A Study on the Turning System for Processing a Large Ship Propeller

대형 선박 프로펠러 가공 공정용 터닝 시스템에 관한 연구

Abstract

The propellers used for big ships have a large diameter and are very heavy. In order to apply a precise and safe work process to them, it is necessary to use an exclusive turning system. For this reason, various techniques are applied to produce them. However, workers' convenience and safety are not taken into consideration enough at production sites. Conventionally, these propellers are designed to be separated as their turning system is loaded and rotated by empty weight. Therefore, it is necessary to replace such a design. This study tries to find the weaknesses of the design and structure of a conventional propeller turning system for large ships, to verify structure integrity of a structure in structural analysis, and to devise a plan for designing a new type of turning system. In the basic concept design and structural analysis for the turning system used in the propeller finishing process for large ships, this study drew the following conclusions. It was possible to develop the work process of the turning system for the propeller finishing process used for large ships, to obtain the dimensions for exterior design through a basic design. Structural analysis was conducted to find the structure integrity of the turning system. As a result, in the rail installed to transfer a gantry, the maximum stress was about 45MPa, about 5.5 times lower than the yield strength 250MPa. Therefore, the turning system was judged to be safe structurally.

1. 서 론

대형 선박에 적용되는 추진 프로펠러의 경우 직경과 무게가 상당히 크고 무겁기 때문에 정밀하 고 안전하게 작업공정을 진행하기 위해서 전용 터 닝 시스템이 필요하다. 현재 여러 기술을 동원하 여 생산 현장에서 적용되고 있지만 작업자의 편의 성 및 안전성 등을 충분히 고려하지 않고 제작되 어 적용하고 있는 것이 현실이다.

프로펠러의 경우 자중(自重)에 의한 터닝 시스 템의 부하 및 회전시 분리될 수 있는 구조로 설계 되어 있는 기존 시스템을 대체할 수 있는 설계가 필요하다.

국내의 경우 프로펠러 사상공정을 담당하는 제 조사나 전 공정을 다루는 제조사의 경우 터 닝 시스템에 대한 연구개발은 전무한 상태이며, 선박 프로펠러의 경우 선박추진 관점에서 형상연구를 통해 추진력 확보나 효율 등을 우선시한 연구가 활발히 진행 중에 있다. 특히 소형선박용 프로펠 러의 경우 생산기술에 관심을 가지고 연구가 진행 되고 있으며, 국내의 경우 대형선박용 프로펠러에 대한 가공시스템 개발 연구가 진행 중에 있다.

대형 공작기계나 가공기계의 경우 설비구축에 대한 막대한 비용 때문에 기존에 설치된 설비를 운영함에 있어 불편사항 등 개조나 일부 시스템 변경하여 적용되고 있다. 해외 조선사의 경우 국 내 조선 건조 기술에 비해 부족한 상태이며, 국내 조선기술이 세계적인 것을 감안할 경우 해외에서 진행되는 연구는 전무한 상태이다[1-2].

Fig. 1 Large ship propeller

Fig. 1은 대형 선박에 적용되는 프로펠러의 형 상과 크기를 나타내고 있다. 그림에서 보는것과 같이 엄청난 크기와 중량으로 인해 사상가공 등 여러 가공을 위한 특수한 설비가 필요하다.

본 연구는 기존 대형 선박용 프로펠러 터닝 시 스템에 대한 설계 및 구조상 단점을 파악하고, 구 조물에 대한 구조건전성을 구조해석을 통해 확인 하여 새로운 형태의 터닝 시스템에 대한 설계 방 안을 모색하고자 한다.

2. 프로펠러 터닝 시스템 작동 프로세서

50ton 중량을 가진 프로펠러에 대한 사상 공정 에 필요한 터닝 시스템에 대한 설계를 통해 작업 효율을 높일 수 있도록 컨셉을 설정하여 작업자의 안전과 편의성 증대를 목표로 연구를 수행하였다. 터닝 시스템에 대한 전체적인 설계와 구조에 대한 검토를 위해 구조해석을 통해 응력 및 변형을 확 인하여 기존 시스템과 차별화되는 새로운 방식의 터닝 시스템을 연구하였다.

