선박용 가변피치 프로펠러 시스템 구조설계에 관한 연구

Abstract

본 논문에서는 가변피치 프로펠러의 추진축계시스템, 허브어셈블리 및 유압분배기 박스의 구조설계에 중점을 두었으며, 구성부품에 대한 개별적 설계를 수행하고 구성부품의 조립 일체에 대한 구조해석을 통하여 설계 검정을 하였다. 그리고 설계 및 구조해석 수행과정에서 나타난 문제점에 대하여 대안을 제시하고 개선점은 다음 내용과 같이 설계에 반영하여 선박용 가변피치 프로펠러 추진시스템의 독자적 설계방향을 구축하고자 하였다.

1. 가변피치 프로펠러 추진축계시스템의 설계

미 군사규격 MIL-STD-2189(SH)와 관련도면 NAVSHIPS 803-2145807의 설계기준에 따른 추진축계 응력계산과 가변피치 프로펠러 추진시스템의 구성부품, 즉 추진기 직경, 허브 직경, 추진축과 중간축 직경, 유압조임식 커플링 그리고 분리형 머프 커플링의 규격선정 및 적합한 설계, 추진축 및 중간축 고정 커플링 플랜지의 두께, 커플링 볼트 크기의 설계치 결정은 선급규정과 군사규격에 맞추어 설계가 가능하다.

2. 가변피치 프로펠러 허브어셈블리의 구조설계

허브 어셈블리의 구조설계와 더불어 해석결과에 대한 문제점에 대하여 다음과 같이 대안을 제시하고 개선대책을 수립하였다.

(1) 컬러베어링 허브 바디의 교각부위 응력증가에 따른 구조적 한계에 대한 문제점을 개선하기 위하여 트러니언형의 설계가 필요하며, 이것은 블레이드 수를 5개에서 7개로 확대할 수 있는 기하학적 특성이 있다.

(2) 피스톤 조립체의 저주기 교번부하에 따른 피스톤과 크로스헤드 로드의 설치부위 경계선상에서 피스톤 너트의 헐거워짐에 대한 문제점에 대하여는 너트 결합부에 미치는 구조응답의 값을 줄여야하기 때문에 피스톤과 크로스헤드 로드의 기하학적 특성을 고려한 설계변경의 검토가 선행되어야 할 것이다. 그러나 이것은 정비주기를 최대한 늘리는데 목적을 두어야하며 정비주기 제로(0)의 결과는 얻을 수 없을 것으로 생각된다.

(3) 크로스헤드와 슬라이딩 블록의 접촉압력증가에 따른 슈의 마모와 불균일한 힘의 전달로 슬라이딩블록의 손상에 대한 문제점에 대하여는 슬라이딩 슈의 높이를 기존의 치수보다 20% 높이고 크로스헤드 립의 깊이 또한 20% 깊게 개선하여 적용하였을 경우 슬라이딩 슈에 미치는 등가응력은 평균적으로 6.1% 감소하였으며, 슬라이딩 슈의 상하앞쪽 모서리에 발생하는 접촉압력은 평균 13.9% 감소하였다. 그리고 슬라이딩 슈의 정면하부모서리 변위는 개선전과 후를 비교하여 23~29%의 감소효과를 얻을 수 있었다. 이것은 구성부품의 성능개선과 허브어셈블리의 수명 및 정비주기를 기존의 것과 비교하여 상당히 증가시킬 수 있을 것으로 생각된다.

3. 유압분배기 조립체의 구조설계

유압분배기 조립체의 설계목표는 회전체와 고정체 사이의 베어링누유 최소화에 있으며, 유압분배기의 구조설계와 더불어 다음과 같이 개선안을 수립하였다.

(1) OD박스 링의 베어링 소재에 대한 탄성계수의 변화(B16 ~ B89)는 14.7%의 베어링간극을 줄일 수 있으며, 강철과 배빗소재의 탄성계수는 가능한 한 높게 선택돼야하며, 배빗은 베어링에 미치는 부하나 원주 상 속도가 적기 때문에 단단한 재질로서 미끄럼에 대한 물리적 특성은 안전하고 좋아야한다.

(2) 유압분배기의 회전체와 고정체의 기하학적 특성을 변경하여, OD박스 링 외경의 증가를 20%로 제한하고 OD 박스 링의 오일챔버 내경을 10% 줄여서 적용하였을 경우, 개선후 베어링 간극은 1.275배 감소하였으며, 고압유에서 저압유로의 누유량은 27.5% 줄일 수 있었다.

(3) 폴리아미드 소재의 베어링적용은 배빗에 비하여 누유량을 같은 조건에서 중간베어링에서는 약 28%, 오른쪽 베어링에서는 44% 감소시킬 수 있는 해석결과를 얻었다. 따라서 이것은 향후 실험검증과 더불어 적용하여야 할 것이다.

