[논문]저속 2행정 디젤엔진과 직결된 축발전기의 비틀림 진동 특성

로날드 디 바로; 김홍렬; 트릉헝 남; 이돈출

doi:10.5050/ksnve.2017.27.1.014

저속 2행정 디젤엔진과 직결된 축발전기의 비틀림 진동 특성
Torsional Vibration Characteristics of Shaft Generating System Direct-coupled with Low-speed Two Stroke Diesel Engine 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.27 no.1, 2017년, pp.14 - 19

로날드 디 바로 (Training ship, Mokpo Maritime University) , 김홍렬 (Training ship, Mokpo Maritime University) , 트릉헝 남 (Graduate school, Mokpo Maritime University) , 이돈출 (Division of Marine Engineering, Mokpo Maritime University)

Abstract ▼ AI-Helper

Fuel oil consumption cost varies depending on every ship operation and this roughly amounts to 70 % of shipping companies' total revenue. As such, efforts towards improved fuel economy are being pursued. An annual 1 % reduction in fuel consumption is perceived to result in saving tens million US dollars on the global fleet operation. One approach is the application of power take-off configurations which are seen to increase fuel oil economy and are suitable for power generation. In this study, the dynamic properties of a shaft generator coupled on a 10S90ME main engine of an 18 600 TEU container vessel is presented. The vibratory torque and angular velocity variation was examined through theoretical analysis and actual vibration measurement. The result of the study suggests a review on existing classification rules for generator design and the lowering of vibratory torque and angular velocity variation guideline.

주제어

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문제 정의

이 연구에서는 18600 TEU 초대형 컨테이너선의 주 기관인 10S90ME-C 엔진에 적용된 축발전기를 모델로 발전기 축의 비틀림진동의 동적 특성을 검토하고자 한다. 특히 발전기 축에서 발생하는 진동토크와 각속도 변동은 발전 품질에 영향을 미치게 되므로 이론적인 해석과 실험을 통해서 이를 확인하여 선박용 축 발전기 설계에 이용하고자 한다.
이 연구에서는 주 기관인 10S90MC엔진의 후미에 설치된 축발전기를 사례 연구 모델로 선정하여 비틀림진동의 동적 특성을 검토하였으며 이를 정리 요약하면 다음과 같다.
이 연구에서는 18600 TEU 초대형 컨테이너선의 주 기관인 10S90ME-C 엔진에 적용된 축발전기를 모델로 발전기 축의 비틀림진동의 동적 특성을 검토하고자 한다. 특히 발전기 축에서 발생하는 진동토크와 각속도 변동은 발전 품질에 영향을 미치게 되므로 이론적인 해석과 실험을 통해서 이를 확인하여 선박용 축 발전기 설계에 이용하고자 한다.

제안 방법

(3) 선박용 디젤엔진은 안전상 실린더 착화실패 시도 운전이 가능해야하며 인위적으로 착화실패에 대한 실험을 수행하였다. 그 결과 1차 토크와 각속도 변동은 이론적인 해석과 거의 유사하였으며, 1차성분의 각변위는 LR에서 규정하는 전기적인 각 변위 값을 초과하였으며 이 경우 발전의 질이 좋지 않기 때문에 축발전기보다는 선박 내 다른 발전기를 이용하여 전력을 공급하는 것이 바람직하다.
7의 해석결과에서 1MN-m를 중심으로 ±10%범위 안에 있다. 그리고 한 실린더 착화실패 시 49r/min 이상에서는 1절3차공진에 의해서 진동토크가 증가하므로 운전금지구역을 설정하였으며 진동실험도 이 이상의 회전수에서는 중지시켰다. Figs.
여기서 발전기의 출력 변동을 확인하기 위하여 축 발전기 전에 스트레인 게이지를 이용한 원격측정장치가 설치되어 있다. 또한 발전기의 각속도변동을 확인하기 위하여 위치는 약간 다르기는 하지만 가장 인접한 플라이휠에서 F-V(주파수-전압) 변환기를 이용하여 각속도를 동시에 측정하였다. Figs.
또한 이 두 회사는 출력향상과 함께 연비 절약을 위하여 주 기관의 동력을 이용한 발전시스템을 개발 적용하였으며 Fig. 1은 MDT(MAN Diesel & Turbo)사의 대표적인 시스템 중의 하나다(5,6).
선박은 안전상 한 실린더 착화실패 상태에서도 정상적으로 운항이 가능해야하므로 착화실패 중 가장 나쁜 운전 조건인 실린더 9번이 착화실패 할 경우 이론상 검토를 하였으며 이들을 Figs. 7, 8에 보인다.
3. 실선 실험

실선 실험은 목포해양대학교에서 자체로 개발한 진동 계측 S/W EVAMOS⁽⁹⁾를 이용 선박용 디젤엔 진인 10S90ME-C엔진에서 Fig. 10과 같이 장비를 배치하여 수행하였다. 여기서 발전기의 출력 변동을 확인하기 위하여 축 발전기 전에 스트레인 게이지를 이용한 원격측정장치가 설치되어 있다.

이론/모형

4에 보이며, 축발전기는 질점 16번이다. 비틀림진동 해석은 축계진동에 관련된 기본 이론^(7,8)을 중심으로 목포해양대학교에서 자체 개발한 S/W를 이용하였다. 축발전기의 위치는 설치 공간을 고려하여 축에 전달되는 진동토크와 각속도 변동이 적은 것이 적합하다.

