[논문]5만 DWT 석유화학제품운반선의 선체변형을 고려한 추진축계 정렬해석 연구

이재웅

doi:10.5916/jkosme.2016.40.3.191

초록
AI-Helper

선박이 고출력화, 대형화 됨에 따라 추진축의 강성은 증가한 반면에 선체는 고장력 후판을 사용하므로 이전의 선체보다 훨씬 더 쉽게 변형되는 실정이다. 흘수변화에 따른 선체변형은 축계를 구성하는 각각의 베어링 옵셋 및 반력에 연쇄적인 영향을 미치게 된다. 이는 기존의 선박보다 더욱 정교한 축계정렬이 요구됨을 의미한다. 본 연구에서는 최근 친환경 고효율 선박으로 등장한 5만 DWT급 석유화학제품운반선을 대상으로 선박의 흘수 변화에 따른 선미부 구조해석을 실시하고 구조해석으로부터 얻어진 축계의 상대변위를 이용하여 축계정렬 해석을 수행하였다. 구조해석은 선박의 통상 운항조건에서 최대 흘수 변화를 고려한 2개 조건에서 수행하였다. 이를 바탕으로 선체변형에 따른 베어링 옵셋 변화가 축계정렬에 미치는 영향을 검토하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The shaft system of a vessel becomes stiffer because of larger engine power, whereas the hull structure becomes more flexible because of scantling optimization conducted by using high-tensile thick steel plates. The draught-dependent deformation of the hull affects each bearing offset and reaction f...

The shaft system of a vessel becomes stiffer because of larger engine power, whereas the hull structure becomes more flexible because of scantling optimization conducted by using high-tensile thick steel plates. The draught-dependent deformation of the hull affects each bearing offset and reaction force comprising the subsequent shaft system. This is the reason that more sophisticated shaft alignments are required. In this study, an FE analysis performed under the expected operating conditions of two (2) vessels, as maximum draught change and to analyze the shaft alignment using the relative bearing offset change, which was derived from an FE analysis of the 50,000 DWT oil/chemical tanker, which has become an eco-friendly vessel in recent years. Based on this, the influence of the hull deflection on the bearing offset was reviewed against results for shaft alignment conditions.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

주기관은 Figure 4와 같이 진동해석을 위해 쉘 요소로 구현된 모델을 사용하였으며 엔진의 중량(약 260 ton)에 의한 이중저 탱크 상부의 변형을 고려하기 위해 가상의 두께를 적용하였다. 만일 엔진구조의 강도평가가 목적이라면 엔진모델링을 솔리드(solid) 모델로 작성하거나 집중하중 처리를 하는 것이 바람직하나 본 해석의 목적은 엔진강도를 평가하는 것이 아닌 이중저 탱크 상부의 변형을 확인하고자 하는 것이므로 편의상 쉘모델을 이용하고 가상의 두께를 적용하여 엔진의 무게를 반영하였다. 또한 거주구역, 타 및 기타 장비의 중량은 흘수변화에 따른 변화가 없으므로 제외하였다
본 연구에서는 새로운 선형인 5만톤급 중형화학제품운반선에 대해서 선체 변형을 고려한 추진축계정렬 연구를 수행하였다. 선체 변형량은 선박의 운항 중 최대 흘수변화를 기대할 수 있는 경하중, 만재하중을 조건으로 화물창 1개를 포함하는 선미부 구조해석을 통하여 예측하였고 이를 통해 얻어진 결과를 토대로 축계정렬 해석을 수행하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

