Reduction Gear Stability Estimation due to Torque Variation on the Marine Propulsion System with High-speed Four Stroke Diesel Engine

고속 4행정 디젤엔진을 갖는 선박 추진시스템에서 토크변동에 의한 감속기어 안정성 평가

Abstract

Maritime safety has been more critical recently due to the occurrence of shipboard accidents involving prime movers. As such, the propulsion shafting design and construction plays a vital role in the safe operation of the vessel other than focusing on being cost-efficient. Smaller vessels propulsion shafting system normally install high speed four-stroke diesel engine with reduction gear for propulsion efficiency. Due to higher cylinder combustion pressures, flexible couplings are employed to reduce the increased vibratory torque. In this paper, an actual vibration measurement and theoretical analysis was carried out on a propulsion shafting with V18.3L engine installed on small car-ferry and revealed higher torsional vibration. Hence, a rubber-block type flexible coupling was installed to attenuate the transmitted vibratory torque. Considering the flexible coupling application factor, reduction gear stability due to torque variation was analyzed in accordance with IACS(International Association of Classification Societies) M56 and the results are presented herein.

1. 서 론

최근 해상에서 선박과 관련된 대형 인명 사고들이 자주 발생함에 따라 그 어느 때 보다 안전이 중요시 되고 있다. 이러한 해상사고를 분석하고 방지하기 위하여 선급기관과 엔진제작사의 조사에 의하면 추진축계 사고에 의한 비중이 높은 것으로 보고되고 있다(1~3). 소형 선박의 추진축계는 선박의 심장부로 주 기관, 탄성커플링, 감속기어, 축 및 프로펠러로 구성되고 이들의 통합설계가 핵심기술이며, 비용도 전체 선가의 30 % ~ 40 %를 차치한다. 이러한 중·소형 선박의 추진시스템은 대부분 중·고속 4행정 디젤엔진을 주 기관으로 하고 추진효율을 증가시키기 위하여 감속기어를 설치하게 된다. 특히 디젤엔진은 실린더 내 높은 폭발압력을 기진력으로 비틀림진동이 증가하여, 높은 진동토크가 감속기에 전달되므로 이를 줄일 목적으로 주 기관과 감속기 사이에 탄성커플링을 설치하게 된다. 이 논문은 V형 10실린더를 주 기관으로 강성이 크고 감쇠 성능이 낮은 러버블록(rubber block)형 탄성커플링을 감속기 사이에 설치한 소형 차도선을 연구 모델로 비틀림진동을 주파수 영역에서 이론적 해석결과와 주파수 영역 및 시간영역에서 계측분석결과를 통해서 감속기어의 안정성을 평가하고자 한다.

 

2. 비틀림진동의 이론 해석과 감속기 설계의 국제 규정

선박에서 추진축계시스템의 비틀림진동 해석을 통한 최적설계와 안전한 항해를 위한 검증작업인 계측은 새로 건조되는 모든 선박에서 필수적인 요건이다. 다만 시스템이 같은 동형선의 경우 대표적으로 한척만으로도 검증이 가능하다. 이 규정은 선가가 높고 추진시스템이 단순한 중·대형 선박에서 잘 지켜지고 있다. 이에 비해 소형 선박의 경우 시스템이 복잡하여 비틀림진동 해석이 어렵고 주 기관, 감속기 및 추진기의 제작과 공급이 별도로 이루어지고 있어 이를 통합하는 설계와 검토가 잘 되지 않고 있는 실정이다. 따라서 과도한 비틀림진동으로 인하여 엔진과 감속기의 잦은 고장 또는 과열에 의한 화재 등으로 해상사고를 유발하는 원인이 되기도 한다. 그리고 대부분 소형 선박의 건조사는 영세하여 이를 기술적으로 통합할만한 기술 수준에 미치지 못한 실정이다. 이 문제의 해결은 가격 비중이 높은 엔진 제작사가 책임을 지고 수행하는 것이 바람직하지만 별도의 검토비용이 필요하고, 엔진을 제외한 부품에 대한 공급 책임과 설계 변경이 어려워 실제로 많은 문제점들을 안고 있다. Fig. 1은 연구대상 선박으로 연안 도서를 운항하는 총톤수 100톤급 차도선이며, 추진축계의 비틀림진동에 대한 질량-스프링계는 Fig. 2와 같고 선박의 좌/우현에 각각 설치되어 있다. 주 기관의 요목은 Table 1과 같고 크랭크축 선단에 점성 댐퍼가, 주 기관과 감속기 사이는 비교적 저렴한 러버블록형 탄성커플링이 설치되어 있다. 주 기관은 진동이 가장 심한 V형 10실린더 엔진으로 비틀림진동과 구조진동 등을 제어하기가 쉽지 않은 기종이다.

