점성-스프링 댐퍼 최적화 설계를 이용한 엔진 증속지연 특성을 갖는 추진축계 비틀림진동 제어 Control of torsional vibration for propulsion shafting with delayed engine acceleration by optimum design of a viscous-spring damper원문보기
추진효율 향상을 위해 개발된 초장행정 엔진은 저속에서도 큰 출력을 낼 수 있는 장점이 있는 반면에 이전에 비해 비틀림진동의 기진력은 상당히 증가하였다. 따라서 이전에는 튜닝 휠 또는 플라이휠만으로도 제어가 가능하였던 선박들도 연료절약형 초장행정 엔진이 탑재되는 경우에는 비틀림진동 댐퍼를 적용해야만 제어가 가능하다. 본 논문에서는 비틀림진동 제어를 위해 적용된 점성-스프링 댐퍼의 동특성을 확인하고 해당 축계에 최적 동특성을 갖는 점성-스프링 댐퍼를 설계하여 비틀림진동 특성을 검토하였다. 또한, 일부 엔진증속 지연현상을 지닐 우려가 있는 선박의 경우에는 대상축계의 진동 특성을 고려하여 최적댐퍼 설계이론에 따라 선정된 파라미터를 적절히 조정함으로써 과도한 피로누적에 따른 축 절손현상을 방지할 수 있는 축계 비틀림진동 제어 방안을 제시하였다.
추진효율 향상을 위해 개발된 초장행정 엔진은 저속에서도 큰 출력을 낼 수 있는 장점이 있는 반면에 이전에 비해 비틀림진동의 기진력은 상당히 증가하였다. 따라서 이전에는 튜닝 휠 또는 플라이휠만으로도 제어가 가능하였던 선박들도 연료절약형 초장행정 엔진이 탑재되는 경우에는 비틀림진동 댐퍼를 적용해야만 제어가 가능하다. 본 논문에서는 비틀림진동 제어를 위해 적용된 점성-스프링 댐퍼의 동특성을 확인하고 해당 축계에 최적 동특성을 갖는 점성-스프링 댐퍼를 설계하여 비틀림진동 특성을 검토하였다. 또한, 일부 엔진증속 지연현상을 지닐 우려가 있는 선박의 경우에는 대상축계의 진동 특성을 고려하여 최적댐퍼 설계이론에 따라 선정된 파라미터를 적절히 조정함으로써 과도한 피로누적에 따른 축 절손현상을 방지할 수 있는 축계 비틀림진동 제어 방안을 제시하였다.
The ultra-long stroke engine was developed to generate greater power at lower speeds than previous designs to enhance the propulsion efficiency. The torsional exciting force, on the other hand, was increased significantly. Therefore, it is possible to control the torsional vibration of its shaft sys...
The ultra-long stroke engine was developed to generate greater power at lower speeds than previous designs to enhance the propulsion efficiency. The torsional exciting force, on the other hand, was increased significantly. Therefore, it is possible to control the torsional vibration of its shaft system equipped with the fuel efficient ultra-long stroke engine by adopting a damper although the torsional vibration could be controlled adequately by applying tuning and turning wheels on the engine previously. In this paper, the dynamic characteristics of a viscous-spring damper used to control the torsional vibration of the corresponding shaft system are reviewed and then examined to determine what vibration characteristics might be used to optimize the viscous-spring damper. In some cases, operators of eco-ships have recently experienced the problem of delayed RPM acceleration. It has been suggested that the proper measures for controlling the torsional vibration in the shaft system should involve adjusting the design parameters of its damper determined by the optimum damper design theory to avoid the fatigue damage of shafts.
The ultra-long stroke engine was developed to generate greater power at lower speeds than previous designs to enhance the propulsion efficiency. The torsional exciting force, on the other hand, was increased significantly. Therefore, it is possible to control the torsional vibration of its shaft system equipped with the fuel efficient ultra-long stroke engine by adopting a damper although the torsional vibration could be controlled adequately by applying tuning and turning wheels on the engine previously. In this paper, the dynamic characteristics of a viscous-spring damper used to control the torsional vibration of the corresponding shaft system are reviewed and then examined to determine what vibration characteristics might be used to optimize the viscous-spring damper. In some cases, operators of eco-ships have recently experienced the problem of delayed RPM acceleration. It has been suggested that the proper measures for controlling the torsional vibration in the shaft system should involve adjusting the design parameters of its damper determined by the optimum damper design theory to avoid the fatigue damage of shafts.
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문제 정의
따라서 본 추진 축계에 본 연구에서 기술한 최적 댐퍼이론에 따라 선정된 강성계수와 감쇠계수비를 갖는 점성-스프링 댐퍼를 장착하고 비틀림진동을 해석하였다. Figure 10은 중간축에 작용하는 비틀림응력 해석 결과이다.