성능/효과

(1) 발전기 위치는 설치공간과 토크 및 각속도 변동을 고려 결정하지만 이 연구 모델인 10실린더 엔진에서는 크랭크축 선단에 비틀림진동 댐퍼가 부착되어 중간축에 발전기를 설치하였고 발전기의 각속 도변동과 비틀림진동 토크를 확인한 결과 이론적인 해석결과와 계측결과는 유사하였다.
(2) 저속 2행정 디젤엔진은 중·고속 4행정에 비해 회전수가 낮아 축발전기를 이용할 경우 발전기의 극수가 많아져 비틀림진동으로 인한 전기적인 각속도와 각변위가 크게 된다.
(3) 선박용 디젤엔진은 안전상 실린더 착화실패 시도 운전이 가능해야하며 인위적으로 착화실패에 대한 실험을 수행하였다. 그 결과 1차 토크와 각속도 변동은 이론적인 해석과 거의 유사하였으며, 1차성분의 각변위는 LR에서 규정하는 전기적인 각 변위 값을 초과하였으며 이 경우 발전의 질이 좋지 않기 때문에 축발전기보다는 선박 내 다른 발전기를 이용하여 전력을 공급하는 것이 바람직하다.
(2) 저속 2행정 디젤엔진은 중·고속 4행정에 비해 회전수가 낮아 축발전기를 이용할 경우 발전기의 극수가 많아져 비틀림진동으로 인한 전기적인 각속도와 각변위가 크게 된다. 그리고 시력보호와 관련된 시몬스 커브는 선급규정은 아니지만 각속도변동이 눈에 가장 민감한 범위인 5Hz ~ 15Hz에서 증가하여, 실린더가 모두 정상적인 폭발할 경우도 일부 회전수에서 이를 초과하였다. 따라서 축발전기 설계시 발전기 로터의 각속도 변동과 각변위의 사전 검토가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	선박 운항에서 연료가 차지하는 비중은 일반적으로 얼마인가?	선박 운항에서 연료가 차지하는 비중은 선사에 따라 차이는 있지만 일반적으로 선사의 전체 매출의 70%에 달한다. 국내 해운회사 입장에서 보면 전체 매출액에 따라 다르지만 연비 1%만 향상하더라도 연간 수백억 원이 절약된다.
	저속 2행정 디젤엔진의 동력을 이용한 축 발전시스템은 어떠한 선박에 적합한가?	국내 해운회사 입장에서 보면 전체 매출액에 따라 다르지만 연비 1%만 향상하더라도 연간 수백억 원이 절약된다. 여기서 연비를 줄이기 위한 방법 중의 하나가 바로 주 기관인 저속 2행정 디젤엔진의 동력을 이용한 축 발전시스템으로, 선박 내에서 냉동 컨테이너 화물 때문에 전력이 많이 소요되는 대형 컨테이너선에 적합하다. 디젤엔진을 이용한 발전 시스템은 디젤엔진이 개발된 초기부터 최근에까지 다양하게 적용되었고, 비틀림진동에 관한 연구들도 디젤엔진제작사들을 중심으로 많이 수행되어 왔다(1~3).
	주 기관의 동력을 이용한 발전시스템의 장점은?	1은 MDT(MAN Diesel & Turbo)사의 대표적인 시스템 중의 하나다(5,6). 이시스템은 최근까지 적용되어 왔으며 최대정격회전수의 70% 이상 회전수에서 축발전기가 작동하며 유압모터에 의해서 주 기관 회전수와 관계없이 일정한 주파수를 얻을 수 있는 장점이 있지만, 복잡하고 사후 유지관리가 쉽지 않았다. 이러한 단점을 극복한 발전기는 주 기관의 동력선에 직접 연결하여 사용하는 방식으로 중간축 또는 크랭크축 선단에 설치할수 있으며 주파수를 일정하게 할 수 있는 추가적인 장치가 별도로 필요하다.

참고문헌 (10)

MAN B&W, 1993, Vibration Characteristics of Two-stroke Low Speed Diesel Engine, P.9301-268.
Jenzer, J. and Schaad, E., 1991, Electric Controls Versus High Inertia Generators for Diesel Power Plants with Two Stroke Low-speed Engines, 19th International Congress on Combustion Engines, pp. 1-18.
Jenser, J., 1999, Dynamics Aspects in Diesel Power Plants Engines, Wartsila NSD Corporation.
Jeon, H. J. and Lee, D. C., 2012, Marine Diesel Engine and Gas Turbine, 9th Korean Translation Edition, DongMeoung Published Ldt., Co.
MAN Diesel & Turbo, 2014, Shaft Generator for Low Speed Main Engines, MAN Diesel & Turbo.
MAN Diesel & Turbo, 2014, MAN B&W S90ME-C10.5 Project Guide Electronically Controlled Two-stroke Engines, MAN Diesel & Turbo.
Nestorides, E. J., 1958, A Handbook on Torsional Vibration, Cambridge at the University Press.
Jeon, H. J. and Lee, D. C., 2003, Vibration of Propulsion Shafting, Dasom Published Ldt., Co.
Lee, D. C., Joo, K. S., Nam, T. K., Kim, E. S. and Kim, S. H., 2009, Development of Engine Vibration Analysis and Monitoring System(EVAMOS) for Marine Vessels, Transactions of the Korea Society for Noise and Vibration Engineering, Vol 19, No. 2, pp. 155-162.

원문보기 상세보기
Lloyd's Register, 2016, Rules and Regulations for the Classification of Ship(Part 5, Chapter 8), Lloyd's Register.

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