프로펠러의 날개 수 변경에 의한 432톤급 카페리여객선 선실 진동
개선에 대한 사례 연구
A Case Study for Cabin Vibration Improvement of 432 ton class Car-ferry
Ship changing Propeller Blade Number
윤현우* ․ 버광 다오** ․ 이돈출†
Hyunwoo Yun, Vougang Dao and Donchool Lee
Key Words : Vibration of Hull part(선체 진동), Fluctuation Pressure(변동압력), Measuring vibration(진동계측),
The number of propeller blades(프로펠러 날개수)
ABSTRACT
Recently, car-ferry passenger ships of navigating the coast area in the inside of our country are on an increasing trend of main engine power and the height of upper structure, which is increased to ship's speed and loading of large vehicles. The most ship with high-speed main engine is happened to excessive vibration by propeller induced excitation force on account of connecting the vibration of hull's girder and the upper structure by decreasing the shear stiffness and natural frequency for increasing the height of passenger deck. In this paper, By exchanging the propeller of alteration the number of blades, it could be keep to ship's speed and it's decreased the vibration of hull part that is located passenger deck on the upper deck, which is identified by countermeasure of protection against vibration to procure the safety ship's navigation through measuring the vibration of hull structure.
1) 기 호 설 명 : 프로펠러 회전수(1/min) : 프로펠러 직경(m) : 날개가 12시 방향에 있을 때 r/R=0.9 위치 에서부터 선체 표면 임의 점까지의 거리(m) : 프로펠러 반경(m) r : 프로펠러축 중심에서 날개 단면까지 의 반경(m) 1. 서 론 † 이돈출; 정회원, 목포해양대학교 기관시스템공학부 E-mail : [email protected] Tel : 061-240-7219, Fax : 061-240-7201 * 선박안전기술공단 ** 목포해양대학교 대학원 최근 국내 연안 해역을 운항하는 카페리 여객선들 은 선속 및 대형 차량화물의 선적량 증가를 위해 주 기관 마력 및 여객 갑판을 위한 상부구조물 높이가 증가하고 있는 추세이다. 대부분 고속기관인 주기관 의 추진 마력이 높아짐으로써 안내력 모멘트 상승이 유도되며 여객 갑판의 높이 증가로 전단 강성 및 자체 고유진동수가 낮아짐으로써 선체 거더와 상부구조 진 동이 연성되어 프로펠러 기진력에 의한 과도한 진동 이 발생할 수 있다. 본 논문에서는 본선의 프로펠러 날개수 변경에 의한 교체를 통해 선박 소유자가 요 구하는 선속을 유지하면서 상갑판 상부에 위치한 여 객 갑판에 발생한 선체진동을 줄이고 선박 운항의 안 전성을 확보하기 위하여 선체 진동 계측을 통해 방진 대책을 제시하고자 한다. 한국소음진동공학회 2014년 추계학술대회
2. 계측 방법 및 해석 결과 2-1 선박의 요목
· 총톤수(Gross Tonage) : 432ton · 전장(L.O.A) : 60미터 · 길이(L.B.P) : 50.52미터 · 너비(Breath) : 11.40미터 · 깊이(Molded Depth) : 3.1미터 · 추진기관 : 디젤기관 × 2대 · 주기관 요목 - 제조자 : CATERPILLAR - 모델 : 4 C.S.A, C32A DITA
- 출력 × 회전수 : 1,316PS × 2,100r.p.m. ․ 감속비 = 3.955 : 1
Fig. 1 General Arrangement of the ship
Table 1 Comparison of propeller Specification
구 분 교체 전 (Before) 교체 후 (After) 날개 익수 (Number of blades) 4 5 직경 (Diameter) 1,650㎜ 1,650㎜ 피치 (Pitch) 1,050㎜ 1,000㎜ 무게 (Weight) 325㎏ 319㎏ 피치비 (Pitch Ratio) 0.636 0.606 전개면적 (EXP’ Area) 1.219㎡ 1.112㎡ 재료 (Material) CAC703 (AlBC3) CAC703 (AlBC3) 스큐각 (Skew in degress) 20° 20° 2.2 계측 방법 진동 계측을 위해 속도계와 가속도계를 혼용하여 사용하였으며 신호의 증폭 또는 전원을 공급하기 위 하여 signal conditioner, NI board 및 컴퓨터에 연결 하였다. 본선 운항 중 프로펠러 회전수는 단계적으로 증속 및 감속하는 단계적 변속방법으로 채택하여 계측 하였다. 선체 진동계측은 선실의 진동 수준을 확인 하기 위하여 Fig. 1 과 Fig. 2와 같이 여객갑판 상부의 후미 1포인트와 중간 2포인트, 상갑판 선미에 위치한 타기실 상부 1포인트에서 구조 진동을 계측하였다.
Fig. 2 The Sensor position 1 of vibration measurement for the ship
Fig. 2 The Sensor position 1 of vibration measurement for the ship
2-3 계측 결과 (1) 선체 진동 평가 프로펠러 회전수 단계별로 계측된 진동 신호는 주파수 분석을 통해 회전수의 조화 성분별로 응답곡선을 추출한 후 주요 기진원을 식별하고, 해당 기진원에 대한 응답 수준을 평가하였으며 주요 선체 진동 계측 결과는 Fig. 3에서 Fig. 10까지 나타낸 Waterfall 스펙 트럼과 같이 각 계측 포인트 및 방향(transverse, vertical, longitudinal) 별로 표시하였다.
