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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 damper 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.40 no.7, 2016년, pp.580 - 586  

김양곤 (Korea Register of Shipping) ,  황상재 (STX Heavy Industries Co., Ltd.) ,  김영환 (Graduate School of Refrigeration and Air-Conditioning Engineering, Korea Maritime and Ocean University) ,  김상원 (ATS Co., Ltd.) ,  조권회 (Department of Offshore Plant Management, Korea Maritime and Ocean University) ,  김의간 (Division of Mechanical Engineering, Korea Maritime and Ocean University)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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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참고문헌 (13)

  1. Y. G. Kim, S, J. Hwang, J. S. Sun, S. G. Jung, and U. K. Kim, "A study on the effect of torsional vibration for propulsion shafting due to the characteristics of fuel saving marine engine," Proceedings of the 39th Korean Society of Marine Engineering Fall Conference, p. 186, 2015 (in Korean). 

  2. P. Peifer, "Tunned torsional vibration dampers for ship propulsion with 2-stroke engines," Geislinger Damper Technical Paper, pp. 1-12, 1989. 

  3. Y. G. Kim, S. J. Hwang, Y. H. Kim, K. H. Cho, and U. K. Kim, "A control of torsional vibration for propulsion shafting by optimum design of geislinger tuning damper for eco-ship with delayed rpm acceleration of marine diesel engine," Proceedings of the 40th Korean Society of Marine Engineering Spring Conference, p. 173, 2016 (in Korean). 

  4. Geislinger Gmbh, Geislinger Torsional Vibration Damper, Hallwang, Austria, 1989. 

  5. Geislinger Gmbh, Geislinger Damper Ver. 15.7, Hallwang, Austria, 2014. 

  6. D. H. Lee, T. Y. Chung, Y. C. Kim, and H. S. Kim, "A study on the characteristics for the design of a spring-viscous torsional vibration damper," Journal of Korean Society for Noise & Vibration Engineering, Proceedings of the symposium, pp. 684-685, 2012 (in Korean). 

  7. D. H. Lee, T. Y. Chung, Y. C. Kim, and H. S. Kim, "Study on the parameter decision of spring-viscous dampers for torsional vibration reduction of diesel engine shafting system," Journal of Korean Society for Noise & Vibration Engineering, vol. 20, no. 12, pp. 1168-1175, 2010 (in Korean). 

  8. H. J. Jeon, Y. J. Kim, D. H. Kim, and U. K. Kim, "A study on the torsional vibration damper of the small internal combustion engine driving system(Part I) -Development of the optimum viscous-rubber damper-," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 15, no. 2, pp. 44-52, 1991 (in Korean). 

  9. HHI-EMD, "Dynamic characteristics and performance of tuning torsional vibration damper for Hyundai-MAN-B&W, two stroke low-speed diesel engine," MAN-B&W Licensees Meeting paper, 1993. 

  10. D. C. Lee, B. W. Lee, Y. N. Park, and B. H. Park, "A study on the dynamic characteristics and performance of geislinger type torsional vibration damper for two stroke low speed diesel engines," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 16, no. 5, pp. 329-340, 1992 (in Korean). 

  11. D. C. Lee and R. D. Barro, "A study on the torsional vibration characteristics of super large two stroke low speed diesel engines with tuning damper," Journal of the Korean Society for Noise & Vibration Engineering, vol. 19, no. 1, pp. 64-75, 2009. 

  12. W. K. Wilson, Practical Solution of Torsional Vibration Problems, Vol. 1-5, Chapman & Hall, London, 1942. 

  13. BICERA, Handbook of Torsional Vibration, Cambridge University Press, 1958. 

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