본 논문에서는 비틀림진동 제어를 위해 적용된 점성-스프링 댐퍼의 동특성 및 성능을 이론적으로 해석하고, 해당 축계에 최적 동특성을 갖는 점성-스프링 댐퍼를 설계하여 비틀림진동 특성을 검토한다. 또한, 엔진 증속지연이 발생할 우려가 있는 선박을 대상으로 축계의 진동특성을 고려하여 최적댐퍼 설계이론에 따라 선정된 파라미터를 적절하게 조정함으로써 보다 안전한 선박 운항이 가능하도록 축계의 비틀림진동을 제어하는 방안을 제시한다.
본 연구에서는 고유가 시대에 연료소비율 향상을 위해 개발된 연료 절약형 초장행정 엔진의 비틀림진동 기진력 특성을 확인하고, 해당 엔진이 적용된 에코십에서 발생된 엔진 증속지연 현상에 적절하게 대처하기 위한 최적 댐퍼 설계 방안을 검토하였다. 이를 위해 점성-스프링 댐퍼의 최적 동특성을 이론적으로 해석하는 방법을 검토하였고, 엔진 증속지연 현상을 지닌 축계의 상용회전수 범위내에 연속사용금지 구간을 설정하지 않도록 하는 비틀림진동 제어 방안을 제시하였다.
본 장에서는 고유가 시대에 연료소비율 향상을 위해 개발된 연료 절약형 엔진을 탑재한 선박의 추진축계를 대상으로 비틀림진동의 특성을 분석하고 제어 방안에 대해 검토하였다. 해당 선박은 Figure 7과 같이 과도한 엔진 정격조정에 따른 토크 부족으로 저 부하에서 엔진 증속이 원활하게 되지 않아 연속사용금지 구간(barred speed range)을 통과하는데 수분이 걸리는 현상이 발생하였다.
따라서 이러한 엔진 증속지연 현상이 발생할 우려가 있는 추진축계는 선박 사용수명(25~30년)내에 피로손상이 발생되지 않도록 적절한 방안이 마련되어야 한다. 여기서는 상기와 같은 엔진 증속지연이 발생하여 축계 피로손상 우려가 있는 경우 이 축계의 비틀림진동을 점성스프링 댐퍼의 동특성을 적절히 선정하여 제어하는 방안을 검토하였다.
하지만, 상기와 같이 기존 댐퍼의 비틀림 강성계수와 감쇠계수만을 변경해서는 효과적으로 비틀림진동을 제어하기에는 한계가 있다. 여기서는 점성-스프링 댐퍼의 관성질량을 포함한 동특성 변경으로 추진축계의 비틀림진동을 제어하는 방안을 검토하였다. Figure 15은 Figure 9에서와 같이 최적 댐퍼 설계이론에 따라 결정된 비틀림 강성계수를 20% 증가시키고, 감쇠계수비를 20% 감소시킨 상태에서 댐퍼의 관성질량을 최대 10%까지 증가시킨 경우에 대한 중간축의 비틀림 부가응력 해석 결과이다.
여기서는 점성-스프링 댐퍼의 동특성을 변경하여 대상 추진 축계에 연속사용금지 구간을 설정하지 않는 것이 가능한지 검토하였다. 먼저 댐퍼 동특성의 변경 한도는 댐퍼의 제작을 고려해 ±20.
제안 방법
이 축계의 비틀림진동 해석 결과는 1절 비틀림진동의 절점이 중간축에 존재하고, 중간축의 부가응력이 높아 선급에서 제시하는 피로한도 및 항복응력에 대한 기준치를 상회하고 있다. 따라서 이 선박의 축계 설계자는 중간축에 걸리는 부가응력을 낮추기 위해서 점성-스프링 댐퍼를 엔진 선단에 장착하여 비틀림진동을 제어하였다. Table 2는 이 선박의 축계 설계자가 선정한 점성-스프링 댐퍼의 요목을 보여주고 있다.
따라서 중간축의 비틀림 부가응력이 최소가 되는 강성계수와 감쇠계수비를 기준으로 댐퍼 외륜의 관성질량을 변경하면서 중간축의 비틀림응력 변화를 검토하였다. 이 결과를 Figure 13에 보인다.
본 논문에서는 비틀림진동 제어를 위해 적용된 점성-스프링 댐퍼의 동특성 및 성능을 이론적으로 해석하고, 해당 축계에 최적 동특성을 갖는 점성-스프링 댐퍼를 설계하여 비틀림진동 특성을 검토한다. 또한, 엔진 증속지연이 발생할 우려가 있는 선박을 대상으로 축계의 진동특성을 고려하여 최적댐퍼 설계이론에 따라 선정된 파라미터를 적절하게 조정함으로써 보다 안전한 선박 운항이 가능하도록 축계의 비틀림진동을 제어하는 방안을 제시한다.
