선박의 동적상태 시의 축 거동 분석에 관한 사항은 정적상태만 고려하였던 축계정렬 설계방식으로는 운전 시 프로펠러에서 발생되는 힘에 기인한 선미관 베어링 및 선미관 밀봉장치(seal ring)의 심각한 손상을 방지할 수 없다는 것이 Saitoh에 의해 본격적으로 연구[1]되기 시작된 것으로 보인다. 또한 1990년대부터 선체 유연성 증가에 따른 선체변형량이 커지면서 선미관 베어링의 손상사고가 크게 증가됨에 따라 그 관심이 점차 높아지고 있는 추세이다. 외국의 사례를 보면 R. Kuroiwa, et al.에 의해 선박의 선회시 발생하는 프로펠러 편심 추력을 고려한 선미관 베어링의 건전성평가[2]가 수행되었으며 S. Takahashi, et al.에 의해 수행된 유막 및 축 궤적 분석 연구결과[3]는 프로펠러 동적 하중을 고려하는 것의 중요성을 보여주고 있다. 같은 해 이와 유사하게 수행된 연구결과[4] 역시 반류분포에 의한 횡방향 프로펠러 하중(lateral propeller forces)이 선미관 베어링에 영향을 미치므로 이를 설계 과정에서 고려하여야 축계정렬을 성공적으로 이끌어 낼 수 있다는 것을 보여준다. 한국에서는 최근 CFD 및 모형시험결과를 통한 선박의 직진, 선회시의 프로펠러 하중이 베어링에 미치는 영향에 관한 연구[5]가 수행되었다. 그러나 아직까지는 선박의 프로펠러 하중(hydrodynamic propeller forces)이 선미관 베어링에 미치는 영향을 모든 선종에 일괄적으로 적용할 수는 없고, 사례별로 별도로 다룰 수 밖에 없는 한계가 있다.

본 연구에서는 최근 친환경 고효율 선박으로 등장한 5만톤급 중형화학제품 운반선을 대상으로 선박 운항시 프로펠러로부터 발생하는 수력학적 힘이 추진축계에 미치는 영향을 검토하고자 한다.

본 절에서는 상기과 같은 동적 상태(Dynamic state)에서의 계측방법으로 얻은 주요 결과를 정리한다.

먼저 Figure 7 ~ Figure 9에서는 만재흘수 조건에서 엔진 부하별 스트레인 게이지(SG) 5번부터 7번까지의 회전각 기준으로 전방향(synthesized) 파형신호를 나타내었다.

Figure 7: 
Converted signal measured at No. 5 SG under FLF condition

Figure 8: 
Converted signal measured at No. 6 SG under FLF condition

Figure 9: 
Converted signal measured at No. 7 SG under FLF condition

다음으로 Figure 10 ~ Figure 12에서는 엔진 부하별로 스트레인 게이지 5번부터 7번까지의 원 신호와 지연신호를 x축을 수평, y축을 수직성분으로 하여 궤도선도로 나타내었다.

Figure 10: 
Trajectory of SG No. 5 at FLF condition

Figure 11: 
Trajectory of No. 6 SG under FLF condition

Figure 12: 
Trajectory of No. 7 SG under FLF condition

게이지별 궤도선도를 검토한 결과, 스트레인 게이지 모두에서 엔진부하변동에 큰 영향을 받지 않으면서 비교적 진원형태에 가까운 궤적을 나타내고 있음을 확인하였다.

또한 프로펠러와 가장 가까운 위치의 스트레인 게이지 7번 위치에서는 엔진부하 변동에 따른 회전수 증가로 인한 프로펠러 힘의 영향에 보다 민감함을 알 수 있었다. 스트레인 게이지 7번의 경우, 엔진부하 25% 지점(57 rpm)에서의 궤도의 형상으로 볼때 불평형 또는 축과 베어링의 작은 마찰[7]-[9]이 발생하는 것으로 판단되므로 대상선박의 경우 FLF 조건에서는 가능한 한 25% 상태에서의 장시간 운전을 피하는 것이 축의 안정성 향상에 필요하다. 이러한 현상의 원인은 다음과 같이 추정 가능하다.