제안 방법

한편, 축계정렬 해석을 위한 모델은 Figure 8과 같이 작성[15]하였으며 축계에 작용하는 하중조건은 Table 5에 나타내었다. 구성요소의 힘은 수직성분의 집중력으로 처리하였으며 축의 자중은 축이 수중에 잠긴 부분, 윤활유에 잠긴 부분, 공기 중에 노출된 부분을 구분하여 각각 접촉매질의 부력에 따른 밀도 변화를 고려하였다. 축이 노출된 부분의 부력은 접촉매질에 노출된 부피에 비례하므로 같은 부피일 경우 밀도 차만큼의 자중변화가 발생하며 이는 지지베어링의 반력 및 선미관 베어링의 상대적 경사각의 변화에 영향을 미침에 따라 설계 허용치를 벗어날 수 있으므로 설계 시 주의가 필요하다.
본 연구에서는 최근 친환경 고효율 선박으로 등장한 5만 Dead Weight Tons (DWT, 중량톤)급 석유화학제품운반선을 대상으로 선박의 흘수 변화에 따른 선미부 구조해석을 실시하고 구조해석으로부터 얻어진 축계의 상대변위를 이용하여 축계정렬 해석을 수행하였다. 구조해석은 선박의 통상 운항조건에서 최대 흘수 변화를 고려한 경하중, 만재하중의 2개 조건에서 수행하였다. 이를 바탕으로 추진축계가 선체 변형의 영향 하에서도 허용치[12][13]를 만족하는지 여부를 확인하였다.
또한 선체변형으로 인한 축계 지지베어링 위치에서의 수직방향 변위 변형량(δv)은 지지 베어링옵셋의 변위(δb)에 영향을 미치므로 축계정렬 해석시 이 효과는 식 (1)과 같이 베어링 지지점 위치에서의 선체 변형량을 베어링 옵셋에 직접 반영(Δδ)하여 해석하였다.
그러나 흘수 변화에 의한 기관실 이중저 및 메인 엔진 베드의 변형을 보다 정확하게 예측하고 이를 축계정렬해석에 반영하기 위해서는 상세 계산이 요구된다. 본 연구에서는 최근 친환경 고효율 선박으로 등장한 5만 Dead Weight Tons (DWT, 중량톤)급 석유화학제품운반선을 대상으로 선박의 흘수 변화에 따른 선미부 구조해석을 실시하고 구조해석으로부터 얻어진 축계의 상대변위를 이용하여 축계정렬 해석을 수행하였다. 구조해석은 선박의 통상 운항조건에서 최대 흘수 변화를 고려한 경하중, 만재하중의 2개 조건에서 수행하였다.
선체 구조부는 2D 쉘 요소를 사용하였고 모든 부재는 종, 비틂, 굽힘응력에 대응하는 빔 요소로 작성되었다. 주기관은 Figure 4와 같이 진동해석을 위해 쉘 요소로 구현된 모델을 사용하였으며 엔진의 중량(약 260 ton)에 의한 이중저 탱크 상부의 변형을 고려하기 위해 가상의 두께를 적용하였다.
본 연구에서는 새로운 선형인 5만톤급 중형화학제품운반선에 대해서 선체 변형을 고려한 추진축계정렬 연구를 수행하였다. 선체 변형량은 선박의 운항 중 최대 흘수변화를 기대할 수 있는 경하중, 만재하중을 조건으로 화물창 1개를 포함하는 선미부 구조해석을 통하여 예측하였고 이를 통해 얻어진 결과를 토대로 축계정렬 해석을 수행하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

성능/효과

(1) 유한요소해석결과 선체변형의 영향으로 경하중에서 만재하중으로 이동할수록 축계는 설계치 대비 우 하향 배치되는 것으로 예측되었다.
(2) 선체 변형 하에서도 축계지지베어링의 반력은 허용치를 만족하고 있으며 이는 설계자가 선체변형의 경험치를 선 반영한 결과로 판단된다.
(3) 만재하중 조건에서 주기관 베어링 8번(MB8)의 반력은 설계치 대비 169% 의 편차를 보이며 6번(MB6)베어링의 반력은 설계치 대비 59%의 편차를 보였지만 허용치 대비 각각 39%, 23% 이하로서 크랭크축 베어링에 부정적인 영향을 미치지 않을 것으로 판단된다.
(4)본 선박의 경우에는 선체변형의 영향이 선미관 베어링의 상대적 경사각을 완화시켜 축계안전성을 증가시키는 다소 긍정적인 요인으로 작용함을 확인하였다.
이러한 관점에서 Table 10에서는 선체 변형을 반영한 상대적 경사각을 계산하여 나타내었다. 검토 결과 상대적 경사각은 설계치 대비 감소되었음을 알 수 있었다. 이는 축과 베어링간 접촉면적이 설계치 대비 넓어짐을 의미하고 이로 인해 축 하중이 베어링에 보다 고르게 분포됨을 의미하므로 상대적 경사각의 감소는 축계안전성을 다소 증가시키는 긍정적 요인으로 작용할 것으로 판단된다.
Table 8 및 Figure 18은 좌표변환 후의 선체변형을 반영한 베어링 옵셋을 설계치와 함께 나타낸 결과이다. 이를 통해 축계 정렬상태가 선체 변형의 영향으로 경하중에서 만재하중으로 이동할수록 축계는 설계치 대비 우 하향 배치됨을 알 수 있었다.

