KR20100127694A - 대형 크로스헤드 디젤 엔진 - Google Patents

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KR20100127694A
KR20100127694A KR1020100026721A KR20100026721A KR20100127694A KR 20100127694 A KR20100127694 A KR 20100127694A KR 1020100026721 A KR1020100026721 A KR 1020100026721A KR 20100026721 A KR20100026721 A KR 20100026721A KR 20100127694 A KR20100127694 A KR 20100127694A
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실반 카이저
사무엘 쇠니첸
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베르트질레 슈바이츠 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 크랭크 샤프트(3)를 수용하기 위한 기저 플레이트(2) 및 2개의 외벽(4)을 구비한 스탠드(5)를 포함하는 대형 크로스헤드 디젤 엔진에 관한 것으로, 상기 스탠드는 상기 기저 플레이트(2) 상에 배치되고, 횡방향 지지벽(7)에 의한 2중 벽이 형성된 1개 이상의 지지체(6)를 포함하며, 인접한 두 크로스헤드(9)를 위한 슬라이딩면(8)을 포함한다. 상기 스탠드(5) 상에 배치된 실린더부(10)가 실린더를 수용하도록 되어 있으며, 상기 기저 플레이트(2), 상기 스탠드(5) 및 상기 실린더부(10)는 스탠드(5)의 영역에서 2중 벽 구조의 지지체(6) 내에 연장되는, 1개 이상의 타이-로드(11)에 의해 서로 연결된다. 단일 벽으로 이루어진 횡방향 지지 부재(12)가 기저 플레이트(2) 내에 제공되며, 상기 기저 플레이트(2)는 크랭크 샤프트(3)를 저널하기 위한 1개 이상의 베어링 새들(13)을 포함한다. 본 발명에 따르면, 타이-로드(11)는 크랭크 샤프트(3)의 종축(K)과 스탠드(5)로부터 이격된 기저 플레이트(2)의 하단부 사이의 영역에서 베어링 새들(13)의 절취부(14) 내에 절취부(14)로부터 제거될 수 있는 고정 부재(15)에 의해 고정된다.

Description

대형 크로스헤드 디젤 엔진{LARGE CROSSHEAD DIESEL ENGINE}
본 발명은 독립청구항 제1항의 전제부에 따른 대형 크로스헤드 디젤 엔진에 관한 것이다.
선박 건조(ship building) 또는 예를 들어 전력 생산용 고정식 설비(stationary installations) 등에 바람직하게 사용될 수 있는 크로스헤드 구조의 대형 디젤 엔진은 엔진의 프레임을 형성하는 3개의 대형 하우징부를 포함한다. 소위 스탠드(stand)가 하부 플레이트(bottom plate)에 의해 분리된 기저 플레이트(base plate) 상에 배치되고, 상기 기저 플레이트는 크랭크 샤프트를 수용하기 위한 크랭크 샤프트 주 베어링을 갖는 베어링 새들(bearing saddle) 외에도, 횡방향 지지 부재를 포함한다. 상기 스탠드는 대형 디젤 엔진의 실린더 개수에 따른 복수의 지지체를 포함하고, 이 지지체 각각은 푸시 로드를 통해 크랭크 샤프트에 연결되는 2개의 인접한 크로스헤드(crossheads)를 안내하기 위해 수직으로 연장되는 슬라이딩면을 포함한다. 이와 관련하여, 수직하게 연장되고 대향 배치된 2개의 슬라이딩면 각각은 중앙 벽에 의해 추가로 지지된다. 일반적으로, 각각의 지지체는 공동 금속 커버 시트(common metal cover sheet)에 의해 서로 연결된다. 보통 실린더 자켓(cylinder jacket)이라고도 불리는 실린더부가 스탠드 상의 금속 커버 시트에 배치되면, 복수의 실린더 라이너를 수용하는데 사용될 수 있다. 이러한 점에 있어서, 기저 플레이트, 스탠드 및 실린더부는 타이-로드(tie-rods)에 의해 서로 연결되는 바, 상기 타이-로드는 상당한 사전 응력(pre-stress)을 받으며 기저 플레이트 안으로 나사 체결된다는 점에서 스탠드 영역에서의 지지체 내부에 통상 연장된다.
