변형 및 프로펠러 추력에 의해 발생되는 굽힘 모멘트, 하중에 대해 연직방향으로 작용하는 베어링의 탄성변형 등을 함께 고려하여야 한다. [5][6].
선박의 추진축계을 잘못 배치할 경우 어떠한 문제점이 발생하는가?
선박의 추진축계를 잘못 배치할 경우 각 베어링의 하중 배분이 고르지 못하게 되므로 결과적으로 베어링의 이상 마모, 과부하, 무부하 상태, 또는 과열, 감속기어의 마모, 파손 등의 문제가 발생할 수 있다. 추진축계 배치에 관한 연구는 1950년대 후반 미국 해군 함정에서 중요성이 대두된 이후 1960년대 후반부터 1970년대 초반에 걸쳐 개개의 베어링에 대한 최적의 위치를 결정하는 주요 이론이 정립되었다[1]-[4].
최신 선박에는 기존 선박보다 더욱 정교한 축계배치가 요구되는 이유는 무엇인가?
선박이 고출력화, 초대형화 됨에 따라 대형저속 2행정 엔진을 탑재한 선박에서 축계배치의 잘못에 기인하는 주기관 선미측 베어링과, 선미관 후부 베어링의 손상이 증가하는 경향이 있다. 또한 고출력화에 의한 추진축의 강성은 증가한 반면에 선체는 고장력 후판을 사용하므로 이전의 선체보다 훨씬 더 쉽게 변형하는 실정이다. 이는 기존의 선박보다 더욱 정교한 축계배치가 요구됨을 의미한다.
참고문헌 (11)
R. Michel, "A quarter century of propulsion shafting design practice and operating experience in the U.S. Navy," Naval Engineers Journal, p. 153, 1959.
H. C. Anderson and J. J. Zrodowski, "Co-ordinated alignment of line shaft, propulsion gear, and turbines," Society of Naval Architects and Marine Engineers, vol. 67, pp. 449-523, 1959.
W. E. Lehr, "Considerations in the design of marine propulsion shaft system," Society of Naval Architects and Marine Engineers, vol. 67, p. 555, 1961.
G. Mann, "Shipyard alignment of propulsion shafting using fair curve alignment theory," Naval Engineers Journal, vol. 77, no. 4, pp. 651-659, 1965.
Y. J. Lee, A Study on Hull Deflections Effecting the Ship's Propulsion Shafting Alignment, Ph.D. Dissertation, Department of Mechanical Engineering Graduate School, Korea Maritime University, Korea, 2006 (in Korean).
American Bureau of Shipping, Guidance Notes on Propulsion Shafting Alignment, Houston, USA : American Bureau of Shipping, 2006.
K. C. Kim and J. G. Kim, "A study on optimum shaft alignment analysis for VLCC," Proceedings of the Special Transactions of the Society of Naval Architects of Korea, pp. 134-137, 2005 (in Korean).
Class NK, GUIDELINES ON SHAFTING ALIGNMENT, Japan, Class NK, 2006.
H. J. Jeon, Ship Propulsion Transmission Equipment, Busna, Korea, Taehwa Publishing Company, 1986 (in Korean).
C. O. Seo, A Study on the Optimal Shafting Alignment for Chemical Tanker of Medium Size, M.S thesis, Department of Marine System Engineering Graduate School, Korea Maritime and Ocean University, Korea, 2010 (in Korean).
Korean Register of Shipping, SeaTrust-SHALI Shaft Alingment Program User Manual, Korea, 2009 (in Korean).
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