고점도 실리콘오일 적용 점성댐퍼 동특성을 고려한 추진축계 최적 설계 Optimum design of propulsion shafting system considering characteristics of a viscous damper applied with high-viscosity silicon oil원문보기
최근 개발된 선박용 주기관은 추진효율 향상과 연료소비율 저감기술이 요구됨에 따라 과거에 비해 높은 비틀림진동 기진력 특성을 갖고 있다. 따라서 이를 제어하기 위해 기본적으로 엔진 선단에 점성 댐퍼나 점성-스프링댐퍼를 장착한다. 점성댐퍼의 경우 댐퍼 내부에 채워진 실리콘 오일이 탄성적인 연결이 없다고 가정하고 댐퍼설계를 하여 왔으나 고점도 실리콘 오일은 높은 점도에 따른 비틀림 강성이 존재할 뿐만 아니라 작동온도와 주파수에 따라 비선형적인 동특성을 갖는다. 본 논문에서는 고점도 실리콘 오일이 적용된 점성댐퍼의 동특성을 확인하고 해당 댐퍼가 장착된 축계의 비틀림진동 특성을 검토하였다. 이를 위해 점성댐퍼의 최적 동특성을 이론적으로 해석하는 방법을 검토하였고, 고점도 실리콘 오일로 채워진 점성댐퍼로 해당축계의 비틀림진동 제어를 하는 경우 댐퍼 작동온도 및 경년변화를 고려한 추진축계 최적 설계 방안에 대해서 검토하였다.
최근 개발된 선박용 주기관은 추진효율 향상과 연료소비율 저감기술이 요구됨에 따라 과거에 비해 높은 비틀림진동 기진력 특성을 갖고 있다. 따라서 이를 제어하기 위해 기본적으로 엔진 선단에 점성 댐퍼나 점성-스프링댐퍼를 장착한다. 점성댐퍼의 경우 댐퍼 내부에 채워진 실리콘 오일이 탄성적인 연결이 없다고 가정하고 댐퍼설계를 하여 왔으나 고점도 실리콘 오일은 높은 점도에 따른 비틀림 강성이 존재할 뿐만 아니라 작동온도와 주파수에 따라 비선형적인 동특성을 갖는다. 본 논문에서는 고점도 실리콘 오일이 적용된 점성댐퍼의 동특성을 확인하고 해당 댐퍼가 장착된 축계의 비틀림진동 특성을 검토하였다. 이를 위해 점성댐퍼의 최적 동특성을 이론적으로 해석하는 방법을 검토하였고, 고점도 실리콘 오일로 채워진 점성댐퍼로 해당축계의 비틀림진동 제어를 하는 경우 댐퍼 작동온도 및 경년변화를 고려한 추진축계 최적 설계 방안에 대해서 검토하였다.
The recently developed marine engines for propulsion of ships have higher torsional exciting force than previous engines to improve the propulsion efficiency and to reduce specific fuel oil consumption. As a result, a viscous damper or viscous-spring damper is installed in front of marine engine to ...
The recently developed marine engines for propulsion of ships have higher torsional exciting force than previous engines to improve the propulsion efficiency and to reduce specific fuel oil consumption. As a result, a viscous damper or viscous-spring damper is installed in front of marine engine to control the torsional vibration. In the case of viscous damper, it is supposed that there is no elastic connection in the silicon oil, which is filled between the damper housing and inertia ring. However, In reality, the silicon oil with high viscosity possesses torsional stiffness and has non-linear dynamic characteristics according to the operating temperature and frequency of the viscous damper. In this study, the damping characteristics of a viscous damper used to control the torsional vibration of the shafting system have been reviewed and the characteristics of torsional vibration of the shafting system equipped with a corresponding viscous damper have been examined. In addition, it is examined how to interpret the theoretically optimal dynamic characteristics of a viscous damper for this purpose, and the optimum design for the propulsion shafting system has been suggested considering the operating temperature and aging. when the torsional vibration of the shafting system is controlled by a viscous damper filled with highly viscous silicon oil.