Fig. 3 Waterfall map of velocity amplitude in transverse direction at cabin top mid
Fig. 4 Waterfall map of velocity amplitude in vertical direction at cabin top mid
Fig. 5 Waterfall map of velocity amplitude in transverse direction at cabin top after
Fig. 6 Waterfall map of velocity amplitude in vertical direction at cabin top after
Fig. 7 Waterfall map of velocity amplitude in longitudinal direction at cabin top after
Fig. 8 Waterfall map of velocity amplitude in longitudinal direction at stern center
Fig. 9 Waterfall map of velocity amplitude in transverse direction at stern center
Fig. 10 Waterfall map of velocity amplitude in vertical direction at stern center
상기와 같이 1차, 2차 진동 계측한 결과와 달리 프로 펠러 교체 후 3차 진동계측 결과 프로펠러 회전수 450~500r.p.m. 사이에서 공진이 일어나며 이외의 영 역에서는 선체 진동이 매우 양호함을 알 수 있다. 이는 프로펠러 날개수 변경에 의한 영향으로 판단되 며 일반적인 프로펠러에 의해 유기되는 날개 진동수 의 변동압력 △P0는 식(1)과 같이 구할 수 있다. △P0 = · · (kPa) (1) 여기서 Z는 프로펠러 날개 수이며, ＜2인 경 우에 =1.8+0.4 , ＞2인 경우에 =2.6이 된다. 상기 식으로부터 변동압력 △P0와 프로펠러 날개 수 Z와 반비례됨을 알 수 있으며, 1차 및 2차 계측한 진동 결과와 정량적으로 평가하기는 어렵지만, worst case인 공진점 조차도 약 40% 정도 낮은 결과를 얻을 수 있었다. (2) 환경 진동 평가 여객 갑판의 진동은 평균이 아닌 최대값을 기준 으로 좌우방향 2.4㎜/s, 상하방향 1.5㎜/s, 전후방향 1.8㎜/s로 Fig. 11 ISO 6954:2000 의 구역별 거주성 평가지침에 따라 본선 여객실의 최고 진동은 4.2㎜/s 이하로 r.m.s.로 환산하면 등급 A, B, C 등급 중 A 영 역에 속함을 알 수 있었다.
Fig. 11 Overall frequency-weighted r.m.s. from 1㎐ to 80㎐ given as guidelines for the habitability of different areas on a ship
Fig. 12 Contour map of velocity amplitude in transverse direction at cabin top mid
Fig. 13 Contour map of velocity amplitude in vertical direction at cabin top mid
Fig. 14 Contour map of velocity amplitude in transverse direction at cabin top aft
Fig. 15 Contour map of velocity amplitude in vertical direction at cabin top aft
Fig. 16 Contour map of velocity amplitude in longitudinal direction at cabin top aft
(3) 선속 측정 결과 선속 측정 결과는 Fig. 17에서 시간-프로펠러 회전수 의 관계를 보이며, Fig. 18은 선속 측정 결과를 표시 하였다. 특히, Fig. 18에서와 같이 동일한 회전수에서 프로펠러 회전수가 고정되고 선박이 탄력을 받은 상태 에서 선속은 13.1노트까지 증가함을 보였다.
Fig. 17 Propeller speed during ship speed test
Fig. 18 Ship speed during ship speed test
4. 결 론 본 연구에서는 주기관(제조자: Caterpillar, 모델: C32A DITA, 출력 1,316PS×2,100r.p.m.)이 탑재된 432톤급 카페리여객선을 모델로 하여 프로펠러 날 개수를 기존 4익에서 5익으로 교체함으로써 선속 측정 및 진동계측을 통한 비교평가결과를 정리 요약 하면 다음과 같다. (1) 프로펠러 블레이드가 기존 4익이 5익보다 기 진력이 크고 선속 측면에서는 유리하다고 예상하였 으나, 프로펠러 교체 후 선속 측정 결과 13.1 노트 (knot) 정도로 비슷한 결과를 얻을 수 있었다. 이는 선체 표면에 전달되는 변동압력이 프로펠러 날개 수에 반비례함으로써 상호 간섭의 감소로 인한 것으로 해석 된다. (2) 여객실 진동 계측 결과 프로펠러 교체 후 기 진력 감소로 인하여 프로펠러 회전수 450~500rpm 일부 영역에서 공진이 발생함외에 선실 진동이 상당 부분 감소하는 것을 확인하였다. (3) 상기 선박의 선체 진동 분석결과 카페리선박 구조상 계획만재흘수선(D.L.W.L)이 낮고 상갑판 (Upper Deck)과 여객갑판(Passenser Deck) 사이의 거리가 상당함으로써 보강재(Pillar) 등의 추가 설치 가 필요하나, 차량화물 선적에 장애가 됨으로써 현 실적으로 어려움이 있었다. 따라서, 선미와 상부구조 진동 제어 효과를 위해서는 선체주요치수, 강도, 주 기와 직결된 프로펠러의 표면전달력 등에 의한 제원 에 결정됨으로써 사후대책보단 예방대책이 중요하다 고 판단된다. 참 고 문 헌
(1) Allan G. Piersol and Thomas L. Paez, Harris’ Shock and Vibration Handbook(6th Edition), 2010, McGrawHill Co., Ltd.
(2) Korean Register, 2014, Control of Ship Vibration and noise(3rd Edition), Textbooks Co., Ltd.
(3) Nippon Kaiji Kyokai, 1984, Guide to ship vibration, Nippon Kaiji Kyokai, Tokyo.
(4) Vertec, 1985, Vibration Control in Ships, Vertec, Norway.
