50,000 DWT 유조선의 밸러스트 흘수에서 우현 전타시 과도상태가 프로펠러축 거동에 미치는 영향 연구 Effect of Transient Condition on Propeller Shaft Movement during Starboard Turning under Ballast Draught Condition for the 50,000 DWT Oil Tanker원문보기
선박 축계를 구성하는 프로펠러축은 엔진출력, 프로펠러 하중 및 편심추력의 영향으로 인해 거동의 양상이 달라져 선미관 후부베어링의 국부하중 변화를 일으킴으로써 선미관 베어링 손상의 위험을 증가시킨다. 이를 방지하기 위해 수행된 추진축계 정렬연구는 선급강선규칙을 중심으로 주로 축과 지지베어링간의 상대적 경사각과 유막유지를 최적화 하는데 중점을 두어 진행 되어왔다. 그러나 보다 상세한 평가를 통한 추진축계의 안정성 확보를 위해서는 전타와 같은 급격한 선미유동장 변화에 기인한 과도상태를 포함한 동적상태의 고려가 필요하다. 이러한 관점에서, 본 연구는 50,000 DWT 선박을 대상으로 스트레인 게이지법을 이용하여 밸러스트 흘수 상태에서 정격회전수로 운전 중 대표적 동적 과도상태인 우현 전타상태에서의 프로펠러 축 거동이 추진축계에 미치는 영향을 분석하였다. 그 결과 변동된 프로펠러 편심추력은 프로펠러축을 일시적으로 강하게 내려 누르는 힘으로 작용하여 선미관 베어링의 국부하중을 증가시켜 축계 안정성에 부정적 영향을 미침을 증명하였다.
선박 축계를 구성하는 프로펠러축은 엔진출력, 프로펠러 하중 및 편심추력의 영향으로 인해 거동의 양상이 달라져 선미관 후부베어링의 국부하중 변화를 일으킴으로써 선미관 베어링 손상의 위험을 증가시킨다. 이를 방지하기 위해 수행된 추진축계 정렬연구는 선급강선규칙을 중심으로 주로 축과 지지베어링간의 상대적 경사각과 유막유지를 최적화 하는데 중점을 두어 진행 되어왔다. 그러나 보다 상세한 평가를 통한 추진축계의 안정성 확보를 위해서는 전타와 같은 급격한 선미유동장 변화에 기인한 과도상태를 포함한 동적상태의 고려가 필요하다. 이러한 관점에서, 본 연구는 50,000 DWT 선박을 대상으로 스트레인 게이지법을 이용하여 밸러스트 흘수 상태에서 정격회전수로 운전 중 대표적 동적 과도상태인 우현 전타상태에서의 프로펠러 축 거동이 추진축계에 미치는 영향을 분석하였다. 그 결과 변동된 프로펠러 편심추력은 프로펠러축을 일시적으로 강하게 내려 누르는 힘으로 작용하여 선미관 베어링의 국부하중을 증가시켜 축계 안정성에 부정적 영향을 미침을 증명하였다.
Generally, the propeller shaft that constitutes the ship shaft system has different patterns of behavior due to the ef ects of engine power, propeller load and eccentric thrust, which increases the risk of bearing failure by causing local load variations. To prevent this, different studies of the pr...
Generally, the propeller shaft that constitutes the ship shaft system has different patterns of behavior due to the ef ects of engine power, propeller load and eccentric thrust, which increases the risk of bearing failure by causing local load variations. To prevent this, different studies of the propulsion shaft system have been conducted focused the relative inclination angle and oil film retention between the shaft and the support bearing, mainly with respect to the Rules for the Classification of Steel Ships. However, in order to secure the stability of the propulsion shaft via a more detailed evaluation, it is necessary to consider dynamic conditions, including the transient state due to sudden change in the stern wakefield. In this context, a 50,000 DWT vessel was analyzed using the strain gauge method, and the effects of propeller shaft movement were analyzed on the starboard rudder turn which is a typical transient state during normal continuous rate(NCR) operation in ballast draught condition. Analysis results confirm that the changed propeller eccentric thrust acts as a force that temporarily pushes down the shaft to increase the local load of the stern tube bearing and negatively affects the stability of the shaft system.