DE 3 512 347 C1으로부터, 왕복 피스톤 엔진의 크로스헤드 슬라이딩 트랙을 위한 2중 벽 구조로 된 지지부를 포함한 스탠드가 공지되어 있다. 실린더 라이너의 수용을 위해 실린더 자켓이 위치된 스탠드는 기저 플레이트의 금속 하부 플레이트 상에 배치되고, 상기 금속 하부 플레이트는 비스듬히 연장된 외벽 및 수직 슬라이딩면과 함께, 공동 금속 커버 시트에 의해 서로 연결되는 사다리꼴형 단면의 2개의 프레임을 형성한다. 사다리꼴형 프레임이 횡방향 지지벽에 의해 상기 외벽과 상기 슬라이딩면 사이에 채워져, 2중 벽 구조로 이루어진 지지체가 지지부로서 형성된다. 기저 플레이트는, 하부 베어링 쉘 및 베어링 커버를 갖는 상부 베어링 쉘을 포함한, 베어링 새들을 포함하고, 크랭크 샤프트는 상기 베어링 쉘에 의해 기저 플레이트의 베어링 새들 내에 저널된다. 엔진의 실린더 자켓, 스탠드 및 기저 플레이트는, 크랭크 샤프트 밑 또는 베어링 새들 내에 사전 응력을 받으며 고정되는, 타이-로드에 의해 서로 지지된다.
공지된 이러한 대형 크로스헤드 디젤 엔진에 있어서, 스탠드의 2중 벽 구조로 이루어진 지지체는 또한 기저 플레이트의 2중 벽 구조로 이루어진 지지 부재에 지지된다. 이것이 의미하는 바는, 스탠드와 기저 플레이트는 모두 2중 벽 구조의 횡방향 지지벽으로 이루어져 있다는 것이다.
그런데, 상기 종래 기술로부터 공지된 대형 크로스헤드 디젤 엔진의 구조는 일부 중대한 단점을 갖는다. 지지 부재는 용접 시임(weld seams)에 의해 기저 플레이트 내에 고정된다. 지지 부재가 대향하여 배치된 2개의 벽으로 된 2중 벽 구조로 이루어질 때, 기저 플레이트에서 2중 벽 지지 부재를 형성하는 2개의 벽 사이의 용접 시임은 백-웰딩(back-welding)될 수 없기 때문에, 기저 플레이트의 강도 또는 안정성을 얻는 것에 있어 문제점이 발생된다. 기저 플레이트의 지지 부재의 벽이 스탠드 내의 지지체의 지지벽에 접하며 배치되어야 하기 때문에, 스탠드에 대해 기저 플레이트를 정렬시키기 어렵다. 또한, 타이-로드는 새들의 하단부, 즉 크랭크 샤프트 밑에 고정되어, 타이-로드는 베어링 새들 내의 구멍, 소위 타이-로드 파이프를 통해 베어링 새들의 하부 영역 안으로 안내되어야 한다. 타이-로드가 상당한 사전 응력을 받으며 베어링 새들 밑에 고정되어야 하므로, 베어링 새들의 실질적인 비틀림이나, 베어링 쉘의 변형이 발생된다. 따라서, 공지된 기저 플레이트는 비교적 경도가 높으며, 단순히 구조적인 측면에서 볼 때, 비교적 복잡하거나 고가이다.
이러한 문제는 EP 1 382 829에 기재된 것과 같은 장치를 사용하여 실제로 해결된다. EP 1 382 829에 개시된 대형 크로스헤드 디젤 엔진은 단일 벽 구조로 이루어진 횡방향 지지 부재를 포함하는 기저 플레이트로 구성되어 있다. 다시 말하면, 단일 벽 구조의 기저 플레이트 상에 처음으로 2중 벽 구조의 스탠드가 배치되었다. 상기 대형 크로스헤드 디젤 엔진의 기저 플레이트, 스탠드 및 실린더부는 타이-로드에 의해 서로 연결되는데, 상기 타이-로드는 스탠드의 영역에서 2중 벽 구조의 지지체 내부에 연장되어, 단일 벽 구조의 지지 부재를 포함한 기저 플레이트의 베어링 새들 내에 고정된다.
