축계정렬에 관한 일련의 연구는 1950년대 후반 미국 해군[1]에서 시작되어 1970년대에 걸쳐 다양하게 수행되었다. 특히 1961년, 축계의 안정성을 확보하는데 있어 축계 지지베어링간의 적절한 간격과 높이가 중요한 인자[2]가 됨을 인지하게 되었으며 이를 통해 지지베어링이 추진축의 반력을 적절히 분담받게 함으로써 선박의 무부하 또는 과부하로 인한 축계 지지베어링의 손상이 감소하게 되었다. 일반적으로 베어링이 지지할 수 있는 하중의 허용범위내에서 축계 전체 지지베어링의 개수를 1개 줄일 경우 축계 지지베어링이 받게 되는 반력은 상대적으로 커지지만 선체 변형으로 인한 지지베어링 높낮이(offset) 변화에 따른 반력변화는 상대적으로 작아지므로 축계는 보다 안정적인 상태를 확보할 수 있게 됨은 잘 알려져 있다[3]-[6]. 또한 1990년대부터 선체 외판에 고장력 강판(high tensile strengthsteel)을 점차 확대 적용함에 따라 선체 유연성이 증가되었고 이로써 기존 선박 대비 흘수 변화에 따른 선체 변형량이 커져 지지 베어링의 높낮이 변형 또한 증가하여 축계 베어링 사고로 이어지는 빈도가 높아지는 추세를 보였다. 이에 따라 선체변형을 고려한 축계정렬에 관련된 연구가 활발히 진행되었다[7]-[11]. 그러나, 수행된 연구의 내용을 살펴보면 축계정렬 계산은 주로 준-정적(quasi-static) 조건에서 수행되었음을 알 수 있다. 준-정적 조건이란, 계산은 선박이 정지된 조건에서 수행하되, 동적상태를 간접적으로 고려하기 위하여 선박의 계획 최대 속력으로 운전시 발생하는 프로펠러 편심 추력값을 정적 계산에 굽힘 모멘트 요소로, 열팽창에 따른 베어링 높이 상승분을 추가로 반영하여 계산하는 방식을 말한다. 준정적 조건에서는 계산을 비교적 간략하게 수행할 수 있어 시간과 비용을 저감 할 수 있고, 동적 상태의 축 변형량을 대략적으로 파악하는데 용이한 점이 장점이라 할 수 있지만 실제 동적상태 특히 전타시의 과도조건에서 발생할 수 있는 잠재적인 위험요소를 식별할 수 없다는 데에 한계점이 분명하다. 추진 축계의 동적상태를 고려하는 것은 선급 규칙에 명문화 된 비틀림진동[12]이 대표적인 사례라 할 수 있고, 필요시 선주, 선급에 의해 요구되는 경우 간헐적으로 횡진동 및 종진동에 관한 연구가 수행되고 있다[13]. 문헌검토 결과 동적 상태를 고려한 축계 정렬, 즉 회전축의 거동 연구는 Saitoh에 의해 처음 수행된 것으로 조사되었으며 준정적상태 축계정렬 방식만으로는 운전 시 프로펠러 추력에 기인한 선미관 베어링 및 선미관 밀봉장치 실링(seal ring)의 손상[14]이 나타남을 규명하였다. 나아가 Kuroiwa 등 에 의해 수행된 선박의 선회시 발생하는 프로펠러 편심 추력을 고려한 선미관 베어링의 건전성평가 연구[15]는 단순히 동적 상태뿐만 아니라 선박 전타시 선미부 유동장(wake field)이 급격하게 변동하는 과도상태에서 프로펠러 편심추력의 변화가 추진축계에 미치는 영향 또한 선미관 베어링 건전성 평가에 주요 인자가 됨을 제시하였다. 같은 관점에서 Takahashi 등의 유막 및 축 궤적 분석 연구결과[16] 또한 프로펠러 편심추력이 축계에 미치는 영향을 잘 보여주고 있으며 같은 해 수행된 또 다른 연구[17]도 반류분포에 의한 프로펠러 힘(lateral propeller forces)이 선미관 베어링에 영향을 미치므로 이를 설계 과정에서 고려해야 축계 건전성을 성공적으로 이끌어 낼 수 있다는 점을 보여주었다. 또한 유사한 연구관점에서 S. H. Shin에 의해 선박의 직진, 선회시의 프로펠러 하중이 베어링에 미치는 영향에 관한 연구[18]가 수행된 바 있다. 그러나 아직까지는 선박의 프로펠러 추력이 선미관 베어링에 미치는 영향을 모든 선종에 일괄적으로 적용할 수 없는 한계가 있다. 따라서 선행 연구에서 언급된 바[19]-[21]와 같이 선종별 다수의 사례 분석을 통해 향후 통계적인 분석을 수행할 수 있을 기반을 마련해 나가는 것이 중요하다. 본 연구에서는 한국에서 건조된 4700톤급 선박을 대상으로 선박 좌현 전타시 과도상태의 프로펠러 편심추력이 추진축계에 미치는 영향을 검토하고자 한다.

상기와 같은 방법에 의해 도출한 결과는 다음과 같다. 먼저 Figure 13에서는 Table 3의 test#1에 따른 NCR, test#2 및 test#3에 따른 좌현 전타시 계측된 스트레인 게이지 전방향(synthesized) 파형신호를 회전각 기준으로 나타내었다.

