실험적 방법을 이용한 고압증기 시스템의 방음설계 및 검증에 관한 연구
석호일1,†․ 이도경1․ 정태석1․ 허주호1
STX조선해양 기술연구소1
A Study on Noise Control and Verification of High Pressure Steam System Using Experimental Method
H.I. Seok
1,†․ D.K. Lee
1․ T.S. Jeong
1․ J.H. Heo
1Research Institute of Technology, STX Offshore & Shipbuilding
1Abstract
The noise analysis is usually carried out in the early structure design stage for the main areas in a vessel such as an accommodation, an engine room, HVAC System and etc. If the analysis results are higher than the noise limits based on guideline, appropriate countermeasures are established to reduce noise levels and applied to the vessel. But excessive noise induced the main or auxiliary equipment and high pressure steam system is very difficult to check in the initial design stage, and local noise problems frequently appear in actual vessels. This paper deals with excessive noise of the engine control room on LNG carrier. It includes the cause analysis of excessive noise, the countermeasure, and verification. Also, it proves suitability of the countermeasure through the on-board test.
Keywords : SDL(Steam Dumping Line), ABN(Air-Borne Noise), SBN(Structural-Borne Noise)
1. 서 론
선박의 진동과 소음은 선원의 거주환경에 영향을 미치는 중요 한 요소들이다. 이러한 선박의 진동과 소음은 주기관, 프로펠러, 발전기 및 컴프레셔 등에 의해 발생하게 되는데, 이들은 선박 운 항 중 항상 가동되기 때문에 선박은 진동과 소음 관점에서 매우 불리한 조건을 가지고 있다. 또한 선박은 육상의 구조물과는 달 리 협소한 공간 내에 선원들의 침실, 사무실, 주기관 및 각종 주/
보기류들이 설치되므로 초기 설계 단계에서 진동과 소음을 고려 한 설계가 이루어져야 한다.
선박의 주요 소음원인 주기관, 프로펠러, 발전기 등에서 발생한 소음은 공기음(Air-borne noise)과 고체음(Structure-borne noise) 의 형태로 선내로 전달된다. 초기 설계 단계에서 선박의 선내소 음, 옥외소음 및 공조소음 등은 소음해석이 수행되고, 문제 발생 시 적절한 방음대책이 적용이 가능하다. 그러나 선박 내의 국부 적 이상 소음문제는 다양한 곳에서 발생하며, 초기 설계 단계에 서 예측이 어렵고 방음대책도 마련하기 힘들다.
본 논문은 LNG운반선의 ECR(Engine Control Room)에서 발 생한 국부적 이상 소음에 대한 것이다. 소음의 주요 원인은 고압
증기시스템(High Pressure Steam System)의 고체음이며, Hybrid SEA를 이용하여 국부소음해석을 통하여 주 소음원을 추정하였 다. 이를 바탕으로 실선에 고체음을 저감시키는 방음대책을 적용 하였다.
2. 본 론
2.1 문제의 개요
선박의 소음 규정은 국제해사기구(IMO)의 권고를 따르는 경우 가 일반적이며, ECR의 소음 권고치는 75dB(A)이지만, 당사 LNG 운반선의 경우 ECR의 소음 기준치는 국제해사기구 권고치 보다 엄격한 73dB(A)가 적용되었다.
당사가 건조한 LNG 운반선의 ECR에서 기준치보다 높은 소음 이 계측되었다. Fig. 1은 TG가 25% Load에서 ECR에서 소음을 계측한 결과(83dB(A))이며, ECR 내부에서 최대 93dB(A)까지 계 측되었다.
ECR내부에서 주요소음 주파수는 776Hz와 1396Hz였다. 소음 의 주요 요인은 고압증기시스템의 일종인 TG(Turbo Generator)용
SDL(Steam Dumping Line)이었다. Fig. 2와 같이 Steam 양을 조 절하는 Control Valve가 ECR 전면부에 설치되었으며, Steam pipe 가 ECR 하부를 관통하였다.