Generally, the propeller shaft that constitutes the ship shaft system has different patterns of behavior due to the ef ects of engine power, propeller load and eccentric thrust, which increases the risk of bearing failure by causing local load variations. To prevent this, different studies of the propulsion shaft system have been conducted focused the relative inclination angle and oil film retention between the shaft and the support bearing, mainly with respect to the Rules for the Classification of Steel Ships. However, in order to secure the stability of the propulsion shaft via a more detailed evaluation, it is necessary to consider dynamic conditions, including the transient state due to sudden change in the stern wakefield. In this context, a 50,000 DWT vessel was analyzed using the strain gauge method, and the effects of propeller shaft movement were analyzed on the starboard rudder turn which is a typical transient state during normal continuous rate(NCR) operation in ballast draught condition. Analysis results confirm that the changed propeller eccentric thrust acts as a force that temporarily pushes down the shaft to increase the local load of the stern tube bearing and negatively affects the stability of the shaft system.
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문제 정의
그러나 아직까지는 선박의 프로펠러 추력이 선박 추진축계에 미치는 영향을 모든 선종에 일괄적으로 적용할 수 없는 한계가 있으므로 선행연구들을 통해 강조된 바(Lee, 2017; 2018)와 같이 선종별 다양한 사례를 기반으로 향후 통계적인 분석을 수행할 수 있을 기반을 마련해 나가는 것이 중요하다. 따라서 본 연구에서는 50,000톤급 선박을 대상으로 밸러스트 흘수 상태에서 우현 전타(starboard turning) 시 프로펠러 편심추력이 프로펠러축 거동에 미치는 영향을 검토하고자 한다.
본 연구에서는 스트레인게이지 법을 적용, 50,000톤급 유조선을 대상으로 대표적 과도상태인 우현 전타 조건에서 프로펠러 편심추력이 축 거동에 미치는 영향을 검토하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
가설 설정
5 %)에서는 좌하방으로 이동하고 그 이상의 엔진부하(85 %, MCR)에서는 오히려 25 %의 근방으로 복귀하고 있음을 알 수 있었다. 스트레인게이지는 선미관 선수 seal 위치에 근접 설치되어 있고 프로펠러축의 프로펠러와 게이지 사이의 거리는 변형이 없는 직선보로 가정해 보면 프로펠러의 운동방향은 스트레인 게이지 위치의 축 운동방향과 반대로 됨을 추론할 수 있다. 즉, 25 %부터 NCR 조건까지는 축을 들어올리는 효과로 선미관의 지지하중을 완화시켜주는 방향으로 작용한다.
제안 방법
다만, 본 시험의 목적이 조타장치의 능력 (rudder torque capability) 검증에 관한 사항이 아닌 선박의 직진 시 대비 우현 전타시 선미 유동장(wakefield) 변화에 기인한 과도상태가 선박 추진축계에 미치는 영향을 분석하는데 있으므로 Table 3 및 Fig. 3에서와 같이 직진 시(타각 0°) 우현 전타(12°)를 수행하고 선박의 항로가 전타 방향으로 90° 변경될 때 까지를 시험조건으로 설정하였다.
11에 궤도선도(orbit)로 나타내었다. 또한 고찰을 위해 엔진 부하별로 추출한 궤도선도의 평균값을 함께 도시하였다.
8에서는 Table 3의 Test#1에 따른 NCR, Test#2에 따른 우현 전타시(starboard turn) 계측된 스트레인 게이지 전방향(synthesized) 파형신호를 회전각 기준으로 나타내었다. 또한 명확한 선도의 취득을 위해 원신호의 노이즈를 신호처리(FFT filter)를 통해 제거하였다.
스트레인 게이지는 TML(tokyo sokki kenkyjo)사의 WFLA-3-11-L1을 사용하였으며 하프 휘트스톤 브릿지(half wheatstone bridge) 방식으로 구성하였고 축의 상단과 하단에 180도 간격을 두고 각 1조씩 부착하였다. 또한 Pepperl+Fuchs사의 레이저센서를 부착하여 축의 회전속도를 축 회전각 기반 선도로 나타낼 수 있도록 하였으며 측정을 위한 텔레메트리 장치는 Manner사의 ‘Sensor telemetrie’ 모델을 사용하였다.
이론/모형
대상선박의 시험조건에 관한 근거는 SOLAS(해상인명안전협약)(IMO, 2014) II-1장 제 29규칙 3항(rudder test)을 기반으로 설정하였다. 다만, 본 시험의 목적이 조타장치의 능력 (rudder torque capability) 검증에 관한 사항이 아닌 선박의 직진 시 대비 우현 전타시 선미 유동장(wakefield) 변화에 기인한 과도상태가 선박 추진축계에 미치는 영향을 분석하는데 있으므로 Table 3 및 Fig.