이 점에 있어서, EP 1 382 829에 따른 발명에 이르러, 스탠드가 2중 벽 구조의 지지체들로 구성될 때 안정성의 이유로 기저 플레이트의 2중 벽 구조가 절대적으로 필요한 것으로 고려되었다. 타이-로드가 상당한 사전 응력을 받으며 기저 플레이트 내에 고정되어야 하기 때문에, 스탠드의 하부, 기저 금속 시트 및 베어링 새들 영역에서의 굽힘 하중으로 인한 스탠드의 2중 벽 구조의 지지체와 기저 플레이트의 단일 벽 구조의 지지 부재의 결합으로 수용될 수 없는 재료의 기계적 변형이 예상된다. 또한, 종래에는 단일 벽 구조의 기저 플레이트와 2중 벽 구조의 스탠드의 결합으로 예상될 수 있는 소위 "프레팅(fretting)"의 문제를 해결하지 못했다. "프레팅"은 스탠드와 기저 플레이트 사이의 접촉면에서 발생할 수 있는 특수한 종류의 마찰 부식으로 이해된다. 따라서, 종래에는 앞서 말한 이유들 때문에, 2중 벽 구조의 스탠드와 단일 벽 구조의 기저 플레이트의 결합이 부적합한 것으로 간주되었다. 그러나, 이러한 문제들은, 그에 상응하여 스탠드와 기저 플레이트가 타이-로드의 영역에 형성되는 경우에 발생되는 힘의 흐름에 의해 방지될 수 있음을 알 수 있었다.
이와 관련하여, EP 1 382 829에 따라 타이-로드는 구멍을 통해 베어링 새들 전부를 관통하도록 안내되어, 예컨대 타이-로드 너트에 의해 베어링 새들 밑에 나사체결되는 것이 아니라, 크랭크 샤프트의 축 위, 즉 크랭크 샤프트의 중심축과 스탠드 사이에 제공되는 베어링 새들의 나사 구멍 내에 고정되는 것이 실제로 특히 중요하다. 이렇게 함으로써, 우선, 베어링 새들의 상당한 신장 가능성을 효과적으로 방지하는 것이 가능해졌다. 다시 말해, 만일 타이-로드가 크랭크 샤프트의 축 위의 기저 플레이트 내에 고정된다면, 타이-로드에 가해지는 상당한 인장 응력은 변형의 형태로 크랭크 샤프트 베어링에 더이상 전달되지 않는다.
단일 벽으로 이루어진 기저 플레이트의 추가 장점으로, 기저 플레이트는 크랭크 샤프트의 움직임에 대해 훨씬 더 유연하게, 즉 훨씬 덜 강성적으로 반응한다. 이에 따라, 크랭크 샤프트의 베어링 시스템 및 크랭크 샤프트 자체에 가해지는 하중이 상당히 감소되어, 기계의 주행 특성은 전부 매우 개선된다.
이러한 모든 개선에도 불구하고, EP 1 382 829에 따라 타이-로드를 기저 플레이트 내에 고정하는 방법은 몇가지 단점을 갖는다. 타이-로드는, 타이-로드를 기저 플레이트의 나사 구멍 내에 나사체결함으로써, 기저 플레이트에 비교적 단단히 연결된다. 작동 상태에서 대형 디젤 엔진의 가장 큰 가변 하중, 특히 굽힘 하중, 진동 및 기계적 외력에 의한 타이-로드의 그 외의 신장으로 인해, 특히 나사 구멍의 영역에서 타이-로드의 손상이 일어날 수 있어서, 예컨대 위험한 균열이 타이-로드에 일어날 수 있으며, 가장 최악의 경우에는 타이-로드가 상당한 사전 응력 하에서 파단될 수 있다. 예컨대 타이-로드가 다소 불균일하게 사전 응력을 받을 때, 이러한 손상은 특히 크므로, 예컨대 인접한 2개의 타이-로드는 상이한 사전 응력 하에 있게 된다.
또한, 예컨대 나사 체결하거나 풀 때, 또는 작동 상태에서 기계적 하중으로 인해, 나사 구멍의 나사산의 손상이 발생될 수 있으며, 이러한 손상은 상당한 노력 및/또는 비용을 들여야만 제거될 수 있거나, 최악의 경우에는 어떠한 방법으로도 제거될 수 없기 때문에, 기저 플레이트의 대응 부품은 교체되어야 하는데, 이는 복잡하고, 시간소비적이며, 고가이다.
또한, 특히 나사 구멍이 매우 정밀하고 신중하게 기저 플레이트에 형성되어야 하기 때문에, 나사구멍의 형성은 그 자체로 매우 복잡하고, 고비용 과정인 것을 알 수 있었다.
이러한 문제가 EP 1 826 387에 따른 발명에 의해 처음으로 상당히 해결될 수 있었다. EP 1 826 387에서는, 크랭크 샤프트 위의 구멍 내에 체결되는 타이-로드의 문제점를 해결하기 위한 대형 크로스헤드 디젤 엔진이 제시되어 있는 바, 여기에는 단일 벽으로 이루어진 횡방향 지지 부재가 기저 플레이트에 제공되며, 타이-로드가 크랭크 샤프트의 종축과 스탠드 사이의 영역에서 베어링 새들의 절취부 내에 절취부(cut-out)로부터 제거될 수 있는 고정 부재에 의해 고정된다.