The recently developed marine engines for propulsion of ships have higher torsional exciting force than previous engines to improve the propulsion efficiency and to reduce specific fuel oil consumption. As a result, a viscous damper or viscous-spring damper is installed in front of marine engine to control the torsional vibration. In the case of viscous damper, it is supposed that there is no elastic connection in the silicon oil, which is filled between the damper housing and inertia ring. However, In reality, the silicon oil with high viscosity possesses torsional stiffness and has non-linear dynamic characteristics according to the operating temperature and frequency of the viscous damper. In this study, the damping characteristics of a viscous damper used to control the torsional vibration of the shafting system have been reviewed and the characteristics of torsional vibration of the shafting system equipped with a corresponding viscous damper have been examined. In addition, it is examined how to interpret the theoretically optimal dynamic characteristics of a viscous damper for this purpose, and the optimum design for the propulsion shafting system has been suggested considering the operating temperature and aging. when the torsional vibration of the shafting system is controlled by a viscous damper filled with highly viscous silicon oil.
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문제 정의
다음은 점성댐퍼 하우징과 관성링 사이 틈새에 채워진 실리콘 오일의 경년변화가 축계 비틀림진동 특성에 미치는 영향을 검토하였다. 여기서 점성댐퍼에 적용된 실리콘 오일의 동특성은 Figure 2 및 3에 보이는 바와 같으며, Figure 10은 중간축에 걸리는 부가응력 해석 결과이다.
본 논문에서는 비틀림진동 제어를 위해 적용된 점성댐퍼의 동특성 및 성능을 이론적으로 해석하고, 해당축계에 최적 동특성을 갖는 점성댐퍼를 설계하여 비틀림진동 특성을 검토한다. 또한 점성댐퍼 모델링 방법에 따른 해석 결과를 비교 분석하여 점성댐퍼임에도 불구하고 실리콘 오일의 비선형 특성을 고려한 해석방법의 타당성을 검토하였다.
본 연구에서는 고점도 실리콘 오일이 적용된 점성댐퍼의 동특성을 확인하고, 해당 댐퍼가 장착된 축계의 비틀림진동 특성을 검토한다. 이를 위해 점성댐퍼의 최적 동특성을 이론적으로 해석하는 방법을 검토하였고, 고점도 실리콘 오일로 채워진 점성댐퍼로 해당 축계의 비틀림진동 제어를 하는 경우 댐퍼 작동온도 및 경년변화를 고려한 축계 최적 설계 방안을 제시하였다.
Table 3는 이 선박의 축계 설계자가 선정한 점성댐퍼의 요목을 보여주고 있다. 여기서 점성댐퍼 모델링 방법을 달리하여 실리콘 오일의 고점도화가 축계 비틀림진동 특성에 미치는 영향을 검토하였다. Case I은 점성댐퍼 최적 설계이론에 입각하여 하우징과 관성링 사이에 탄성적인 연결이 없다고 간주하고 최적 감쇠계수를 적용한 것이고, Case II는 고점도 실리콘 오일의 동특성을 고려하여 최대 작동온도 90℃를 기준으로 비틀림 강성계수를 고려한 것이다.
따라서 고점도 실리콘 오일을 적용한 점성댐퍼를 장착한 선박의 추진축계는 상기와 같은 상황에 따른 축 피로손상이 발생되지 않도록 적절한 방안이 마련되어야 한다. 여기서는 고점도 실리콘오일로 채워진 점성댐퍼를 적용한 축계를 대상으로 작동온도 및 경년변화에 따른 비틀림진동 특성을 살펴보고 최적의 축계 설계방안에 대해 검토하였다.
용한 추진축계를 대상으로 비틀림진동의 특성을 분석하고 해당 축계의 최적 설계 방안에 대해 검토한다. 점성댐퍼는 댐퍼관성링이 주진동계와 동조하여 진동제어를 하기 때문에 시간이 경과됨에 따라 댐퍼 내부에서 발생되는 분진에 의해서 실리콘 오일 점성이 감소하게 되어 댐퍼 성능이 떨어지게 된다.
또한 점성댐퍼 모델링 방법에 따른 해석 결과를 비교 분석하여 점성댐퍼임에도 불구하고 실리콘 오일의 비선형 특성을 고려한 해석방법의 타당성을 검토하였다. 이외에도 실제 점성댐퍼가 부착된 축계를 대상으로 작동온도 변화 및 실리콘오일의 경년변화에 따른 점성댐퍼 동특성을 고려한 최적의 추진축계 설계 방안에 대해 검토하였다.
가설 설정
(1) 기본적으로 점성댐퍼의 하우징과 관성링 사이의 좁은틈 사이에는 실리콘 오일로 채워져 있으므로 이 양자간에는 탄성적인 연결이 없다고 가정한다. 하지만 실리콘 오일의 고점도화에 따라 비틀림 강성이 존재하며 이는 댐퍼 작동온도와 주파수에 따라 비선형적으로 변화하는 특성을 가지고 있다.
기본적으로 점성댐퍼의 하우징과 관성링 사이의 좁은 틈 사이에는 실리콘 오일로 채워져 있으므로 이 양자간에는 탄성적인 연결이 없다고 가정한다. 하지만 최근 일부 댐퍼제작업체에서는 동점도가 최소 0.
진동제어를 위한 댐퍼를 설계하기 위해서는 댐퍼를 장착할 주진동계를 등가진동계로 모델링해야 한다. 이때 고무댐퍼 및 점성-스프링댐퍼는 강성계수와 점성감쇠계수를 모두 고려하는 반면 점성댐퍼는 점성감쇠만 있다고 가정하고 해석해 왔다[5][6]. 하지만 S.
제안 방법
다음은 점성댐퍼의 작동온도에 따른 고점도 실리콘 오일의 동특성의 변화가 해당 축계에 미치는 영향을 확인하기 위해 점성댐퍼 작동온도를 45℃ ~ 90℃까지 변화시키면서 축계 비틀림진동 특성을 검토하였다. 여기서 점성댐퍼에 적용된 실리콘 오일의 동특성은 Figure 1에 보이는 바와 같으며, Figure 9는 중간축에 걸리는 부가응력 해석결과이다.
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 점성댐퍼를 엔진 선단에 장착하여 비틀림진동을 제어하였다. Table 3는 이 선박의 축계 설계자가 선정한 점성댐퍼의 요목을 보여주고 있다.
특히나 선박이 동절기나 빙하해역을 항해하고자 하는 경우에는 더욱 심각한 상황에 놓이게 된다. 따라서 중간축에 걸리는 비틀림 부가응력을 낮추기 위해 점성댐퍼 설계 주요파라미터인 점성감쇠계수를 조정하여 검토하였다. 이 결과를 Figure 10에 보인다.
본 논문에서는 비틀림진동 제어를 위해 적용된 점성댐퍼의 동특성 및 성능을 이론적으로 해석하고, 해당축계에 최적 동특성을 갖는 점성댐퍼를 설계하여 비틀림진동 특성을 검토한다. 또한 점성댐퍼 모델링 방법에 따른 해석 결과를 비교 분석하여 점성댐퍼임에도 불구하고 실리콘 오일의 비선형 특성을 고려한 해석방법의 타당성을 검토하였다. 이외에도 실제 점성댐퍼가 부착된 축계를 대상으로 작동온도 변화 및 실리콘오일의 경년변화에 따른 점성댐퍼 동특성을 고려한 최적의 추진축계 설계 방안에 대해 검토하였다.
본 연구에서는 고점도 실리콘 오일이 적용된 점성댐퍼의 동특성을 확인하고, 해당 댐퍼가 장착된 축계의 비틀림진동 특성을 검토한다. 이를 위해 점성댐퍼의 최적 동특성을 이론적으로 해석하는 방법을 검토하였고, 고점도 실리콘 오일로 채워진 점성댐퍼로 해당 축계의 비틀림진동 제어를 하는 경우 댐퍼 작동온도 및 경년변화를 고려한 축계 최적 설계 방안을 제시하였다. 이를 요약하면 다음과 같다.
성능/효과
(3) 고점도 실리콘 오일은 시간이 경과함에 따라 댐퍼 내부에서 발생되는 분진에 의해서 점성 손실이 발생한다. 이는 초기 상태에 비해 비틀림 강성계수와 점성 감쇠 계수를 감소시키며, 이러한 상황은 댐퍼의 작동온도가 상승함에 따라 축에 걸리는 부가응력을 증가시킨다.
(4) 고점도 실리콘 오일로 채워진 점성댐퍼로 축계 비틀림 진동 제어를 하는 경우에는 점성댐퍼의 낮은 작동온도에 따른 실리콘 오일의 동특성 변화와 경년변화에 따른 점성손실의 영향을 고려하여 축계 설계를 하면 해당 축계의 비틀림 부가응력이 효과적으로 제어될 수 있음을 확인하였다.
하지만 실리콘 오일의 고점도화에 따라 비틀림 강성이 존재하며 이는 댐퍼 작동온도와 주파수에 따라 비선형적으로 변화하는 특성을 가지고 있다. 즉, 작동온도가 상승할수록 비틀림 강성계수와 점성감쇠계수는 감소하지만, 진동수가 상승할 경우에는 비틀림 강성계수는 증가하는 반면 점성 감쇠계수는 감소하는 경향이 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고무댐퍼는 어디에 적용되고 있는가?
비틀림진동 댐퍼로는 크게 동흡진기 기능을 갖는 고무댐퍼, 에너지 흡수형의 점성댐퍼, 이들의 기능을 조합시킨 점성-스프링댐퍼가 일반적으로 사용되고 있다. 고무댐퍼는 육상용 및 선박용의 소형 고속기관에 주로 적용되고 있으며, 점성-스프링댐퍼는 중·저속 기관의 비틀림진동 제어에 주로 사용되고 있다. 반면 점성댐퍼는 고속기관부터 대형 저속기관까지 다양하게 적용되고 있다[3][4].
비틀림진동 댐퍼로는 어떤 것들이 사용되고 있는가?
비틀림진동 댐퍼로는 크게 동흡진기 기능을 갖는 고무댐퍼, 에너지 흡수형의 점성댐퍼, 이들의 기능을 조합시킨 점성-스프링댐퍼가 일반적으로 사용되고 있다. 고무댐퍼는 육상용 및 선박용의 소형 고속기관에 주로 적용되고 있으며, 점성-스프링댐퍼는 중·저속 기관의 비틀림진동 제어에 주로 사용되고 있다.
평균유효압력과 최고폭발압력을 꾸준히 증가시켜 온 노력은 어떤 문제점을 발생시키는가?
최근 개발되는 선박용 엔진은 추진효율 향상을 위한 장행정화 및 연료소비율 저감기술이 요구되고 있으며 이에따라 엔진 제조자들은 평균유효압력과 최고폭발압력을 꾸준히 증가시켜 왔다[1]. 하지만 이러한 노력은 비틀림진동기진력을 상승시켜 비틀림 부가응력이 축계의 허용치를 초과하는 문제가 발생하고 있다. 이에 따라 보다 적극적으로 진동을 제어할 수 있는 방법이 요구되고 있으며, 기진력을 흡수할 있는 비틀림진동 댐퍼를 채택하여 비틀림진동을 제어하는 경우가 증가하고 있다[2].
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