Fig. 1Overview for a small car-ferry vessel with V18.3L engine

Fig. 2Mass system for torsional vibration

Table 1Specification of propulsion system with V18.3 litter diesel engine

감속기 입구 측에서 이론상 비틀림진동 해석결과를 Fig. 3에 보이며 크랭크축에서 전달된 4, 5차가 주 진동으로 비교적 높은 수준이다. Fig. 4는 감속기를 통해 프로펠러축에 전달되는 진동토크로 크게 개선되지 않는다. 설계상 1차 공진점이 엔진의 MCR(maximum continuous rating) 근처에 위치하는 것은 적합하지 않은 설계로, 실린더 중 한 실린더가 착화 실패가 일어날 경우 또는 실린더간의 부하의 불균등으로 비틀림진동이 증가하게 된다. 감속기의 설계기준은 ISO 6336을(4,5) 근간으로 IACS(국제선급연합회) M56(6), DNV·GL(노르웨이·독일선급) 등에서 제정되어 있다. 여기에서는 편의상 IACS M56을 기준으로 감속기 자체의 설계인자들은 생략하고, 감속기의 강도 설계에 영향을 주는 탄성커플링에 대한 인자를 Table 2에 보인다. 고성능의 탄성커플링에 비해 구조적으로 취약한 러버블록형 커플링을 적용한 기어 설계 시는 IACS M56의 Table 2와 같이 규정하고 고탄성커플링과 비교하여 기어의 굽힘 강도를 15 %이상 증가시킨 감속기를 제작하여야 한다.

Fig. 3Calculated vibratory torque at mass No. 11 (reduction gear)

Fig. 4Calculated vibratory torque at mass No. 14 (propeller shaft)

Table 2The application factor, KA for flexible coupling(6)

 

3. 실선 실험

실선 계측은 Fig. 5와 같이 동력 및 선속 측정과 함께 종합적인 진동 계측을 수행하였다. 비틀림진동은 좌/우현에 각각 스트레인 게이지를 이용한 원격 측정장치를 부착하여 프로펠러축의 진동토크를 측정하였다. 그리고, 좌현 엔진은 감속기어 전/후에 펄스 신호취득과 함께 F-V(주파수-전압) 변환기를 이용 각속도를 측정하였다. 또한 감속기 케이싱에 3축 가속도계를 부착하여 비틀림진동과 감속기 케이스 구조진동의 상관관계를 연구하였다. 계측 소프트웨어는 목포해양대학교에서 자체 개발한 EVAMOS(7)를 이용하여 진동신호의 취득과 분석 작업을 수행하였다.