EP 1 826 387에 따르면, 타이-로드가 크랭크 샤프트의 종축과 스탠드 사이의 영역에서 베어링 새들의 절취부 내에 절취부로부터 제거될 수 있는 고정 부재에 의해 고정되기 때문에, 타이-로드는 나사 구멍을 통해 베어링 새들에 더이상 일체거동 가능하게 연결되지 않는다. 다시 말해, 타이-로드는 베어링측 단부에 나사 연결부가 형성되어 있으며, 이 나사 연결부가 베어링 새들의 구멍 내로 자유롭게 안내되어, 예컨대 절취부에서 탈착가능하게 제공되는 타이-로드 너트에 의해 절취부 내에 고정된다. 또한, 타이-로드의 이러한 체결 방식에 의해, 타이-로드가 설치 상태에서 받게되는 높은 인장 응력 하에서도 타이-로드와 베어링 새들 사이의 높은 유연성이 보장되어, 작동 상태에서 불가항력적으로 발생될 수 있는 그러한 진동, 굽힘 하중 등의 타이-로드에 대한 기계적 하중이 유연해질 수 있기 때문에, 이러한 기계적 하중은 타이-로드 또는 나사 연결부 및/또는 타이-로드와 나사 구멍의 시스템으로만 더이상 흡수될 필요가 없다.
예를 들면, 타이-로드의 제조 결함이나, 필요한 주의에 따른 타이-로드 설치의 불이행, 예컨대 상이한 사전 응력에 따른 2개의 타이-로드의 설치로 인해, 예컨대 타이-로드의 파손 또는 균열이 발생하더라도, 결함이 있거나 파손된 타이-로드는, 예컨대 타이-로드용 나사 구멍이 복잡하거나 고가의 방법으로 파단된 부품으로부터 자유로워지거나, 심지어는 이러한 나사 구멍이 수리되어질 필요없이, 특히 간단한 방식으로 교체될 수 있다.
따라서, EP 1 826 387에 따르면, 타이-로드의 설치 또는 해체는 매우 간단하여 비용이 절감되고, 특히 결함이 있는 타이-로드의 경우, 전체 선박의 작동 안전성을 향상시킨다.
그러나, 이러한 해결 수단은 여전히 개선 여지가 있음이 밝혀졌다.
다시 말하면, 타이-로드가 크랭크 샤프트 축 위의 베어링 새들의 절취부 내에 고정된 EP 1 826 387에 따른 해결 수단에 의해, 베어링 새들의 반경부, 특히 베어링 캡과 배어링 새들의 접촉점에서 실질적으로 어떠한 압축 사전 응력도 발생되지 않는다.
이러한 압축 사전 응력은 타이-로드가 크랭크 샤프트 밑에 고정될 때 발생되는 타이-로드 사전 응력에 의해 나타난다. 이는, 종래 공지된 엔진에서의 타이-로드가, 예컨대 너트에 의해 베어링 새들의 하단부에 고정된다는 것을 의미한다. 이에 따라, 베어링 새들의 상기 반경부는 타이-로드의 사전 인장 응력에 영향을 받기 쉽다.
또한, 다수의 종래 엔진 모델은, 사실상 타이-로드의 높은 인장 응력의 단점과는 별도로, 기저 플레이트가 크랭크 샤프트 축 위에 충분한 공간을 제공하지 않기 때문에, 크랭크 샤프트 축 위에 EP 1 826 387에서 제시된 고정부를 구비한 해결 수단으로 개조될 수 없다.
따라서, 본 발명의 목적은, 단일 벽으로 이루어진 기저 플레이트, 및 한편으로 EP 1 826 387에 따른 절취부(cut-out)로부터 제거될 수 있는 고정 부재에 의해 타이-로드가 절취부에서 탈착식으로 고정되는 장점을 이용하는 동시에, 베어링 새들의 반경부에서의 인장 응력 또는 압축 사전 응력이 갖는 문제점을 방지하는, 타이-로드의 개량된 고정부를 구비한 대형 크로스헤드 디젤 엔진을 제공하는데 있다. 또한, 기저 플레이트가 크랭크 샤프트 축 위에 매우 작은 공간을 제공하는 종래의 엔진을 적은 노력 및/또는 비용으로 개조시킬 수 있는 해결 방안이 제공되어야 한다.