이상과 같이 유한요소법을 이용한 선박용 가변피치 프로펠러 추진시스템의 추진축계, 허브 및 유압분배기 박스의 구성부품과 조립 일체에 대한 구조해석은 운전부하 상태하에서 가장 높은 응력과 변형 값이 미치는 정확한 위치를 확인할 수 있도록 하였으며, 결과적으로 가변피치 프로펠러 구성부품의 내구성 증대 및 피치 설정의 정확성증대를 위하여 가변피치 추진시스템의 구성부품을 개선할 수 있는 방안을 찾을 수 있게 되었다. 이와 같이 보다 향상되고 기술적으로 진보한 구조설계를 통하여 우수한 품질의 가변피치 프로펠러 추진시스템에 대한 표준설계기틀을 마련하는 계기가 될 것으로 생각한다.

The equivalent stress is reduced to 6% in average, the contact pressure is reduced to 14% in average, and the displacement is reduced to 23～29% over the shoe length.

The structural properties of the OD box ring, bearings and pipe connections are simulated with the finite element program, ANSYS. The strength of the twin tubes and details of the OD box are also simulated with the above program. The strength and vibration of the twin tubes are also evaluated to define the behavior of oil distribution box.

The variation of OD box ring and bearing material is checked to evaluate the properties with small gap which is based on steel for OD box ring and babbitt or polyamide for bearings. The variation of the modulus elasticity is in the range about 10% ~ 25% of difference for babbitt materials. The modulus elasticity of polyamide is about four times higher than that of babbitt materials. The difference between the deformative displacements of babbitt materials and the maximum stresses of each material are estimated for cyclic load of the bearing. The result of structural responses can be used to estimate the fatigue properties of the bearing body and it can be also used to estimate the babbitt metal bonded to steel of the OD box ring which is under the oil pressure of 5.5 and 11 at full ahead condition. For the above mentioned conditions, the structural properties of the bearing and pipe connection are balanced along with deformative displacements, contact pressure and friction stress values. To improve OD box ring performance, three different methods can be adapted to minimize the leakage. One is to use the modulus elasticity of the babbitt materials, another one is to use the geometrical characteristics of the OD box ring with bearing, and the last one is to change the bearing materials from babbitt to polyamide. Mutual combination of the material properties and geometrical characteristics makes a promise to minimize operational gap between high and low pressure lines through the bearing and stub shaft, thereby improving the accuracy of CPP control system.

As a result, the presented structural analysis makes it possible to identify the precise position on which the highest stress and deformation are exerted under the operational loads, thereby not only increasing the durability of the parts in CPP system, but also improving the accuracy of pitch fixation. Moreover, the advanced structural design method presented in the thesis will be a successful standard paradigm for designing a high quality CPP system.

The thesis is focused on the structural design of main propulsion shafting, hub assembly and oil distribution(OD) box for a marine controllable pitch propeller(CPP) system. For the proper design of the CPP system satisfying the requirements of customers, especially of naval vessel including battle warship, structural analysis and calculation are performed in accordance with classification society requirements and the U.S. Military Specification MIL-STD~2189(SH) along with the drawing of NAVSHIPS 803-2145807.

The designing items of CPP shafting include propeller diameter, hub diameter, size of OD box mounted on the shaft or gearbox, diameter of the propeller and intermediate shafts, thickness of coupling flanges and size of coupling bolts.

In the structural design of hub assembly, the strength and mass of each component of the hub mechanism are important factors to determine the accuracy and speed of blade pitch as well as durability of the CPP system. The strengths of propeller hub, connection pipes and oil distribution device are evaluated by using the finite element method in connection with structural mechanics. The stiffness and strength of their detailed part of complicated shapes are checked by the same method. Linked mechanical parts from blade flange to control valve of oil distribution device should be maintained as short as possible by changing the size of CPP system.

To improve the performance of control system, the stiffness of its components of complicated shapes should be simulated in various positions. The contact conditions and elastic displacements of the propeller hub components(i.e., piston, cross head, cross head rod, cross head bearing, end plate, end plate bearing, collar bearings, sliding shoes, crank pins, crank pin rings and blade flanges) should be checked.

In addition to the above items, numerical correlations of the blade loads, the pressure of the collar bearings including crank pin rings, sliding shoes, and the strengths of cross head lips should also be evaluated.

The elastic displacement toward circumference direction is estimated to provide the hub shape in which the stiffness of the collar bearing is the best distributed. The shape of actuating piston is also considered in association with the correlation of cone angle and stiffness under the different operational pressures.

To improve structural responses of sliding blocks on the cross head, the height of sliding shoe is increased about 20% compared to original shoe and it is analyzed with ANSYS program.

The results show as follows