Fig. 5Schematic diagram for global vibration measurement

전체 진동분석결과 Figs. 6~17은 선박이 조류와 같은 방향으로 운항하여 비교적 엔진부하가 적게 걸린 상태이다. Figs. 6, 7은 좌현 엔진의 프로펠러축에서 측정한 진동토크로 Figs. 3, 4의 이론적 해석결과와 큰 차이를 보이고 있다. 이는 해석결과와 달리 5차 비틀림진동토크가 일반 고탄성커플링과 달리 러버블록을 통해 차단되지 못하고 프로펠러축까지 그대로 전달되며 MCR 전달토크의 57 % 수준이다. 이는 LR(영국선급)에서 추천하는 35 % 보다 클 뿐 아니라 선박이 조류와 역방향으로 항해 시는 최고 73 %에 달하였다. 1절 고유 진동수는 Table 3에 보인바와 같이 좌/우현이 상이하고 크랭크축에 절점이 있는 2, 3절은 서로 구분이 되지 않고 복합되어 강제진동으로 일어난다. 각속도 측정결과는 진동토크와 함께 정량적으로 평가하기 위하여 플라이휠에서 측정한 각속도를 한번 미분하여 각가속도로 환산하였으며 이 결과를 Figs. 8, 9에 보인다. 여기서 2.5차와 5차가 주 진동으로 다른 선박들과 비교하여 높은 수준이다. Figs. 10, 11은 프로펠러축에서 측정한 각가속도 결과로 플라이휠과 서로 비교하기 위해서는 감속비를 곱하여 비교할 수 있으며, 오히려 플라이 휠 값보다 크다. 이 결과로부터 감속기는 회전수가 높은 MCR 영역에서 진동토크의 증가로 인하여 각가속도 역시 증가하여 햄머링(hammering) 심하게 일어나고 있음을 확인할 수 있다. 여기서 각가속도에 2차 극관성모멘트를 곱하면 진동토크로 계측된 진동토크와 동일한 차원 값으로 상관관계를 검토할 수 있으며 그 값들이 커서 시스템이 불안정하다. Figs. 12, 13은 우현엔진의 프로펠러축에서 측정한 진동토크로 1절 공진점은 좌현 엔진보다 260 cycle/min 정도 높다. 두 엔진에서 축동력(스트레인 신호의 직류 성분)을 측정한 결과 좌현엔진이 우현엔진보다 부하가 높았고 엔진상태도 좋지 않았다. 1절 공진점에 영향을 주는 인자는 탄성커플링의 전달토크, 온도, 고무의 변형상태에 의한 비선형성 등이며 좌현 엔진은 우현엔진보다 상태가 좋지 않아 차이가 나는 것으로 판단된다. 우현엔진의 5차성분의 진동토크도 경향은 비슷하지만 진폭이 이보다 낮은 수준으로 LR 규정을 초과하는 MCR 전달 토크의 41 %이며 조류와 역방향에서도 큰 차이는 없었다.

Fig. 6Order analysis of measured vibratory torque at the port engine propeller shaft

Fig. 7Waterfall map of measured vibratory torque at the port engine propeller shaft

Fig. 8Order analysis of measured angular acceleration at the port engine fly wheel

Fig. 9Waterfall map of measured angular acceleration torque at the port engine fly wheel

Fig. 10Order analysis of measured angular acceleration at the port engine gear wheel

Fig. 11Waterfall map of measured angular acceleration torque at the port engine gear wheel

Fig. 12Order analysis of measured vibratory torque at the starboard engine propeller shaft

Fig. 13Waterfall map of measured vibratory torque at the starboard engine propeller shaft

Fig. 14Waterfall map of measured x-direction structural vibration at the reduction gear casing of port engine

Fig. 15Waterfall map of measured y-direction structural vibration at the reduction gear casing of port engine

Fig. 16Waterfall map of measured z-direction structural vibration at the reduction gear casing of port engine

Fig. 17Measured vibratory torque at the port engine propeller shaft during the clutch-engage of reduction gear

Table 3Natural frequencies of torsional vibration (unit : cycle/min)

