연속운항 금지구간 통과 시 추진축계의 과도 비틀림진동 해석 및 피로수명 평가

Abstract

최근 들어 지구환경에 대한 관심이 높아지면서 선박 설계에 있어서도 에너지 효율 설계지수(Energy Efficiency Design Index)에 대한 규제가 날로 강화되고 있으며, 친환경 고효율 선박에 대한 선주와 시장의 관심도 증대되고 있다. 따라서 주요 엔진 제작사들은 선박의 추진 효율 향상을 위하여 초장형 스트로크 적용, 저속 운전, 엔진 출력의 정격조정(de-rating)과 같은 방법으로 대처하고 있다. 이와 같은 엔진 형태 및 운전 조건의 변화는 특정 엔진이 적용된 선박의 증속 과정에서 연속운항 금지 구간(Barred Speed Range, BSR)의 통과시간을 지연시키는 현상을 발생시키기도 한다. 연속운항 금지구간은 추진축계의 안전성을 위하여 운전 회피구간으로 설정된 구간으로서, 이 구간의 통과시간이 지연되면 필연적으로 추진축계에 과도한 피로를 누적시키며 피로파손에 대한 추가적인 안전성 평가가 요구된다. 이러한 증속 지연 문제의 근본적인 해결을 위하여 엔진 제작사들의 자체적인 노력이 진행되었고, 선급 역시 연속운항 금지구간 통과에 소요되는 시간과 피로 수명 평가에 대한 규격을 개정하려는 움직임을 보이고 있다. 연속운항 금지구간 통과 시 추진축계의 안전성 확보는 조선 업계의 입장에서는 매우 중요한 문제이며, 시행착오에 따른 과도한 비용을 절감하기 위해서는 선박 설계단계에서 신뢰할 수 있는 추진축계 피로 평가 시스템 구축이 반드시 필요하다. 본 논문에서는 선박의 연속운항 금지구간 통과 시 추진축계의 피로수명 계산을 통한 안전성 평가를 위하여 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 추진축계의 동적 거동을 모사하였다. 추진축계의 진동해석은 기존의 주파수 영역에서 수행되는 정상상태 비틀림 진동 해석이 아닌 시간영역에서의 과도 비틀림 진동 해석을 통하여 이루어졌다. MAN사의 G-type 엔진을 대상으로 추진축계 비틀림 진동 해석 모델을 구성하였고, 운전 중 추진축계 안전성을 위한 엔진 토크 한계(Torque Limit), 가속 시 프로펠러 선도(bollard pull curve), 증속을 위한 조속기(Governor)의 비례-적분 제어기 등을 적용하여 증속 과정을 시뮬레이션 하였다. 시뮬레이션 결과와 실제 시운전시 얻은 데이터를 비교하여 정확도를 검증하였으며, 이를 이용하여 DNVGL 선급에서 제시한 방법대로 추진축계의 피로수명을 평가하였다. 본 연구의 결과로 선박의 연속운항 금지구간 통과 시의 동적 거동을 신뢰도 높게 예측할 수 있었다. 하지만 선박이 운항 시에 마주하는 환경 조건들은 항상 변화하는 것이기 때문에 이러한 변동 조건들을 모두 고려하여 정확도를 향상 시키기 위해서는 시운전 시의 해상 상태에 따른 감쇠 정의, 선박 속도에 따른 반류 특성을 고려한 기관과 선박의 연성계로 확대하여 분석하는 작업 등이 추가적으로 이루어져야 할 것으로 판단된다.