본 연구에서는 고유가 시대에 연료소비율 향상을 위해 개발된 연료 절약형 초장행정 엔진의 비틀림진동 기진력 특성을 확인하고, 해당 엔진이 적용된 에코십에서 발생된 엔진 증속지연 현상에 적절하게 대처하기 위한 최적 댐퍼 설계 방안을 검토하였다. 이를 위해 점성-스프링 댐퍼의 최적 동특성을 이론적으로 해석하는 방법을 검토하였고, 엔진 증속지연 현상을 지닌 축계의 상용회전수 범위내에 연속사용금지 구간을 설정하지 않도록 하는 비틀림진동 제어 방안을 제시하였다. 이를 요약하면 다음과 같다.
성능/효과
(1) 연료 절약형 초장행정 엔진은 추진 효율 향상을 위해 저속에서 큰 토크를 낼 뿐만 아니라 변동 토크도 이전 장행정 엔진에 비해 40% 가량 증가한다. 또한 엔진의 연료소비율 향상을 위한 정격 조정은 동일 평균유효압력에서 비틀림진동 기진력을 상승시키는 요인이 된다.
(3)추진 축계의 상용회전수 범위내에 연속사용금지 구간을 설정하지 않도록 하기 위해서는 먼저 최적댐퍼 설계이론에 따라 댐퍼 파라미터를 선정하고, 선급의 비틀림 부가 응력 규제 곡선의 형태와 위험회전수의 위치에 따라 최적 댐퍼 설계이론에 따라 선정된 파라미터, 즉 댐퍼의 강성계수, 감쇠계수 및 댐퍼외륜의 관성질량를 적절하게 조정하면 선급 기준치 τ1이 회전수 증가에 따라 감소되는 경향에 맞게 축계의 비틀림 부가응력을 효과적으로 제어할 수 있음을 확인하였다.
또한 엔진의 연료소비율 향상을 위한 정격 조정은 동일 평균유효압력에서 비틀림진동 기진력을 상승시키는 요인이 된다. 뿐만 아니라 해당 상용출력에서 연료소모량을 최적화 시키는 엔진 튜닝에 의해 해당 평균유효압력에서 비틀림 기진력이 다소 상승함을 알 수 있었다.
Figure 4는 엔진 튜닝기술을 적용하여 엔진 상용출력을 달리할 경우의 기진력의 변화를 보여주고 있다. 엔진의 연료소비율 향상을 위해 해당 상용출력에서 튜닝을 하면 해당 평균유효압력에서 기진력이 다소 상승하는 것을 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
연료절약형 초장행정 엔진이 탑재되는 경우 비틀림진동 댐퍼를 적용해야만 제어가 가능한 이유는 무엇인가
이러한 엔진은 과거 장행정 엔진에 비해 큰 토크를 낼 수 있는 반면에 비틀림진동 기진력은 이전에 비해 30% ~ 40% 정도 상승한다[1]. 또한, 엔진 자체의 연비 향상을 위해 해당 엔진을 이용 마력에 최적화하기 위해 엔진 정격조정(de-rating) 및 튜닝 기술을 조합하여 적용하고 있다. 따라서 이전에는 튜닝 휠 또는 플라이터닝 휠만으로도 제어가 가능하였던 선박들도 연료절약형 초장행정 엔진이 탑재되는 경우에는 비틀림진동 댐퍼를 적용해야만 제어가 가능하다[2]. 뿐만 아니라 연비 향상을 위해 적용하였던 엔진 정격조정이 과도할 경우에는 표준 엔진일 때에 비해 토크 한계선이 평행하게 하강함에 따라 엔진 가속능력 저하를 야기하기도 한다.
연비 향상을 위해 적용된 엔진 정격조정이 과도할 경우 무슨 문제를 야기하는가?
따라서 이전에는 튜닝 휠 또는 플라이터닝 휠만으로도 제어가 가능하였던 선박들도 연료절약형 초장행정 엔진이 탑재되는 경우에는 비틀림진동 댐퍼를 적용해야만 제어가 가능하다[2]. 뿐만 아니라 연비 향상을 위해 적용하였던 엔진 정격조정이 과도할 경우에는 표준 엔진일 때에 비해 토크 한계선이 평행하게 하강함에 따라 엔진 가속능력 저하를 야기하기도 한다. 이런 현상은 선박의 감항성에 영향을 미치므로 상용회전수 구간 내에 연속사용금지 구간이 설정된 추진축계에 치명적이다.
초장행정 엔진의 장점과 단점은 무엇인가
0 정도인 초장행정 엔진을 개발하였다. 이러한 엔진은 과거 장행정 엔진에 비해 큰 토크를 낼 수 있는 반면에 비틀림진동 기진력은 이전에 비해 30% ~ 40% 정도 상승한다[1]. 또한, 엔진 자체의 연비 향상을 위해 해당 엔진을 이용 마력에 최적화하기 위해 엔진 정격조정(de-rating) 및 튜닝 기술을 조합하여 적용하고 있다.
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