터닝 시스템에 대한 설계는 프로펠러 고정 방 법에 대한 기존 기술을 분석하여 회전시 프로펠러 와 터닝 시스템의 안전성을 구조 및 설계 관점에 서 파악하여 연구를 진행하고자 하며, Fig. 2와 같은 작업공정이 이루어질 수 있도록 기초적인 설 계를 수행하였다.

프로펠러 터닝 시스템의 공정은 (a) 프로펠러가 터닝 시스템에 안착한 후 (b) 빔이 슬라이딩하여 이동하여 (c) 유압으로 프로펠러 중앙부를 양단에서 지지한다. 프로펠러가 정확하게 고정되면 (d) 터닝 시스템 프레임이 회전하여 (e) 프로펠러는 반대로 위치하고 (f) 프로펠러를 고정하는 유압 지 그는 풀리고 빔이 이동하게 된다.

Fig. 2 Process of turning system

그 후 (g) 작업자의 발판이 올라오고 (h) 작업 자는 안전하게 사상작업을 수행할 수 있다. 사상 작업이 끝나면 (i) 빔이 프로펠러 중앙으로 이동하 여 유압지그가 프로펠러를 다시 고정한 후 (j) 터 닝 시스템 프레임이 회전한 후 (k) 유압지그가 해 제되고 빔이 이동하여 원래 설치된 위치로 놓아지 게 된다. 이 후 (l) 크레인을 사용하여 프로펠러를 옮기는 과정으로 공정이 마무리된다.

3. 프로펠러 터닝 시스템 설계

프로펠러 터닝 시스템의 설계를 위해 기초적인 프레임 중량이 약 425ton이며, 프로펠러 고정장치 가 약 1.2ton이다. 그리고 프로펠러 중량이 50ton 으로 전체 중량이 약 488ton으로 설계하였다. 프 로펠러를 고정하는 유압 실린더의 설계에서 기준 부하율은 통상적으로 유압실린더를 설계할 때 적용 하는 80%로 가정하고, 식(1)을 통해 유압 210kg/ ㎠, 부하하중 50ton일 때 실린더 추력을 65,973kg 으로 설계하였다.

\(F = P \times A \times \eta\)

여기서 A는 피스톤로드의 단면적, P는 압력, η는 부하율을 나타낸다.

Fig. 3과 같이 겐트리 빔의 이송을 위한 주행모터 의 용량은 부하율 80%일 때 이송속도 7.38m/min로 이송하기 위해 토크를 감안하여 소요동력을 11kW 로 설계하면, 최종 모터의 용량은 15kW로 선정하였다.

Fig. 3 Gantry beam movement system

Fig. 4 Propeller fixing system

Fig. 5 Turning system rotation space and workbench

Fig. 4는 프로펠러를 고정시키기 위한 시스템으 로 프로펠러 양쪽 중앙에 면 접촉이 이루어질 수 있도록 고정 척을 설계하여 회전시 프로펠러 중앙 부에 집중응력이 발생하지 않도록 하여 손상을 최 대한 억제시킬 수 있는 형상으로 설계하였다.

Fig. 5는 터닝 시스템이 회전할 때 회전반경을 최소화시키기 위하여 지하 공간을 만들어 작업장 의 공간을 최대한 활용할 수 있도록 하였으며, 내 부에 작업자가 올라설 수 있는 작업대가 숨겨져 있다. 이 작업대는 사상작업 시 작업자가 바닥면 에 올라설 수 있도록 유압식으로 작업대가 펼쳐질 수 있도록 설계하였다. 터닝 시스템 프레임의 회 전관성모멘트는 약 22,543,000kgf·m2이다. 이때 질량관성모멘트는 약 574,500kgf·m2이다

4. 프로펠러 터닝 시스템 구조해석

프로펠러 터닝 시스템에 대한 구조물의 안정성 을 판단하는 방법으로는 여러 가지가 존재한다. 본 연구에서는 일반적으로 구조의 강도를 판단하 는 데 많이 사용하는 Von Mises 유효응력법과 수 정 Mohr 유효응력법을 채택한다. 이 방법은 시스 템의 재질 특성에 따른 재질의 고유 특성과 구조 해석으로부터 도출되는 시스템의 유효응력 사이의 비로써 구조물의 안정성을 판단하는 것이다[3-8].