또한 Pepperl+Fuchs사의 레이저센서를 부착하여 축의 회전속도를 축 회전각 기반 선도로 나타낼 수 있도록 하였으며 측정을 위한 텔레메트리 장치는 Manner사의 ‘Sensor telemetrie’ 모델을 사용하였다.
성능/효과
(1) 프로펠러 추력변동에 의한 축 거동 변화의 양상은 준정적 상태에서의 통상해석과는 다른 양상이 나타날 수 있음을 확인하였다.
(2) 엔진 부하에 따른 프로펠러축의 이동방향은 엔진 부하 증가에 비례하지 않으며, NCR 조건일 때 선미관에서 축을 들어올리는 효과가 최대가 되고 그 이상의 부하에서는 오히려 효과가 감소하는 것을 확인하였다.
(3) 우현 전타시의 과도상태가 프로펠러축에 미치는 영향은 엔진부하 변동에 따른 영향보다 크며, 변동된 프로펠러의 편심추력이 일시적으로 강하게 내려 누르는 힘으로 작용 하여 선미관 베어링의 국부하중을 증가시켜 축계 안정성에 부정적 영향을 미침을 증명하였다.
관찰 결과, 전반적으로 위상이 일정한 정현파 형태의 진동패턴을 보였으며, 우현 전타시 진폭과 rpm의 변화가 나타나고 있음이 보이는데 이는 선미 유동장의 변화에 기인한 것으로 판단된다. Fig.
궤적의 평균값을 통해 엔진부하 변동에 따른 축 거동 변화가 명확히 식별된다. 일반적으로 준정적 상태계산 시 엔진출력이 증가(25 % ~ MCR)함에 따라 축 거동이 비례해서 나타난다고 가정하나 계측결과는 평균점이 엔진부하 25 %, NCR(69.5 %)에서는 좌하방으로 이동하고 그 이상의 엔진부하(85 %, MCR)에서는 오히려 25 %의 근방으로 복귀하고 있음을 알 수 있었다. 스트레인게이지는 선미관 선수 seal 위치에 근접 설치되어 있고 프로펠러축의 프로펠러와 게이지 사이의 거리는 변형이 없는 직선보로 가정해 보면 프로펠러의 운동방향은 스트레인 게이지 위치의 축 운동방향과 반대로 됨을 추론할 수 있다.
그러나 그 이상의 엔진부하에서는 축을 내려누르는 효과로 선미관 베어링의 지지하중을 증가시는 방향으로 작용한다. 한편, 우현 전타시에는 축 거동 변화가 전술한 엔진부하 변동에 따른 영향보다 더 크게 나타나고 있음을 확인하였는데, NCR 조건대비 축을 선미관 베어링으로부터 일시적으로 강하게 내려 누르는 힘으로 작용하여 축계안정성에 부정적 영향을 미칠 것으로 판단되었다. 대상선박은 선미관 베어링 사고가 발생한 선박의 동형선이며 본 계측절차가 사고당시 상황과도 깊은 연관성을 가지고 있는 바, 본 연구결과는 향후 유사 선박의 운항상 안전지침을 마련하는데 실용적인 지침을 제공할 수 있을 것으로 판단한다.
후속연구
대상선박은 선미관 베어링 사고가 발생한 선박의 동형선이며 본 계측절차가 사고당시 상황과도 깊은 연관성을 가지고 있는 바, 본 연구결과는 향후 유사 선박의 운항상 안전지침을 마련하는데 실용적인 지침을 제공할 수 있을 것으로 판단한다. 그러나 서론에 기술한 바와 같이 본 연구는 본 선박의 우현 전타 조건에 국한되어 수행된 바, 향후 다양한 선박의 사례를 통해 프로펠러 편심추력이 추진축계 안정성에 미치는 영향과 그에 따른 실용적 지침 마련을 위한 후속 연구가 필요하다.
다음으로 굽힘 모멘트를 궤도선도(orbit plot)로 나타내기 위해서는 스트레인 게이지의 합성신호(synthesized signal)를 수직 및 수평성분으로 분리하는 것이 필요하며 파형의 특이점을 보다 용이하게 관찰하기 위하여 시간기반(time domain) 신호를 축 회전각 기반신호(angle domain)로 변환하는 작업 또한 필요하다. 시간기반 신호는 레이저 센서로 측정된 tacho 신호를 통해 다음 변위신호 수신 시까지의 시간을 식 (7)에 따라 축 회전수로 변환할 수 있다.