(a) Octave band
(b) Narrow band
Fig. 1 The Spectrum of ECR (TG Load : 25%)
(a) Control valve
(b) Steam pipe
Fig. 2 Control valve and steam pipe2.2 원인 분석
일반적으로 고압증기 시스템에서 주요 소음원은Steam 양을 조 절하는 Control Valve이며, 그 구조는 Fig. 3과 같다. 입력단과 출 력단의 압력차이에 의하여 소음이 발생하며, 발생된 소음은 Control valve를 통한 공기음과 steam pipe를 가진시켜서 고체음의 형태 로 전달된다.
Fig. 3 Outline of control valve
Fig. 4는 Steam pipe의 진동해석결과이며, 810Hz와 1307Hz 가 계산되었으며, 이는 ECR 내부의 주요소음 주파수와 유사하므 로, ECR의 주요 소음원인은 SDL의 고체음임을 알 수가 있었다.
(a) 3
rdnatural frequency (810 Hz)
(b) 4
thnatural frequency (1307 Hz)
Fig. 4 Ring mode of steam pipe또한 ECR의 이상소음에 대하여 상용해석프로그램인 VA_One 을 이용하여 주 소음원을 고찰하였으며, 소음해석 결과는 Fig. 5 와 같다.
(a) Analysis result due to only ABN source
(b) Analysis result due to only SBN source
(c) Noise analysis result
Fig. 5 The result of noise analysis국부소음해석을 분석한 결과, ECR 내부에서 주요 소음원은 Steam dumping line에 의한 고체음이며, 이를 해결하기 위한 방 음대책을 마련하였다.
2.3 방음대책
SDL은 EGE(Exhaust Gas Economizer)에서 발생된 증기가 TG 를 구동시키고 남은 증기가 배출되는 파이프이며 당사 LNG 운반 선의 SDL배치도는 Fig. 6과 같다. Steam양을 조절하는 Control valve가 ECR 전면부에 위치하며, ECR 하부로 Steam pipe가 배 치되어 있다.
Fig. 6 The arrangement of steam dumping line
일반적으로 방음대책은 소음원, 전달경로 또는 Receiver에서 방음대책을 적용하여 소음을 저감시킨다. 당사 LNG운반선의 경 우, 생산공정과 비용 측면을 고려하여 전달경로에 대하여 방음대 책을 마련하였으며, Table 1과 같다. SDL에서 발생한 고체음은 각종 지지대와 Deck를 통하여 ECR내부에 전달되므로 지지대의 타입을 강지지에서 탄성지지로 변경하였고, SDL과 Deck를 분리
Table 1 The countermeasure for ECR noise
Item Countermeasure
SBN
Deck 상부
▪ 각종 Support 제거
▪ SDL과 deck 분리 Deck하부 ▪ SDL support type 변경
(강지지 → 탄성지지) ABN ▪ SDL insulation yype 변경
(a) Outline of resilient mount
(b) Modified support
Fig. 7 Modified support for SDL하여 공체음의 전달경로를 차단하였다. 또한 공기음 저감을 위하 여 기존의SDL Insulation을 20t (80kg/m3) Mineral wool에서50t (120kg/m3) Mineral wool로 변경하여 차음성능을 높였다.
Fig. 7은 SDL의 하부 지지대를 강지지에서 탄성지지로 변경된 모습이다. 기존의 ECR 하부Steam pipe는 “U” 볼트를 사용하여 지지하였으며, 이것을 고무 마운트로 변경하여 Steam pipe에서 ECR로 전달되는 고체음을 차단하였다.
2.4 방진대책 검증
방진대책을 적합성을 검증하기 위하여 탄성마운트의 힘 전달률 (Force transmissibility)과 Pipe line의 고유진동수를 계산하였다.
ECR 하부에 설치 된 Steam pipe line의 무게는 약 1500kg이 며, 탄성지지는 4군데이고, 탄성마운트의 강성(Stiffness)는 0.96 kN/mm이다.