이들 목적을 만족시키는 본 발명의 대상은 독립청구항 1의 특징부에 의해 규정된다.
종속청구항은 본 발명의 특히 바람직한 실시예를 나타낸다.
따라서, 본 발명은 크랭크 샤프트를 수용하기 위한 기저 플레이트 및 2개의 외벽을 구비한 스탠드를 포함하는 대형 크로스헤드 디젤 엔진에 관한 것으로, 상기 스탠드는 상기 기저 플레이트 상에 배치되며, 횡방향 지지벽에 의한 2중 벽이 형성된 1개 이상의 지지체를 포함하고, 인접한 두 크로스헤드를 위한 슬라이딩면을 포함한다. 상기 스탠드 상에 배치된 실린더부가 실린더를 수용하도록 되어 있으며, 상기 기저 플레이트, 상기 스탠드 및 상기 실린더부는 스탠드의 영역에서 2중 벽 구조의 지지체 내에 연장되는, 1개 이상의 타이-로드에 의해 서로 연결된다. 단일 벽 구조로 이루어진 횡방향 지지 부재가 기저 플레이트 내에 제공되며, 상기 기저 플레이트는 크랭크 샤프트를 저널하기 위한 1개 이상의 베어링 새들을 포함한다. 본 발명에 따르면, 타이-로드는 크랭크 샤프트의 종축과 스탠드로부터 이격된 기저 플레이트의 하단부 사이의 영역에서 베어링 새들의 절취부 내에 절취부로부터 제거될 수 있는 고정 부재에 의해 고정된다.
타이-로드는 크랭크 샤프트의 종축과 스탠드로부터 이격된 기저 플레이트의 하단부 사이의 영역에서 베어링 새들의 절취부 내에 절취부로부터 제거될 수 있는 고정 부재에 의해 고정되기 때문에, 크랭크 샤프트 베어링의 반경부 영역은 사전 설정가능한 방식의 타이-로드의 사전 응력에 의한 압축 사전 응력을 받게 된다. 그와 동시에, 타이-로드는 나사 구멍을 통해 베어링 새들과 일체거동이 가능하게 연결되지 않는다. 다시 말해, 타이-로드는 베어링측 단부에 나사 연결부가 형성되어 있으며, 이 나사 연결부는 베어링 새들의 구멍을 통해 자유롭게 안내되어, 예컨대 절취부에서 탈착가능하게 제공되는 타이-로드 너트에 의해 절취부 내에 고정된다. 또한, 타이-로드의 이러한 체결 방식에 의해, 타이-로드가 설치 상태에서 받게되는 높은 인장 응력 하에서도 타이-로드와 베어링 새들 사이의 높은 유연성이 보장되어, 작동 상태에서 불가항력적으로 발생될 수 있는 그러한 진동, 굽힘 하중 등의 타이-로드에 대한 기계적 하중이 유연해질 수 있기 때문에, 이러한 기계적 하중은 타이-로드 또는 나사 연결부 및/또는 타이-로드와 나사 구멍의 시스템에 의해서만 더이상 흡수될 필요가 없다.
예를 들면, 타이-로드의 제조 결함이나, 필요한 주의에 따른 타이-로드 설치의 불이행, 예컨대 상이한 사전 응력에 따른 2개의 타이-로드의 설치로 인해, 예컨대 타이-로드의 파손 또는 균열이 발생하더라도, 결함이 있거나 파손된 타이-로드는, 예컨대 타이-로드용 나사 구멍이 복잡하거나 고가의 방법으로 파단된 부품으로부터 자유로워지거나, 심지어는 이러한 나사 구멍이 수리되어질 필요없이, 특히 간단한 방식으로 교체될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따르면, 타이-로드의 설치 또는 해체는 매우 간단하여 비용이 절감되고, 특히 결함이 있는 타이-로드의 경우, 전체 선박의 작동 안전성을 향상시킨다.
또한, 본 발명에 따르면, 종래의 엔진은 기저 플레이트의 높이가 변경되지 않는 체결 시스템으로 매우 쉽게 개조될 수 있다.
횡방향 지지 부재와 베어링 새들이 단일 벽으로 이루어져 있기 때문에, 한편으로 지지 부재와 베어링 새들은 작동 상태에서 발생하는 상당히 높은 부하 하에서 탄성막 거동을 나타내며, 다른 한편으로 기저 플레이트의 단일 벽 구조, 즉 지지 부재의 단일 벽 구조는, 지지 부재의 양 측면에 접근이 용이하여, 2중 측벽 방식의 용접 시임이 아무런 문제없이 백 웰딩(back welded)될 수 있기 때문에, 보다 높은 용접 특성을 허용한다.
