[논문]상반회전 프로펠러 축계 실용화를 위한 기초 연구

신상훈; 이승민; 임채환

doi:10.5762/kais.2020.21.7.391

상반회전 프로펠러 축계 실용화를 위한 기초 연구
A Basic Study for the Application of the Shafting System for the Contra-Rotating Propeller 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.7, 2020년, pp.391 - 398

신상훈 (경운대학교 항공기계공학과) , 이승민 (경운대학교 항공기계공학과) , 임채환 (경운대학교 항공기계공학과)

초록
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프로펠러에 의해 생성된 회전 유동에 의한 손실된 에너지를 일부라도 회복시킨다면 추진효율을 증가시킬 수 있고 선박의 운항에 필요한 연료 소모를 줄일 수 있다. 이러한 목적을 위해 설치되는 장비를 에너지저감 장치라고 하며, 이 중 추진효율을 가장 증대시키는 장치 중 하나가 상반회전 프로펠러 시스템이다. 대형 선박에 상반회전 프로펠러를 장착하기 위해서 우선 해결해야 할 과제는 저널 베어링에 발생하는 평균 압력이 선급 요구 조건을 만족하는 것인데, 국내에서는 현재 이 단계를 극복하지 못해 실용화가 이루어지지 않고 있다. 그 다음 단계는 국부 압력도 낮추어 신뢰성을 높이는 것이다. 본 연구에서는 첫 단계인 평균 압력 문제를 해결하기 위해 상반회전 프로펠러 장착 대상 선박으로 축계의 중량을 줄일 수 있는 선미 형상이 짧은 정유운반선을 선정하였고, 이에 적합한 축계 설계안을 제시하였다. 제시안에 대해 축계 해석을 수행한 결과, 선박에 주로 사용되는 저널 베어링 라이닝 재질(화이트메탈)에 대한 선급 요구 설계기준인 평균 면압 0.8 MPa(8 bar)을 만족함을 확인하였으며, 다음 단계인 국부 압력 감소의 필요성도 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

If the lost energy produced by a propeller can be partially recovered, the propulsive efficiency can be increased, and the fuel consumption reduced. The devices installed for this purpose are called Energy Saving Devices, of which the Contra-Rotating Propeller system is one of the most effective devices. The first problem to be solved to install the Contra-Rotating Propeller system on a large ship is that the mean pressure generated in the journal bearing needs to meet the design criteria of the classifications. In Korea, however, the practical use is being delayed because it cannot overcome this step. The next step is to lower local pressure to increase the reliability. In this study, to solve the mean pressure problem as the first step of practical use, a product carrier with a short stern shape was selected to reduce the weight of the shafting system, and a suitable shafting-system design plan was proposed. Shaft analysis confirmed that the mean pressure of 0.8 MPa (8 bar), which is a design criterion of the classifications for a journal bearing lining material (white metal), was satisfied. In addition, the necessity of reducing the local pressure was also confirmed.

주제어

표/그림 (20)

그림 Fig. 1. Propeller efficiency improvement of CRP type (quoted from MAST Europe 2009)
그림 Fig. 2. Shafting systems for analysis
그림 Fig. 3. FE model for the shafting system
그림 Fig. 4. Position of propellers
표 Table 1. Information of designed contra-rotating propeller
그림 Fig. 5. Propeller forces
그림 Fig. 6. Position of the thrust eccentricity
표 Table 2. Material density in this study
표 Table 3. Non-dimensional forces for six degrees of freedom
표 Table 4. Calculated thrust eccentricity
그림 Fig. 7. Propeller loads including the propeller weight
그림 Fig. 8. Main engine loading
그림 Fig. 9. Projected area for calculating of mean pressure
표 Table 5. Propeller forces in this study
그림 Fig. 10. Section definition for the journal bearing of interest
그림 Fig. 11. Reaction forces in the No. 1 journal bearing
그림 Fig. 12. Reaction forces in the No. 2 journal bearing
그림 Fig. 13. Pressure distribution in the No. 1 journal bearing
표 Table 6. Bearing reaction forces and mean pressure
그림 Fig. 14. Pressure distribution in the No. 2 journal bearing