Fig. 14는 감속기의 케이스의 축방향에서 계측한 구조진동 계측결과이다. 여기서 주 진동은 정확하게 기어 메시(맞물림) 주파수의 2배수로 기어가 서로 맞물리면서 두 번 진동이 크게 일어나는 것은 햄머링이 심하게 일어나는 것으로 추정되며, 저자들이 연구한 추진선박과 비교할 때(8) 매우 높은 수준이다. 또한 대부분 기어 손상은 좌우나 상하방향보다는 전후 축방향의 진동이 증가할 때 베어링과 치면이 마모되어 구조적으로 취약하게 되므로 피로파손의 속도를 증가시키는 요인 중의 하나이기도 하다. Fig. 15는 좌우 방향의 측정결과로 기어 메시 주파수와 2배수 진동이 동시에 일어난다. 또한 Figs. 14, 15를 상호비교하면 축방향의 진동이 크면 좌우방향은 적고, 좌우방향 진동이 크면 축방향진동이 적다. 이는 주 기관 회전수가 높은 영역에서 진동토크에 의해서 기어 햄머링이 광범위하게 일어나며 기어박스 케이싱의 구조진동은 방향만 바뀌어 전달됨을 의미한다. Fig. 16은 상하방향의 진동이다.

일반적으로 감속기 내부에는 마찰형 클러치가 설치되고 동력을 전달하기 위하여 유압을 가하여 클러치를 부착하며 이때 전달되는 토크변동을 측정한 결과를 Fig. 17에 보인다. 여기서 고유 진동수는 계측된 1차 고유 진동수와 유사하다. 책임저자의 경험에 의하면 고성능의 탄성커플링을 적용한 사례에서는 펄스가(9) 한번 완만하게 일어나며 변동토크 크기도 이에 비해 상대적으로 크지 않았다. Fig. 18은 클러치에 의해서 동력을 차단할 때 계측한 결과로 변동토크는 크지 않고 영향력이 적어 설계 시 클러치 부착 시를 중점적으로 검토해야 할 것으로 판단된다. 좌/우현의 1절 비틀림진동의 고유 진동수의 차이와 프로펠러축에 전달되는 진동토크의 차이는 러버블록형 커플링과 선단에 설치된 점성댐퍼의 성능에 좌우되며 다른 진동요소들은 영향이 적을 것으로 판단된다.

Fig. 18Measured vibratory torque at the port engine propeller shaft during the clutch-disengage of reduction gear

 

4. 결 론

이 연구에서는 선박용 고속 4행정 디젤엔진을 주기관으로 감속기어와 비교적 감쇠 기능이 떨어지는 러버블록형 탄성커플링을 적용한 연구 모델을 대상으로 감속기의 안정성을 평가하였으며 이를 정리 요약하면 다음과 같다.

(1) 주기관의 진동토크가 큰 V형 10실린더 엔진에서 감속기를 통해 추진축으로 전달되는 진동토크가 이론적인 해석결과보다 큼을 확인하였다. 따라서 러버블록형 탄성커플링을 적용할 경우 감속기어로 전달되는 진동토크의 차단을 기대할 수 없으므로 IACS M56에서 추천한 일반 영향 인자(KA)를 1.5로 적용하여 감속기의 굽힘 강도를 설계하고 피로강도 해석이 필요할 것으로 판단된다.

(2) 감속기의 안정성을 평가하기 위하여 클러치 탈, 부착 시 변동토크를 측정한 결과 탈착 시는 거의 무시할 정도로 적었으나, 부착 시는 MCR 전달토크의 약 6.4배로 크게 측정되었다. 따라서 감속기어와 탄성커플링 설계 시 이를 반영하여야 한다.

(3) 진동토크는 감속기어의 면압강도와 수명에 관계되며 이 연구 선박에서는 전달 토크보다는 적었지만 비교적 큰 MCR 근처에서 기어 박스의 구조진동을 측정한 결과 기어 이빨의 2배수 진동이 현저하게 증가하였다. 이는 기어가 동력을 전달하는 과정에서 햄머링이 일어나는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 그 크기에 대한 평가는 정량적으로 할 수 없으나 전기 추진시스템의 계측결과와 비교할 때 매우 크다. 따라서 이를 방지하기 위해서 일부 선급에서 추천하는 것과 같이 상용운전영역에서 진동토크가 전달토크의 35 %를 초과하지 않도록 시스템을 설계 제작하는 것이 바람직하다. 또한 계속 구조진동 계측 자료를 모아서 객관적인 평가를 할 수 있도록 할 예정이다.