이와 관련하여, 크랭크 샤프트 베어링의 반경부 영역에서 요구되는 압축력은 다양한 측정 도구를 사용하여 이상적으로 정해질 수 있다. 예를 들면, 이상적인 압축력은, 특정 기계 장치의 유형, 기계 장치의 동력, 기하학적 형상, 즉 예컨대 엔진의 크기 또는 기타 다른 제약 조건에 따라 각각의 경우의 반경부에서의 압축 응력을 개별적으로 선택하기 위해, 제거가능한 고정 부재에 의해 타이-로드가 고정되는 절취부의 위치를 직접 선택하여 정해질 수 있으므로, 구체적인 경우인 크랭크 샤프트 베어링의 반경부에서는 이상적인 압축 응력 또는 압축 응력 분포가 항상 얻어질 수 있다. 이를 위해, 타이-로드의 특정 경사각이 대안적으로 또는 추가적으로 선택될 수도 있는바, 이에 대해서는 추후에 도 5를 참조하여 더 자세히 설명하기로 한다.
베어링의 반경부에서의 이상적인 압축 응력이나 압축 응력 분포를 설정하기 위해, 바람직하게 절취부가 크랭크 샤프트의 종축과 크랭크 샤프트의 하부 경계선 사이의 영역에 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 대형 크로스헤드 디젤 엔진의 바람직한 실시예에 따르면, 지지체의 횡방향 지지벽은 스탠드 내에서 실린더부의 방향으로 V자 모양으로 연장되는데, 다시 말해, 상기 횡방향 지지벽의 간격이 실린더부의 방향, 즉 상향으로 넓어지면서 연장되고, 인접한 두 크로스헤드를 위한 슬라이딩면은 상기 횡방향 지지벽에 배치된다. 이와 관련하여, 대향 배치된 2개의 슬라이딩면 사이에는 지지용 중앙 벽이 추가로 배치될 수 있다.
본 출원의 관점에서, 여기서의 "횡방향"은 대형 디젤 엔진의 크랭크 샤프트의 축이 연장되는 방향에 대해 실제로 수직한 방향으로 이해될 수 있다.
주지한 바와 같이, 크로스헤드가 슬라이드 트랙에 대해 작용하여, 지지체의 지지벽에 의해 전달되는 수직력은, 크로스헤드에 연결되어, 대형 크로스헤드 디젤 엔진의 실린더 내에서 공지된 방식으로 왕복운동할 수 있게 배치된 피스톤의 운동의 상사점 부근에서 가장 크기 때문에, 상기 수직력은 지지체의 V자형 구조에 의해, 특히 스탠드의 상부 영역에서 매우 쉽게 흡수되거나 리프 오프(led off)될 수 있다. 물론, 지지체의 횡방향 지지벽은 특히 설계값으로 인해 서로 평행하게 배치될 수도 있다.
반드시 그렇지는 않지만, 타이-로드는 바람직하게 스탠드의 영역에서 지지체의 횡방향 지지벽 사이의 중앙에 연장될 수 있고, 기저 플레이트에서 단일 벽 구조로 이루어진 지지 부재는 타이-로드의 종축에 평행하게 배치될 수 있다.
이와 관련하여, 기저 플레이트는 크랭크 샤프트의 저널링을 위한 1개 이상의 베어링 새들을 포함하며, 타이-로드는 바람직하게 타이-로드 너트에 의해 베어링 새들의 절취부 내에 고정될 수 있다.
특히 바람직한 경우로서, 타이-로드가 스탠드 영역에서의 지지체의 횡방향 지지벽 사이의 중앙에 연장되고, 기저 플레이트에서 단일 벽으로 이루어진 지지 부재가 타이-로드의 종축에 평행하게 배치되는 것이 알려져 있다. 물론, 타이-로드는 횡방향 지지벽 사이의 중앙에 반드시 연장될 필요는 없으며, 단일 벽 구조의 지지 부재 또한 타이-로드의 종축에 평행하게 반드시 배치될 필요가 없다.