Figure 13: 
Strain gauge angle domain signal (synthesized) at two condition respectively

다음으로 Figure 14 및 Figure 15 에서는 상기 두 조건에서의 스트레인 게이지(SG)의 전방향 파형신호를 각각 수직 수평성분으로 분리하여 나타내었으며 좌현 전타시의 과도 상태가 추진축계 거동에 미치는 영향을 비교하기 위하여 Figure 11에 따라 수평성분을 x축, 수직성분을 y축으로 하여 Figure 16에서와 같이 궤도선도(orbit)로 나타내었다.

Figure 14: 
Horizontal and vertical Strain gauge signal at NCR straight condition (test#1)

Figure 15: 
Horizontal and vertical Strain gauge signal at rapid rudder port turn (test#2 and test#3)

Figure 16: 
Orbit plot at NCR and rapid rudder port turn

궤도선도 분석결과 NCR 상태에서는 전형적으로 자유단에서 나타는 원형의 운전형태가 나타남을 확인하였다. 반면, 회전각 기반의 Figure 14 및 Figure 15의 분석결과에서는 NCR 및 좌현 전타시 수평방향 진동 성분이 수직방향 진동성분보다 위상이 약 90° 가량 앞서는 현상이 나타나고 있는데 이는 선미관 내에서 오일 훨(oil whirl) 또는 오일 휩(oil whip)으로 알려진 유체 유도 불안정 상태(fluid-induced instability)의 전형적인 특징으로 판단할 수 있다. 또한 유체 유도 불안정 상태는 Figure 16에서와 같이 orbit이 원형에 가까우며 정방향 세차운동(precession)을 한다는 점이 특징[26]이다. 또한 Figure 16에서는 화살표 방향과 같이 스톨(stall) 징후 발생 전과 발생하는 과정 중의 흥미로운 현상을 보여주고 있다. 스톨(stall)의 원인은 유체의 압력증가, 갑작스런 로터의 증·감속, 등에 따른 유동교란이 원인[26]이므로 선박 직진시 대비 전타시 선미의 유동장의 급격한 변동에 따른 선미관 내의 오일 유동교란이 본 현상의 원인으로 판단된다. 스톨(stall)은 유동교란에 따른 선미부의 압력변화 및 이에 따른 프로펠러 추력의 변화를 가져오며 따라서 선미관 베어링 등 축계 지지베어링의 손상을 초래 할 수 있으므로 본 연구의 결과는 동적상태의 고려가 유의미함을 보여준다고 판단된다. 본 연구선박의 경우 선령과 운항이력을 감안했을 때 예측된 굽힘 응력의 강도와 진폭은 대상선박 축계의 안전성 유지에 영향을 미치지 않는 수준으로 판단된다. 또한 베어링 하중차원에서 고찰은 다음과 같다. 스트레인게이지는 기관실내 선미관 선수 seal에 근접 설치되어 프로펠러와 게이지 사이가 변형이 없는 직선보로 볼 수 있으므로 프로펠러의 운동방항은 스트레인 게이지 위치의 축 거동 방향(시계 하방)과 반대인 반시계 상방으로 이동함에 따라 축을 들어올리는 효과로 선미관 베어링의 국부 하중을 완화시켜 줄 것으로 판단된다. 전술된 연구결과들과 비교할 때 좌현전타 시에는 그 반대의 양상, 즉 축을 베어링 하중방향으로 누르는 경향을 보여 선미관 베어링에 부가 하중을 인가하여 축계 안정성에 부정적인 영향을 미치는 것이 정설로서 받아들여지는 분위기였으나 이번 계측결과를 통해 다른 양상을 보일 수 있음이 확인되었다. 그러나 서론에 기술한 바와 같이 본 연구는 대상선박의 좌현 전타상황에 국한되어 수행되었다. 측정당시의 환경조건, 시간의 제약등에 의해 부분타(좌/우현 10도, 20도) 등에서의 엔진 부하변동 및 선박 진행방향 변화에 따른 영향을 충분히 검토하지 못한 부분, 편심추력의 정량적인 기준이 확립되지 않아 측정결과와의 수치적인 비교가 현 단계에서는 불가한 점은 아쉬움으로 남는다. 또한, 대상선박 뿐 아니라 향후 다양한 선박의 데이터 축적을 통해 프로펠러 편심추력이 추진축계 안정성에 미치는 영향과 그에 따른 실용적 지침 마련은 금후의 과제로 남는다.

본 연구에서는 4,700톤급 선박을 대상으로 좌현 전타 조건에서 프로펠러 편심추력이 축 거동에 미치는 영향을 검토하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

• (1) NCR 상태에서는 전형적으로 정상 운전시 자유단에서 나타는 운전형태를 보이고 있음을 알 수 있었으며 전타시의 과도상태가 프로펠러 편심추력 변화를 유발하여 축의 거동에 영향을 미치는 주요 인자임을 확인하였다.
• (2) 좌현 전타시 선미관 내에서 oil whirl 또는 oil whip으로 판단할 수 있는 유체 유도 불안정 상태와 유동이 불안정하게 될 때 나타는 stall현상이 동시적으로 나타나는 것을 확인하였다.
• (3) 좌현 전타시의 프로펠러 편심추력은 NCR 대비 축을 선미관 베어링으로부터 들어 올리는 힘으로 작용하여 선미관 베어링 하중완화에 기여하고 있음을 증명하였다. 또한 선박에 따라서 기존 연구결과와 반대의 양상을 보일 수 있음이 확인되었다.

선박 전타시 변동되는 프로펠러 편심추력은 선미관내 프로펠러축의 유체에 의한 진동 현상을 야기할 수 있다. 이러한 현상이 축 거동에 미치는 영향은 그동안 축계 정렬 시에는 고려되지 않았던 점을 고려하여 향후 연구에는 과도 상태에서 변화하는 편심추력에 의해 유발되는 불평형 진동에 대한 검토가 필요하다.