Fig. 8 SDL under the ECR
SDL를 1차원 스프링-질량 모델로 고려하면 전달률은 식(1)과 같으며,
(1)
여기서, 는 강성, 는 변위, 는 시스템의 고유진동수이며, 는 감쇠비이다.
고체음의 주요 주파수인 776Hz와 1396Hz에서 전달률을 계 산하며, 776Hz에서 전달률은 2.18E-4이고 1396Hz의 전달률은 6.73E-5이므로 이들 주파수 대역에서는 힘이 전달되지 않을 것 으로 판단하였다.
또한 운항 중에 SDL진동검토를 위하여 국부진동해석을 수행 하였다. Target frequency(T.F)는 프로펠러 2차를 고려하여 15.3Hz (Margin 11%)로 하였다. Fig. 9는 SDL의 FE 모델이며, Fig. 10 국부진동해석 결과이며, 1차 고유진동수는 약 15.9Hz로 T.F를 만 족하였다.
Fig. 9 F.E model for SDL
Fig. 10 The result of vibration analysis for SDL (1st natural frequency=15.9Hz)
2.5 계측결과
안벽 조건에서 Fig. 11과 같이 6군데에서 소음을 계측하였으 며, 탄성마운트 위/아래에서 진동을 계측하였다.
소음계측은 ECR 내부에서 3군데, ECR 외부에서 3군데 계측
Fig. 11 Location of noise measurement
하였으며, 그 결과는 Table 2와 같다. ECR 내부의 소음은 에어컨 작동여부 및 Steam의 유무에 따라 소음을 계측하였으며, 3군데 에서 계측한 소음의 평균값으로 평가를 하였으며, 기준치(73dB(A)) 를 만족하였다.
Table 2 The result of noise measurement
Location Noise Levels (dB(A))
Remark Only A/C Only S.D.L S.D.L-A/C
① 69.4 67.7 70.9
72.5
② 686 69.8 72.2
③ 71.1 71.7 74.3
④ - - 90.7 -
⑤ - - 95.2 -
⑥ - - 106.7 -
Fig. 12는 탄성마운트의 고체음 저감 정도를 알아보기 위하여 탄성마운트 상/하부에서 진동을 계측한 결과이며, 전 영역에서 진동이 감소됨을 알 수가 있으며, 특히 고주파 영역에서 진동저 감이 컸음을 알 수가 있었다.
또한 시운전 중 실선에서 ECR의 소음을 계측하였으며, 평균소 음은 72.3dB(A)로서 안벽 계측결과와 유사하며, 기준치(73.0dB(A)) 를 만족하였다.
Fig. 12 Vibration levels at resilient mount
3. 결 론
본 논문은 당사 LNG 운반선의 ECR에서 발생한 이상 소음에 대하여 원인 분석, 방진대책 및 검증에 관한 것이다. 국부소음해 석 결과, 이상 소음의 주요 소음원은 Steam dumping line에 의한 고체음이었다. 이를 바탕으로 표 1과 같이 방음대책을 마련하였 으며, 전달률과 국부진동해석을 통하여 방음대책의 적합성을 검 토하였다. 방음대책 후 안벽과 실선에서 ECR내부의 소음을 계측 하였으며, 기존 대비 약 20dB(A)의 소음저감 효과를 얻을 수 있 었다.
참 고 문 헌
이철원, 최수현, 김노성, “원통형 Air Reservoir의 과도 소음 현상 규명 및 대처 방안에 관한 연구”, 대한조선학회, 2004.10, pp.618~623.
이도경, 최수현, 김노성, 정성진, “선박 Diesel Generator의 배기 소음 특성, 방음 대책 및 신선 적용 사례”, 소음진동학술대회 논문집, pp.108~115.
엄재광, 김사수, “관내 유속을 고려한 상선의 배기관용 소음기의 성능실험연구”, 대한조선학회논문집, 2001.9, pp.108~115.
Dynamic Analysis using MSC. Patran/Nastran, NAS 122 Workbook, January 2004.
석 호 일 이 도 경 정 태 석 허 주 호