(1) 길들임 운전(bearing bed in operation)

길들임 운전이란 프로펠러 축과 베어링 사이의 과도한 마찰로 인한 선미관 베어링의 손상을 방지하기 위해 저부하에서 고부하로 서서히 rpm을 증가시키면서 베어링이 축의 기울기에 맞게 어느 정도 깎여 나가 축이 베어링에 안착될 수 있도록 수행하는 일련의 절차를 말한다. 본 계측의 시점은 시운전 시였으며 따라서 충분한 운항시간이 확보되지 않은 상태로 계측이 수행되었기 때문에 이러한 현상이 나타날 수 있다고 판단되며 이후 베어링이 새로운 부분 경사를 형성하며 자리를 잡은 후에는 축계가 안정될 수 있을 것으로 판단된다.

(2) 수력학적 프로펠러힘의 불평형

선박의 운전중 불균일한 반류에 의해 발생하는 베어링 포스의 불균일함[10]이 축계에 힘과 모멘트로 작용하는 과도 상태로 나타날 수 있다고 판단된다. 그러나 이러한 가정의 검증을 위해서는 불균일한 반류와 이에 따라 프로펠러에 가해지는 수력학적 힘을 보다 정확히 추정할 수 있는 평가방법에 관한 후속 연구가 필요하다고 판단된다.

축의 거동과 관련하여, Figure 12에서와 같이 프로펠러와 가장 가까운 스트레인 게이지 7번 위치의 축 방향이 엔진 부하 증가에 따라 좌측 하방으로 이동하는 것을 알 수 있다.

기본적으로 프로펠러와 게이지 사이가 변형이 없는 직선보라고 가정했을 때 스트레인 게이지 7번 위치에서의 운동 방향은 프로펠러 위치에서의 운동방향과 반대라고 생각할 수 있다. 즉 스트레인 게이지 7번에서 보의 운동방향이 수직상방으로 이동할 때 프로펠러위치에서 보의 운동 방향은 수직하방으로, 스트레인 게이지 7번 위치에서 보의 방향이 좌측으로 이동할 때 프로펠러위치에서 보의 운동방향은 우측으로 이동할 것으로 예상된다. 이러한 가정에 의해 스트레인 게이지 7번에서의 결과를 검토한 결과 프로펠러의 위치는 스트레인 게이지 7번 설치위치의 이동방향과 반대인 우측 상방으로 이동하는 것으로 판단된다.

축 거동과 관련한 이러한 가정의 유효성은 Vartdal에 의해 수행된 실제 프로펠러 근방에서의 굽힘 모멘트 계산 결과[4]와 경향이 일치하는 것에서 확인할 수 있었다. 아울러 본 연구방법의 정확도를 높이기 위해서는 스트레인게이지를 가능한 한 프로펠러와의 거리가 가장 근접하는 위치에 설치해야 할 것으로 판단된다.

본 연구에서는 스트레인 게이지정보로 계산한 굽힘 모멘트를 궤도선도로 분석하였다. 만재흘수 조건에서 계측을 수행하고 선박의 가속 및 직진시 발생하는 프로펠러의 수력학적 힘이 축계의 거동에 미치는 영향을 엔진 부하별로 고찰하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

• (1) 궤도선도 검토 결과 궤적은 스트레인 게이지 모두에서 엔진부하변동에 큰 영향을 받지 않으면서 비교적 진원형태를 나타내고 있음을 확인하였다. 다만, 스트레인 게이지 7번의 경우 엔진부하 25% 상태에서 경미하게 부분마찰 현상이 나타났지만 길들임 운전 후에 점차 안정화 될 것으로 판단된다.
• (2) 축의 거동과 관련하여 프로펠러와 가장 가까운 스트레인 게이지 7번 위치의 축 방향이 엔진 부하 증가에 따라 좌측 하방으로 이동하는 것을 알 수 있다. 기본적으로 프로펠러와 게이지 사이가 변형이 없는 직선보라고 가정했을 때 프로펠러의 위치는 스트레인 게이지 7번 설치위치의 이동방향과 반대인 우측 상방으로 이동하는 것으로 판단되며 이의 유효성은 프로펠러 근방에서 계측을 수행한 선행연구결과를 바탕으로 확인할 수 있었다.
• (3) 본 연구에서 제시된 해석 방법을 통하여 선박 운전시 엔진 부하에 따른 프로펠러의 유체 힘이 추진축계에 영향을 미치고 있음을 확인하였으며 프로펠러축의 이동방향의 양상을 알 수 있어 프로펠러 근방에서 수행하는 계측 방법의 대체방법으로 의미가 있음을 확인하였다.