Table 1. Material properties of the turning system

본 연구의 대상인 대형선박용 프로펠러 사상가 공용 터닝 시스템은 Structural steel 재질로 구성 되어 있으며, Table 1에 재질 특성을 나타내고 있 다. 터닝 시스템 모든 부품은 연성성이 큰 재질이 므로 구조적 안정성을 파악할 때von Mises 유효 응력과 재질의 항복강도를 기준으로 구조 건전성을 파악할 수 있다.

Fig. 6은 터닝 시스템 전체의 등가응력 분포를 나타내고 있다. 그림에서 보는 것과 같이 프로펠 러의 자중을 받치고 있는 겐트리 빔과 프레임 중 앙부의 터닝 사프트 주위에 응력이 발생하고 있음 을 확인할 수 있었다. 그러나 최대 응력 값이 약 45MPa로 항복강도 250MPa의 약 5배 이상 낮은 것으로 나타남에 따라 전반적인 구조건성은 확보된 것으로 판단된다.

Fig. 6 Result of equivalent stress

Fig. 7 Result of total deformation

Fig. 7은 변형량을 나타내고 있다. 그림에서 보 는 것과 같이 프로펠러 자중에 의해 가장자리에서 가장 높은 변형이 발생하였지만 약 1.4mm로 거 의 변형이 발생하지 않는 것으로 판단된다.

Fig. 8은 상부 겐트리 빔에서 발생되는 등가응 력분포를 나타내고 있다. 최대응력이 발생되는 지 점은 중앙부에서 발생하고 있었고, 약 14MPa의 응력분포가 발생하여 구조적으로 추후 휨과 같은 문제가 발생하지 않을 것으로 판단된다.

Fig. 9는 하부 겐트리 빔에서 발생되는 등가응 력분포를 나타내고 있다. 최대응력이 발생되는 지점은 중앙부에서 발생하고 있었고, 약 11MPa의 응력분포가 발생하여 상부 겐트리에 비해서 다소 낮게 나타남을 확인할 수 있었다.

Fig. 8 Result of equivalent stress at upper gantry beam

Fig. 9 Result of equivalent stress at lower gantry beam

Fig. 10 Result of equivalent stress at base frame

Fig. 10은 터닝 시스템의 베이스 프레임에 대한 등가응력 분포를 나타내고 있다. 그림에서 보는 것과 같이 회전축 부근에서 응력이 발생함을 확인 할 수 있었고, 겐트리 빔이 이송되는 레일에서 약 45MPa의 최대응력이 발생함을 확인할 수 있었다.

Fig. 11은 베이스 프레임을 회전하고 지지하는 샤프트 하우징에서의 응력분포를 나타내고 있다. 그림에서 보는 것과 같이 하우징 하부에 응력이 발생하지만 약 2MPa로 응력의 영향이 거의 받지 않는 것으로 판단된다. 따라서 전반적으로 등가응 력 분포를 보면 겐트리 빔 이송 레일에서 가장 높 은 응력이 발생하였지만 항복강도 이내에서 발생하 였기 때문에 구조적으로 안전한 것으로 판단된다.

Fig. 11 Result of equivalent stress at shaft housing

5. 결 론

본 연구는 대형선박에 사용되는 프로펠러 사상 공정에서 사용되는 터닝 시스템에 대한 기초적인 개념설계와 구조해석을 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

대형선박에 사용되는 프로펠러의 사상공정 전용 터닝 시스템에 대한 작업공정 프로세스를 개발할 수 있었다. 또한 기초적인 설계를 통해 외형설계 에 대한 치수를 확보할 수 있었다.

터닝 시스템에 대한 구조 건전성을 파악하기 위 하여 구조해석을 수행한 결과 겐트리 빔을 이송하 기 위해 설치된 레일에서 최대응력이 약 45MPa 로 항복강도 250MPa에 비해 약 5.5배 낮은 것 으로 나타남에 따라 구조적으로 안전한 것으로 판단된다.

후 기

이 논문은 2022년도 부산가톨릭대학교 교내연 구비에 의하여 연구되었음.