AI 본문요약
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문제 정의

2 베어링에 비해 고정성이 약하고 유연하지만 무거운 구조를 지지하기 때문이다. 따라서 두 베어링에 대한 반력해석을 수행하여 CRP 시스템을 대형 선박에 장착할 수 있는지를 확인하고자 한다.
본 연구에서는 대형 선박 중 비교적 선미 길이가 짧은 선형을 선정하여 상반회전 프로펠러 축계를 지지하는 저널 베어링에 대한 선급승인 가능성을 검토하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
또한, Ko의 모델링 및 해석 방법을 적용하여 축과 프로펠러 하중 이외에도 추력 편심에 의해 발생하는 하중을 고려한 축계해석이 수행되었다. 본 연구의 목적은 축계해석을 수행하여 선박에 주로 사용되는 저널 베어링 라이닝 재질(화이트메탈)에 대한 선급 요구 설계기준을 만족하는지를 확인하여 실선 장착의 가능성을 검토하는 것이다.
이번에는 국부 압력을 검토해보았다. 국부압력이 높으면 발열사고[19]의 가능성이 있어 일부 조선소에서는 축과 베어링의 접촉 부분에 대한 압력 분포를 반 타원 형상의 압력 분포로 가정한 Herzian 접촉조건을 이용하여 국부압력이 10 MPa(100 bar) 이내가 되도록 축계 설계를 수행하고 있다[14].
컨테이너선과 같은 선미의 형상이 긴 고속선에는 무거운 구조물인 CRP 축계 시스템 또한 길어져야 하므로 이를 지지하는 저널 베어링에 큰 무리가 갈 것으로 추정되어, 본 연구에서는 대형 선박 중 비교적 선미 길이가 짧은 선형을 선정하여 축계해석을 통해 CRP 축계 시스템의 장착 가능성을 검토하였다. 또한, Ko의 모델링 및 해석 방법을 적용하여 축과 프로펠러 하중 이외에도 추력 편심에 의해 발생하는 하중을 고려한 축계해석이 수행되었다.

제안 방법

5에 나타낸 6자유도의 힘으로 변환되고, 그 중 수평방향의 모멘트 (M_y)와 수직방향의 힘(F_z)이 선미에 있는 저널 베어링에 큰 영향을 끼친다. 3차원 반류분포 계산을 위해 CFD 해석 프로그램인 FLUENT가 사용되었으며, 6자유도 힘은 H 중공업 프로펠러 성능 해석 프로그램(MPUF3A)으로 도출하였다. 도출된 힘의 무차원 값을 Table 3에 나타내었다.
Table 2는 축계의 위치에 따라 해수 및 오일의 부력을 고려하기 위한 밀도 정보를 보여준다. 또한 해석 시사용한 경계조건은 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 외축의 저널 베어링인 No.2 베어링, 중간축 베어링, 엔진 베어링의 끝단에 고정 조건(fixed condition)을 적용하였다.
컨테이너선과 같은 선미의 형상이 긴 고속선에는 무거운 구조물인 CRP 축계 시스템 또한 길어져야 하므로 이를 지지하는 저널 베어링에 큰 무리가 갈 것으로 추정되어, 본 연구에서는 대형 선박 중 비교적 선미 길이가 짧은 선형을 선정하여 축계해석을 통해 CRP 축계 시스템의 장착 가능성을 검토하였다. 또한, Ko의 모델링 및 해석 방법을 적용하여 축과 프로펠러 하중 이외에도 추력 편심에 의해 발생하는 하중을 고려한 축계해석이 수행되었다. 본 연구의 목적은 축계해석을 수행하여 선박에 주로 사용되는 저널 베어링 라이닝 재질(화이트메탈)에 대한 선급 요구 설계기준을 만족하는지를 확인하여 실선 장착의 가능성을 검토하는 것이다.
2 베어링은 13개의 구간으로 분할하였다. 또한, 내축, 중간축 및 메인엔진 축은 보로 모델링하였으며, 외축은 솔리드 요소로 모델링 하였 다. 보와 솔리드의 재료 물성치 중 영률은 모두 206.
4에 가상으로 나타낸 후방 프로펠러와 허브를 제외한 전방 프로펠러는 해석모델에 포함되지 않으며 각각의 자중은 집중하중으로 대체하였다. 또한, 저널 베어링은 모두 비선형 접촉요소인 Nastran의 갭(Gap) 요소로 모사하였다.
또한, 내축, 중간축 및 메인엔진 축은 보로 모델링하였으며, 외축은 솔리드 요소로 모델링 하였 다. 보와 솔리드의 재료 물성치 중 영률은 모두 206.9 GPa로 같지만, 부력을 고려하기 위해 위치에 따라 밀도를 달리하였다. 또한, 갭 요소에 사용된 영률은 46.
후방 프로펠러는 축계 모델에 모두 포함되지 않아 해수 밀도를 반영한 프로펠러 중량을 집중하중으로 대체 하였다. 전방 프로펠러 위치에서 큰 값의 수평방향의 모멘트(M_y)가 발생하고 있다.