한편, 우현 전타시에는 축 거동 변화가 전술한 엔진부하 변동에 따른 영향보다 더 크게 나타나고 있음을 확인하였는데, NCR 조건대비 축을 선미관 베어링으로부터 일시적으로 강하게 내려 누르는 힘으로 작용하여 축계안정성에 부정적 영향을 미칠 것으로 판단되었다. 대상선박은 선미관 베어링 사고가 발생한 선박의 동형선이며 본 계측절차가 사고당시 상황과도 깊은 연관성을 가지고 있는 바, 본 연구결과는 향후 유사 선박의 운항상 안전지침을 마련하는데 실용적인 지침을 제공할 수 있을 것으로 판단한다. 그러나 서론에 기술한 바와 같이 본 연구는 본 선박의 우현 전타 조건에 국한되어 수행된 바, 향후 다양한 선박의 사례를 통해 프로펠러 편심추력이 추진축계 안정성에 미치는 영향과 그에 따른 실용적 지침 마련을 위한 후속 연구가 필요하다.
따라서 이에 대한 대체방법으로 스트레인 게이지를 기관실 내에서 프로펠러에 가장 가까운 곳에 설치하여 간접 분석을 수행하는 것이 합리적이라 할 수 있는데 이 방법은 전술된 직접계측법과 같이 축의 변위성분은 알 수 없지만 응력(bending stress)과 모멘트(bending moment)성분을 이용하여, 동적상태에서의 축의 거동양상을 비교적 정확히 예측할 수있어 실용적 대안으로 활용이 가능하다. 이에 따른 원신호 처리절차는 다음과 같다.
이러한 현상이 그동안 준정적 상태에서의 축계정렬 시에는 크게 고려되지 않았던 점과 본 선박의 우현전타 조건에 국한되어 수행된 점의 한계는 보완할 필요가 있으며 향후 다양한 선박의 사례를 통해 추진축계 안정성 확보를 위한 후속연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
선박 축계를 구성하는 프로펠러축의 특징은 무엇인가?
선박 축계를 구성하는 프로펠러축은 엔진출력, 프로펠러 하중 및 편심추력의 영향으로 인해 거동의 양상이 달라져 선미관 후부베어링의 국부하중 변화를 일으킴으로써 선미관 베어링 손상의 위험을 증가시킨다. 이를 방지하기 위해 수행된 추진축계 정렬연구는 선급강선규칙을 중심으로 주로 축과 지지베어링간의 상대적 경사각과 유막유지를 최적화 하는데 중점을 두어 진행 되어왔다.
선미관 베어링 손상의 위험을 방지하기 위한 연구는 어떻게 진행되어 왔는가?
선박 축계를 구성하는 프로펠러축은 엔진출력, 프로펠러 하중 및 편심추력의 영향으로 인해 거동의 양상이 달라져 선미관 후부베어링의 국부하중 변화를 일으킴으로써 선미관 베어링 손상의 위험을 증가시킨다. 이를 방지하기 위해 수행된 추진축계 정렬연구는 선급강선규칙을 중심으로 주로 축과 지지베어링간의 상대적 경사각과 유막유지를 최적화 하는데 중점을 두어 진행 되어왔다. 그러나 보다 상세한 평가를 통한 추진축계의 안정성 확보를 위해서는 전타와 같은 급격한 선미유동장 변화에 기인한 과도상태를 포함한 동적상태의 고려가 필요하다.
준정적 상태란 무엇인가?
그러나, 상기와 같은 배경에서 수행된 연구는 준정적 (quasi-static) 상태에서 대부분 수행되었다. 준정적 상태란 계산은 정적(static)인 상태에서 수행하되 선박의 계획 최대 속력에서 발생하는 프로펠러 편심추력값을 정적계산에 반영 하는 연구방식을 말한다. 이와 같은 방식은 계산이 비교적 간략하므로 시간과 비용을 저감할 수 있고, 추진축의 예상 변형량을 용이하게 추정할 수 있는 점이 장점이지만 수직, 수평성분만 추정이 가능하여 여전히 실제 동적상태에서 발생할 수 있는 전방위적 잠재 위험요소는 식별할 수 없다는 데에 한계가 있다.
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