후속연구

(5) 본 연구를 통해 예측된 선체 변형량은 향후 유사선박의 축계정렬 검토 시 참고가 될 것으로 판단된다.
다만, 주기관베어링에서 계산결과와 실측결과의 편차가 나타나는 현상에 대하여 베어링 반력 영향계수(RIN; Reaction Influence Number) 값을 추가로 고찰할 필요가 있는데 MB8, MB7, MB6 베어링의 영향계수는 각각 1,360 kN/mm, 4,360 kN/mm, 3,430 kN/mm로써 매우 큰 값을 가지는 것을 알 수 있다. 여기서 베어링 반력 영향계수란 각 베어링의 지지점 위치가 동일 수평면 상에 있고 그 중 한 개의 지지점만을 단위높이(통상 1 mm)만큼 상승 또는 하강시켰을 때 나타나는 다른 베어링의 반력 변화량을 말한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	축계정렬에 관한 연구는 언제 중요성이 대두되었는가?	축계정렬에 관한 연구는 1950년대 후반 미국 해군 함정에서 그 중요성이 대두된 이후 1960년대 후반부터 1970년대 초반에 걸쳐 개개의 베어링에 대한 최적의 위치를 결정하는 주요 이론이 정립되었다[1]-[4]. 이후 조선기술 및 철강기술의 발전과 함께 선박은 고출력화, 대형화 됨에 따라 추진축의 강성은 증가한 반면 선체는 고장력 후판의 적용으로 이전의 선체보다 훨씬 더 쉽게 변형되는 실정이다.
	논문에서 5만 Dead Weight Tons급 석유화학제품운반선을 대상으로 어떤 해석을 수행하였는가?	그러나 흘수 변화에 의한 기관실 이중저 및 메인 엔진 베드의 변형을 보다 정확하게 예측하고 이를 축계정렬해석에 반영하기 위해서는 상세 계산이 요구된다. 본 연구에서는 최근 친환경 고효율 선박으로 등장한 5만 Dead Weight Tons (DWT, 중량톤)급 석유화학제품운반선을 대상으로 선박의 흘수 변화에 따른 선미부 구조해석을 실시하고 구조해석으로부터 얻어진 축계의 상대변위를 이용하여 축계정렬 해석을 수행하였다. 구조해석은 선박의 통상 운항조건에서 최대 흘수 변화를 고려한 경하중, 만재하중의 2개 조건에서 수행하였다.
	기존의 선박보다 더욱 정교한 축계정렬이 요구됨에 따라 최적의 축계정렬상태를 얻기 위해 고려해야하는 것은 무엇인가?	이는 기존의 선박보다 더욱 정교한 축계정렬이 요구됨을 의미한다. 따라서 최적의 축계정렬상태를 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 고려하여[5]-[9] 추진축계와 주구동장치에 민감한 영향을 미치지 않도록 넓은 허용범위를 갖도록 하는 것이 바람직하다. 특히 주기관 직결형식의 단축이 설치된 탱커선에서는 선체변형을 충분히 고려하지 않고 축계정렬을 수행한 경우 베어링 수명 단축, 손상 등의 심각한 상황을 초래할 수 있다[10].

참고문헌 (15)

R. Michel, "A quarter century of propulsion shafting design practice and operating experience in the U.S. navy," Journal of the American Society for Naval Engineers, vol. 71, no. 1, pp. 153-164, 1959.
H. C. Anderson and J. J. Zrodowski, "Co-ordinated alignment of line shaft, propulsion gear, and turbines," Annual meeting of the Society of Naval Architects and Marine Engineers, pp. 449-523, 1959. [Online]. available: http://www.sname. org/HigherLogic/System/DownloadDocumentFile.ash x?DocumentFileKey51feb692-25ae-4b8b-bf4f-55bdea11ed48
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," The American Society of Naval Engineers Journal, vol. 77, no.1, pp. 117-133, 1965.

상세보기
American Bureau of Shipping (ABS), Guidance Notes on Propulsion Shafting Alignment, Houston, USA : American Bureau of Shipping : ABS, 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).
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 University, Korea, 2010 (in Korean).
J. U. Lee, A study on the Optimal Shafting Alignment Concerning Bearing Stiffness for Extra Large Container Carrier, M.S. Thesis, Department of Marine System Engineering Graduate School, Korea Maritime University, Korea, 2011 (in Korean).
L. Shi, D. Xue, and X. Song, "Research on shafting alignment considering ship hull deformations," Marine Structures, vol. 23, no. 1, pp. 103-114, 2010.

상세보기
J. M. Jung, I. H. Choe, and S. H. Shin, "A study on elastic shaft alignment using nonlinear bearing elements," Journal of the Society of Naval Architects of Korea, vol. 42, no. 3, pp. 259-267, 2005 (in Korean).

원문보기 상세보기
MAN B&W, "Bearing load measurement by jaking up", ID No. 07424-5, 2012.
KR, Rules for the Classification of Steel Ships Part 5 Chaper 3 206, Busan, Korea, Korean Register, 2015.
Class NK, GUIDELINES ON SHAFTING ALIGNMENT, Japan, Class NK, 2006.
Korean Register of Shipping, SeaTrust-Machinery User Manual ver.1.0, Busan, Korea, 2013 (in Korean).

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

5만 DWT 석유화학제품운반선의 선체변형을 고려한 추진축계 정렬해석 연구
A study of the analysis of shaft alignment considering hull deflections for 50,000 DWT oil/chemical tankers 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (15)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

5만 DWT 석유화학제품운반선의 선체변형을 고려한 추진축계 정렬해석 연구 A study of the analysis of shaft alignment considering hull deflections for 50,000 DWT oil/chemical tankers 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (15)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

이재웅 (4)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

5만 DWT 석유화학제품운반선의 선체변형을 고려한 추진축계 정렬해석 연구
A study of the analysis of shaft alignment considering hull deflections for 50,000 DWT oil/chemical tankers 원문보기

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper