갭색법(gap & sag method)은 선박 건조과정에서 축을 조립하기 전 최종적으로 축이 축계정렬 설계치와 동일한 위치에 거치되었는지의 여부를 확인하기 위해 사용되고 있는 방법이며, 조립 전 프로펠러축을 기준축으로 하여 양 축의 플랜지에서 축 자중에 의해 발생하는 갭색값을 통해 나머지 축계의 위치를 순차적으로 확정해 나간다. 만일 설계치와 다르게 기준축이 거치되는 경우 연쇄적으로 나머지 축의 거치에 영향을 주게 된다. 또한, 축 조립 후 검증과정에서 측정된 베어링 반력이 설령 설계치를 만족하더라도 선미관 후부측에서의 프로펠러축과 베어링간 상대적경사각을 추정할 수 없게 됨으로써 결과적으로 축계의 안정성에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 본 연구에서는 실제 선미관 베어링 발열 및 개방검사 사례를 통해 선미관 베어링 유효지지점에 관한 이론계산 및 실측치분석 연구를 수행하고 이를 바탕으로 축계 정렬오차를 최소화하기 위한 축계 시공방법을 제안하였다.
갭색법(gap & sag method)은 선박 건조과정에서 축을 조립하기 전 최종적으로 축이 축계정렬 설계치와 동일한 위치에 거치되었는지의 여부를 확인하기 위해 사용되고 있는 방법이며, 조립 전 프로펠러축을 기준축으로 하여 양 축의 플랜지에서 축 자중에 의해 발생하는 갭색값을 통해 나머지 축계의 위치를 순차적으로 확정해 나간다. 만일 설계치와 다르게 기준축이 거치되는 경우 연쇄적으로 나머지 축의 거치에 영향을 주게 된다. 또한, 축 조립 후 검증과정에서 측정된 베어링 반력이 설령 설계치를 만족하더라도 선미관 후부측에서의 프로펠러축과 베어링간 상대적경사각을 추정할 수 없게 됨으로써 결과적으로 축계의 안정성에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 본 연구에서는 실제 선미관 베어링 발열 및 개방검사 사례를 통해 선미관 베어링 유효지지점에 관한 이론계산 및 실측치분석 연구를 수행하고 이를 바탕으로 축계 정렬오차를 최소화하기 위한 축계 시공방법을 제안하였다.
Generally, the gap-and-sag method is used in the shipbuilding stage before coupling the shafts to check whether they are installed at the same position as designed and derived from shaft alignment calculation. The primary installed propeller shaft becomes a reference point, the position of the remai...
Generally, the gap-and-sag method is used in the shipbuilding stage before coupling the shafts to check whether they are installed at the same position as designed and derived from shaft alignment calculation. The primary installed propeller shaft becomes a reference point, the position of the remaining shafts are sequentially determined through the gap-and-sag value derived from the deflection and deflection angle at each shaft flange by own weight. If the reference point varies against the design value, it would have a series of effects on the installation of the remaining shafts. Moreover, after coupling the shafts, even if the bearing reaction forces derived from measurement are satisfied by the allowable limit range, consequently it might have an adverse effect on the stability of the shafting system by not being able to estimate the relative slope angle between the propeller shaft and the after-stern tube bearing. In this paper, to deal with above-mentioned phenomenon, the theoretical calculations related to designing an effective support point of the aft stern tube bearing and analysis by measurement is conducted through a case of open-up inspections. Based on this, a shaft installation guideline is proposed to minimize the misalignment related to preventing wiping damage of the after-stern tube bearing.
Generally, the gap-and-sag method is used in the shipbuilding stage before coupling the shafts to check whether they are installed at the same position as designed and derived from shaft alignment calculation. The primary installed propeller shaft becomes a reference point, the position of the remaining shafts are sequentially determined through the gap-and-sag value derived from the deflection and deflection angle at each shaft flange by own weight. If the reference point varies against the design value, it would have a series of effects on the installation of the remaining shafts. Moreover, after coupling the shafts, even if the bearing reaction forces derived from measurement are satisfied by the allowable limit range, consequently it might have an adverse effect on the stability of the shafting system by not being able to estimate the relative slope angle between the propeller shaft and the after-stern tube bearing. In this paper, to deal with above-mentioned phenomenon, the theoretical calculations related to designing an effective support point of the aft stern tube bearing and analysis by measurement is conducted through a case of open-up inspections. Based on this, a shaft installation guideline is proposed to minimize the misalignment related to preventing wiping damage of the after-stern tube bearing.
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문제 정의
본 연구에서는 실제 선미관 베어링 발열현상의 원인을 고찰하기 위하여 선미관 베어링 가공경사 및 유효지지점 설정에 따른 상세접촉해석 및 실측치 분석을 수행하였고 이를 바탕으로 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
다음으로 설치상의 적합성 검토를 위하여 축 개방 후 Fig. 6과 같이 축계를 지지하고 있던 베어링의 높이(offset)을 계측하여 설치당시의 축선(shaft line deflection curve)상태로 역산하여 설계치 축선과 함께 나타내었다.
따라서 상기와 같은 검토결과에 따라 설계 및 시공시 축계 정렬 오차를 최소화하기 위한 방안을 모색하기 위하여 LS-DYNA 971 프로그램을 사용, Fig. 8과 같이 축과 베어링을 모델링 후 프로펠러축 거치 과정에서 발생하는 축과 베어링의 접촉 해석을 수행하였다. 물성치는 Table 5와 같으며, 본 해석에서는 implicit 해석방법을 적용하였다.
먼저, 설계상 적합성 검토를 위해 Fig. 5와 같이 조선소와 별도의 축계정렬 프로그램(Korean Register, 2013)을 사용하여 베어링반력 계산을 수행하고 그 결과를 Table 3에서와 같이 나타내었다.
4에서와 같이 선미관 베어링 발열현상이 나타났다. 뿐만 아니라, 대상 선박의 동형선에도 인도 후 1년이 경과하기 이전에 대상선박과 동일한 유형의 선미관 베어링 발열현상이 나타나고 있었으므로 이의 원인분석을 위하여 설계상, 설치상 적합성 검토를 수행하였다.
설령 축 조립 완료 후 잭업법2)을 통한 검증과정에서 측정된 베어링의 반력이 설계치를 만족하더라도 선미관 후부측에서의 축과 베어링간의 상대적 경사각의 변화를 추정할 수 없게 됨으로써 결과적으로 축계의 안정성에 부정적인 영향을 미치게 된다. 상기 배경을 바탕으로 본 연구에서는 실제 선미관 베어링 발열현상에 따른 개방검사 사례를 통해 이론검토 단계에서의 선미관 베어링 유효지지점에 관한 계산 및 설치작업 단계에서의 실측치 분석을 수행하였고 이를 통해 축계정렬 오차를 최소화하기 위한 축계 시공방법을 제안하였다.
상기와 같은 조건으로 축 거치 상황과 동일하게 프로펠러와 프로펠러축의 자중만 고려된 상태에서 편심을 보상하기 위한 잭다운(jack down) 힘을 프로펠러축 플랜지에 점진적으로 49 kN까지 가하는 것으로 설정하여 접촉해석을 수행하였다. 잭다운 힘이란, 갭색법으로 축을 설치하기 전 프로펠러축이 선미관 선수 베어링 하부(선미관 선수베어링이 없는 경우 이와 동등한 가상의 위치)에 접촉하도록 아랫방향으로 프로펠러에 가하는 힘을 말한다.
8과 같이 축과 베어링을 모델링 후 프로펠러축 거치 과정에서 발생하는 축과 베어링의 접촉 해석을 수행하였다. 물성치는 Table 5와 같으며, 본 해석에서는 implicit 해석방법을 적용하였다.l
성능/효과
(1) 축 조립 후 베어링 반력 계측을 통한 기존의 검증과정은 축선의 변화를 정확히 추정할 수 없는 한계가 있음을 확인하였다. 또한, 프로펠러 축이 잭다운 힘으로 정위치에 놓이지 않은 상태에서 갭색값을 이용하여 나머지 축을 거치하게 되면 중간축/주기관 베어링 위치가 연쇄적으로 상승배치될 수 있음을 확인하였다.
(2) 유한요소법에 의한 상세접촉 수행 결과 고전적 축계정렬 시에는 양끝단 균일한 하중분포가 되도록 양단을 유효지지점으로 설정하는 것이 축계의 안정성 확보를 위한 합리적 접근방법이 될 수 있음을 확인하였다.
(3) 축선 추정결과를 바탕으로 잭다운 힘을 주었을 때 프로펠러축이 설계치보다 우상향 배치된 원인은 베어링 가공 경사 및 베어링 압입후 변경되는 가공경사를 반영하지 않은 데서 기인한 것으로 판단되었다.
이는 선미관 베어링 가공경사의 반영여부가 축선 변화에 직접적으로 관련된 것임을 알 수 있다. 0.3 mrad의 단일 경사값은 1 m당 0.3 mm의 경사가 있음을 의미하며 이를 대상선박의 프로펠러축 길이(6682 mm)로 단순 비례환산 시 그 값은 약 2 mm로서 베어링 경사가 없는 경우에 비해 프로펠러 축 플랜지가 상방에 놓여지게 되는 상황이 됨을 알 수 있다. 따라서 프로펠러축을 정위치에 거치하기 위해서는 C1조건에서 C2조건보다 더 큰 힘의 잭다운 힘을 가해야 함을 의미한다.
여기서 기준선(reference line)은 축 설치의 기준이 되는 선이며 선미관 후단 중심을 기준으로 기관실 측으로 평행하게 그은 가상의 선을 의미한다. 검토결과 기준선 대비 중간축 베어링은 기준선(reference line) 하방에 위치하여야 하지만 실제로는 상방에 위치하였고, 주기관 베어링들은 기준선 대비 4.7 mm 하방에 일직선으로 위치하여야 하지만 0.95 mm 하방을 시작으로 선수단 베어링까지 우상향으로 경사지게(tilt) 배치되어 있었다. 필요에 따라 주기관 베어링은 통상 설계치 대비 다음과 같은 기술적인 이유로 주기관 베어링간 안정적인 부하분담을 위해 약간의 경사(tilt)를 두어 거치시킬 수 있다(Lee, 2016b).
일반적으로 베어링 발열현상은 베어링의 반력이 허용치를 초과하는 경우에 나타나는 일반적인 현상이다. 검토결과, 축계 지지베어링들의 반력은 동일한 수준으로 나타나 계산상 특이점은 발견할 수 없었다.
대상 선박의 경우 베어링 반력과 투영면적에 따른 면압은 큰 차이가 없었지만 선급 규칙을 기준으로 볼 때 선미관 베어링 유효지지점에서의 상대적 경사각이 0.637 mrad으로 기준치인 0.3 mrad을 크게 상회하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 특별한 해상 조건에 놓였을 때 선미관 베어링 후부에 하중이 집중됨으로서 손상이 발생할 수 있는 경우의 수가 크게 됨을 의미한다.
여기서, 추가의 잭다운 힘이 가해진 경우 프로펠러축 플랜지의 처짐량과 처짐각이 잭다운 힘에 비례하여 증가하므로 설계치 갭색값을 수정없이 이용할 경우 축선은 오히려 설계치 축선 대비 우 하향 배치 될 수 있음을 유의하여야 한다. 또한 축선 간의 편차 발생 원인을 조사한 결과 이는 선미관 베어링이 선미관에 압입된 후 베어링 가공경사각이 압입 전보다 0.06 mrad 증가됨에 따라 프로펠러축이 추정치보다 상방에 거치됨에 따른 것으로 판단된다.
(1) 축 조립 후 베어링 반력 계측을 통한 기존의 검증과정은 축선의 변화를 정확히 추정할 수 없는 한계가 있음을 확인하였다. 또한, 프로펠러 축이 잭다운 힘으로 정위치에 놓이지 않은 상태에서 갭색값을 이용하여 나머지 축을 거치하게 되면 중간축/주기관 베어링 위치가 연쇄적으로 상승배치될 수 있음을 확인하였다.
먼저 선미관 및 중간축 베어링에서는 축선의 변화가 베어링 반력에 미치는 영향은 크지 않은 것으로 나타났다. 그러나 주기관 베어링에서는 축선의 변화가 베어링 반력에 미치는 영향이 크게 나타나는 것을 볼 수 있다.
해석결과 C1 및 C2 조건 모두에서 잭다운을 시작하기 전에는 프로펠러 자중으로 인하여 베어링 선미단에 하중이 집중된 상태가 되며 잭다운 힘이 점차 가해짐에 따라 베어링 양단으로 하중이 분산되다가 49 kN까지 모두 가했을 경우 베어링 선수단으로 하중이 완전히 이동한 것을 볼 수 있다. 따라서 베어링의 건전성 확보 측면에서는 Fig.
후속연구
(4) 설계/생산의 상호보완을 통해 추후 프로펠러축가 중간축의 정위치를 확보하기 위한 설계/시공방법의 개선이 필요해 보이며 이를 위하여 축계시공시 프로펠러축 FWD seal box위치 등에서 프로펠러축의 상하/좌우 정위치 여부를 확인한다면 축계정렬 오차발생을 저감 할 수 있을 것으로 판단된다.
이를 미루어 볼 때 유효지지점 설정시 적절한 하중분담을 위한 잭다운 힘을 계산하는 것 이외에도 선미관 베어링 경사를 계산에 반영하는 것이 중요한 인자로 판단된다. 또한 설계와 설치간 오차가 발생 할 수 있으므로 축계 시공시 이의 상호 보완을 위해 프로펠러축 FWD seal box위치 등에서 프로펠러축의 거치위치를 확인하는 절차를 수립한다면 축계의 정렬오차를 최소화 할 수 있을 것이라 판단된다.
본 연구에서 도출된 결과를 바탕으로 베어링 유효지지점이 추진축계 안정성에 미치는 영향과 그에 따른 실용적 지침을 마련하는 것은 향후의 연구과제로 남는다.
11과 같이 축과 베어링의 접촉 면적이 최대가 되면서 베어링 양단에 하중이 분산되는 형태를 구현하는 것이 이상적이라고 판단된다. 본 접촉해석은 대상선박에 대하여 수행한 결과이므로 모든 선박으로의 적용을 위해서는 추가의 데이터 확보가 필요하지만 전반적인 해석결과의 경향을 볼 때 고전적 축계정렬 시에는 베어링 양단을 유효지지점으로 보고 지지점 양단에서 균일한 하중을 분담하는 위치까지 축을 이동시키는데 소요되는 최적의 잭다운 힘을 산출하는 것이 합리적 접근방법이 될 것이라 판단된다. 또한 C1 조건에서 초기 조선소 계산과 동일하게 49kN의 잭다운 힘을 가했을 때 거치되는 프로펠러축을 기준으로 하여 갭색법으로 나머지 축을 거치한 상태의 축선을 추정(predict)하고 이를 설치당시의 축선(measured) 및 설계치 축선(designed)과 함께 Fig.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
선박 건조단계에서 추진축계정렬 작업이 갖는 중요한 의의는 무엇인가?
선박 건조단계에서 추진축계정렬 작업은 축계를 지지하고 있는 베어링의 적절한 하중 배분을 통해 축계의 안정성을 확보하는 차원에서 중요한 의의를 가진다(Jeon, 1986). 이러한 작업에 이상이 발생하는 경우 베어링 지지하중에 부정적인 변화를 초래하여 특정 베어링의 이상마모, 과부하, 무부하 상태, 또는 과열, 감속기어의 마모, 파손 등의 문제가 발생할 수 있다.
갭색법이란 무엇인가?
갭색법(gap & sag method)은 선박 건조과정에서 축을 조립하기 전 최종적으로 축이 축계정렬 설계치와 동일한 위치에 거치되었는지의 여부를 확인하기 위해 사용되고 있는 방법이며, 조립 전 프로펠러축을 기준축으로 하여 양 축의 플랜지에서 축 자중에 의해 발생하는 갭색값을 통해 나머지 축계의 위치를 순차적으로 확정해 나간다. 만일 설계치와 다르게 기준축이 거치되는 경우 연쇄적으로 나머지 축의 거치에 영향을 주게 된다.
선박 건조단계에서 추진축계정렬 작업에 이상이 발생하는 경우 어떤 문제가 발생할 수 있는가?
선박 건조단계에서 추진축계정렬 작업은 축계를 지지하고 있는 베어링의 적절한 하중 배분을 통해 축계의 안정성을 확보하는 차원에서 중요한 의의를 가진다(Jeon, 1986). 이러한 작업에 이상이 발생하는 경우 베어링 지지하중에 부정적인 변화를 초래하여 특정 베어링의 이상마모, 과부하, 무부하 상태, 또는 과열, 감속기어의 마모, 파손 등의 문제가 발생할 수 있다. 추진축계 배치에 관한 연구는 1950년대 후반 미국 해군 함정에서 그 중요성이 인식된 이후 1960년대 후반부터 1970년대 초반에 걸친 연구결과를 통해 개개의 베어링에 대한 최적의 위치를 결정하는 주요 이론이 정립되었다(Rudolph, 1959; Anderson and Zrodowski, 1959; Lehr and Parker, 1961; Mann, 1965).
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