전기 모터 구동 대빙급 추진 시스템의 과도 비틀림 진동 분석

Transient Torsional Vibration Analysis of Ice-class Propulsion Shafting System Driven by Electric Motor

선박의 추진축계는 외부 변동 부하에 의해서 축계 손상을 일으킬 수 있다. 이러한 추진축계의 동역학적인 특성은 운전 중에 일어나는 공진을 견딜 수 있거나 또는 피하도록 설계 및 최적화 해야 한다. 이러한 공진은 대빙급 선박의 추진시스템의 설계에 요구되는 프로펠러에서 유체역학적인 상호작용에 기인한다. 추진축계는 프로펠러와 대빙 사이의 상호관계로 인한 과도부하와 시스템의 공진에 의해서 진지한 응력을 받게 된다. 이 논문은 대빙이 적용된 극지 연구 선박에서 추진축계의 과도비틀림 진동응답을 검토하고자 한다. 추진축계는 전기모터로 구동되는 원동기, 탄성커플링 기어 및 프로펠러로 구성되어 있다. 이론적인 해석은 프로펠러의 대빙 부하를 기진력으로 과도비틀림진동 해석을 수행하였다. 그리고 실선에서 비틀림 진동을 계측하고 공진점을 확인하고 이를 이용하여 추진축계 한계 설계 토크에 대한 적용된 평가 요소를 국제선급연합 규정과 비교하였다. 전기모터를 갖는 추진축계에서 공진을 초래하는 탄성커플링의 강성 선정의 영향을 검토하였다.

A ship's propulsion shafting system is subjected to varying magnitudes of intermittent loadings that pose great risks such as failure. Consequently, the dynamic characteristic of a propulsion shafting system must be designed to withstand the resonance that occurs during operation. This resonance results from hydrodynamic interaction between the propeller and fluid. For ice-class vessels, this interaction takes place between the propeller and ice. Producing load- and resonance-induced stresses, the propeller-ice interaction is the primary source of excitation, making it a major focus in the design requirements of propulsion shafting systems. This paper examines the transient torsional vibration response of the propulsion shafting system of an ice-class research vessel. The propulsion train is composed of an electric motor, flexible coupling, spherical gears, and a propeller configuration. In this paper, the theoretical analysis of transient torsional vibration and propeller-ice interaction loading is first discussed, followed by an explanation of the actual transient torsional vibration measurements. Measurement data for the analysis were compared with an applied estimation factor for the propulsion shafting design torque limit, and they were evaluated using an existing international standard. Addressing the transient torsional vibration of a propulsion shafting system with an electric motor, this paper also illustrates the influence of flexible coupling stiffness design on resulting resonance. Lastly, the paper concludes with a proposal to further study the existence of negative torque on a gear train and its overall effect on propulsion shafting systems.