또 다른 실시예에 따르면, 타이-로드는 지지체의 횡방향 지지벽 사이에 비대칭적으로 배치될 수도 있는데, 즉 타이-로드는 지지체의 횡방향 지지벽 사이에서 크랭크 샤프트의 종축에 대해 직각을 이루는 실린더축에 대해 사전 설정가능한 임의의 각도, 바람직하게는 0°내지 7°, 구체적으로는 1°내지 5°또는 1°내지 3°의 각도로 연장될 수 있다. 타이-로드의 경사각을 적절히 선택하면, 크랭크 샤프트의 방향으로 재료 이득이 얻어지도록 타이-로드가 고정되는 절취부와 크랭크 샤프트 사이의 기저 플레이트, 즉 횡방향 지지 부재의 영역에서의 간격이 넓어져, 기저 플레이트, 즉 횡방향 지지 부재에서 타이-로드의 체결부의 고강도가 얻어질 수 있다. 또한, 이미 상술한 바와 같이, 타이-로드의 각도를 적절히 선택하면, 베어링 새들의 반경부에서 이상적인 압축 응력 분포가 얻어질 수 있다.
바람직하게, 타이-로드는 조립시 공지된 서스펜션 아이(suspension eye)에 의해 횡방향 지지벽 사이에 소정의 경사각으로 삽입될 수 있어서, 지지 앵커가 문제 없이 조립될 수 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 정확히 2개의 타이-로드가 인접한 두 크로스헤드 사이에 연장되며, 안정상의 이유로, 1개 이상의 타이-로드가 인접한 두 크로스헤드 사이에 연장되는 것도 가능하다.
또 다른 실시예에 따르면, 크랭크 샤프트의 저널링의 유연성을 향상시키기 위해, 기저 플레이트에 제공되는 금속 측면 패널이 넓은 금속 측면 패널로 이루어질 수 있어서, 금속 측면 패널은 크랭크 샤프트 밑에 기저 플레이트의 일부를 형성한다.
이에 대해, 스탠드는 바람직하게 금속 기저 시트, 금속 커버 시트 및 대향 배치된 두 슬라이딩면 사이에 배치된 중앙 벽을 포함할 수 있다.
다음으로, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 기저 플레이트, 스탠드 및 실린더부를 포함한 대형 크로스헤드 디젤 엔진의 단면도이다.
도 2는 2중 벽 구조의 지지체 및 단일 벽 구조의 지지 부재를 포함한 공지된 대형 크로스헤드 디젤 엔진의 제1 예를 도 1의 절단선 Ⅰ-Ⅰ을 따라 절단한 모습을 나타낸 단면도이다.
도 3은 타이-로드가 크랭크 샤프트 상의 절취부에서 체결된 모습을 나타내는 종래 기술로부터 공지된 제2 예를 나타낸다.
도 4는 타이-로드가 체결된 본 발명에 따른 대형 크로스헤드 디젤 엔진의 특수한 실시예를 나타낸다.
도 5는 타이-로드가 비스듬하게 체결된 본 발명에 따른 대형 크로스헤드 디젤 엔진의 제2 실시예를 나타낸다.
특히, 이하에서 참조번호 1로 전반적으로 표기되는 본 발명에 따른 대형 크로스헤드 디젤 엔진은, 예컨대 선박 건조 등에 널리 사용되고 있는 단류 소기식(uniflow scavenging) 대형 2행정 디젤 엔진으로 구성된다.
이와 관련하여, 본 발명과의 비교 및 명확한 구별을 위해, 종래 기술로부터 공지된 대형 크로스헤드 디젤 엔진의 구조가 도 2 및 도 3을 참조하여 설명될 것이다. 본 발명과 종래 기술을 명확히 구별하기 위해, 종래 기술로부터 공지된 엔진에 관계되는 부분에 대한 참조번호는 첨자를 갖는 반면, 본 발명에 따른 특징부에 대한 참조번호는 첨자를 갖지 않는다.
도 1은 종래 기술로부터 이미 공지된 대형 크로스헤드 디젤 엔진(1, 1')의 일반적인 외관의 개략 단면도를 나타내고 있지만, 이 외관은 본 발명에 따른 엔진(1)의 외관과 실제로 동일하다.
그런데, 본 발명에 따른 엔진(1)은, 특히 복수의 타이-로드가 베어링 새들(13, 13') 내에 서로 상이하게 고정된다는 점에서, 종래 기술로부터 공지된 엔진(1')과 다르다.