대상 데이터

분할된 구간은 화이트메탈의 유효길이에 해당하는 부분만 고려하였다. No.1 베어링과 No.2 베어링의 화이트메탈은 각각 800 mm와 1,400 mm이며, 유효길이는 각각 680 mm와 1,280 mm이다.
본 연구에서의 상반회전 프로펠러는 감속비가 1:1.333이 며, MCR(Maximum Continuous Rating)의 엔진 출력 에서 후방 프로펠러가 123 RPM의 속도로 회전하고, 전방 프로펠러는 반대 방향으로 92.3 RPM의 속도로 회전 하도록 설계되었으며, 자세한 사항을 Table 1에 나타내었다.

이론/모형

Fig. 3은 본 연구에 사용한 유한요소 해석모델로서 Ko[13]의 방법을 그대로 적용하였다. Fig.

성능/효과

(1) 현재의 설계안은 첫 단계인 저널 베어링의 선급허용 최대 면압(0.8 MPa)을 만족하여 선급 승인이 가능하다고 판단된다.
두 베어링 모두 선급에서 허용하는 화이트 메탈의 최대 면압(0.8 MPa)에 비해 낮은 수치를 나타내고 있어 실용화 가능성이 확인되었다.
예측한 바와 같이 선박의 선미 형상이 짧아 평균면압을 선급요구 조건 이내로 줄일 수 있었다.

후속연구

(2) 선급승인은 가능하지만, 발열사고의 가능성이 존재하여 안전한 선박 운항을 위해 그 다음 단계인 국부압력을 낮출 수 있는 방안이 요구된다.
(3) 고속 대형 선박은 아직도 첫 단계를 극복하지 못하고 있으므로 저속 대형 선박에 적용할 수 있는 CRP 시스템 개발이 먼저 이루어진 후 차츰 고속 대형 선박으로 진행되어져야 할 것으로 사료된다.
향후 국부압력을 낮출 수 있는 방안을 마련한다면 머지않아 국내에서도 CRP 시스템을 장착한 대형 선박의 건조를 볼 수 있을 것이라 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	상반회전 프로펠러의 특징은 무엇인가?	상반회전 프로펠러(CRP)는 대표적인 고효율 추진 장치로서 동심 축 상의 전후 방향으로 설치된 프로펠러에 의해 추력이 발생되는 복합 추진 장치로 서로 반대 반향으로 회전하는 두 후류의 중첩으로 회전에너지의 손실을 최소화하여 전체적인 추진효율을 향상시킨다. 부가적인 장점으로는 선박의 직진 성능 개선과 소음, 진동의 감소 효과를 들 수 있다. Fig.
	CRP 시스템 연구의 주된 관심사는 무엇인가?	CRP 시스템은 두 개의 프로펠러와 두 개의 축이 존재 하는 무거운 구조이므로 이를 지지하는 저널 베어링에 상당한 압력이 작용하게 되어, 이를 견딜 수 있는지가 주된 관심사이다.
	선박의 프로펠러의 후면에 생기는 유동의 한계는 무엇인가?	선박의 프로펠러는 회전에 의해 추력을 발생시킴과 동시에 프로펠러 후면에 회전 유동(rotational flow)을 생성한다. 이러한 회전 유동은 추력에 기여하는 바가 없고 오히려 에너지 손실만 초래하고 있다. 손실된 에너지를 일부라도 회복시킨다면 추진효율(propulsive efficiency) 을 증가시킬 수 있고 선박의 운항에 필요한 연료 소모를 줄일 수 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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