대형 크로스헤드 디젤 엔진(1, 1')은 자체로 공지된 방식으로 기저 플레이트(base plate)(2, 2'), 스탠드(stand)(5, 5') 및 실린더부(10, 10')를 포함한다. 실린더부(10, 10')는 자체로 공지된 방식으로 실린더(도시되지 않음)를 수용하는 기능을 한다. 예컨대 복수의 강판을 서로 용접함으로써 형성된 스탠드(5, 5')는 기저 금속 시트(18, 18') 및 2개의 외벽(4, 4')을 포함하고, 도면에 따르면 수직으로 연장되는 슬라이딩면(8, 8')과 함께, 공동 금속 커버 시트(16, 16')에 의해 서로 연결되는 사다리꼴 단면의 2개의 프레임을 형성한다. 수직하게 연장되면서 대향 배치된 2개의 슬라이딩면(8, 8')은 상기 두 사다리꼴 프레임 사이에 배치된 중앙 벽(17, 17')에 의해 지지된다. 상기 스탠드(5, 5')는 기저 금속 시트(18, 18')에 의해 기저 플레이트(2, 2') 상에 배치되고, 상기 기저 플레이트(2, 2')는 크랭크 샤프트(3, 3')를 저널링하기 위한 베어링 쉘(bearing shell)을 구비한 베어링 새들(bearing saddle)(13, 13')을 포함한다. 축(K, K')을 갖는 크랭크 샤프트(3, 3')는 공지된 방식으로 푸시 로드(도 1에 도시되지 않음)를 통해 크로스 헤드(9, 9')에 연결된다.
도 2는 종래 기술로부터 공지된 대형 크로스헤드 디젤 엔진(1')의 제1 예를 도 1의 절단선 I-I을 따라 절단한 단면도를 나타내는 바, 여기서는 타이-로드(11')가 크랭크 샤프트(3')와 스탠드(5') 사이 영역의 나사 구멍 내에 고정되어 있다. 도 2의 예는 기저 플레이트(2') 상에 배치되는 스탠드(5') 및 상기 스탠드(5') 상에 위치되는 실린더부(10')를 포함한다. 상기 스탠드(5')와 상기 실린더부(10') 사이에는 금속 커버 시트(16')가 배치되며, 상기 스탠드(10')와 상기 기저 플레이트(2') 사이에는 기저 금속 시트(18')가 배치된다. 실린더부(10')는 공지된 방식으로 1개 이상의 실린더(도시되지 않음)를 수용하도록 되어 있다. 실린더 헤드(도시되지 않음), 및 피스톤 로드(19')에 의해 크로스헤드(9')에 연결되어 실린더 내에 왕복운동할 수 있도록 배치되는 피스톤과 함께, 실린더의 내부 공간은 공지된 방식으로 대형 크로스헤드 디젤 엔진(1')의 연소실을 형성한다. 스탠드(5')는 횡방향 지지벽(7')에 의한 2중 벽이 형성된 지지체(6')를 포함한다. 지지벽(7')은 푸시 로드(181')에 의해 크랭크 샤프트(3')와, 피스톤(도시되지 않음)을 포함한 대형 크로스헤드 디젤 엔진(1')의 피스톤 로드(19')에 연결되는 크로스헤드(9')를 안내하기 위한 슬라이딩면(8')을 갖는다.
기저 플레이트(2')는, 크랭크 샤프트(3')의 수용 및 저널링을 위해, 베어링 새들(13') 뿐만 아니라, 단일 벽으로 이루어진 횡방향 지지 부재(12')를 포함한다. 실린더부(10'), 스탠드(5') 및 기저 플레이트(2')는 타이-로드(11')에 의해 사전 응력을 받으며 서로 연결된다. 이와 관련하여, 타이-로드(11')는 스탠드(5') 영역에서 횡방향 지지벽(7) 사이의 2중 벽 구조의 지지체(6') 내부에 연장되고, 크랭크 샤프트(3')의 축(K')과 스탠드(5') 사이의 영역, 즉 본 도면에 따르면 크랭크 샤프트(3')의 축(K') 위에 있는 기저 플레이트(2')의 베어링 새들(13')의 나사 구멍(14') 내에 고정된다.
따라서, 본 발명에 따른 대형 크로스헤드 디젤 엔진(10)과 도 2에 도시된 종래의 대형 크로스헤드 디젤 엔진(1')의 주요 차이점으로, 본 발명에 따른 엔진(1)에 대하여, 도 4 및 도 5를 참조하여 아래에서 더욱 구체적으로 설명되겠지만, 타이-로드(11)는 베어링 새들(13)의 나사 구멍 내에 고정되는 것이 아니라, 크랭크 샤프트(3)의 축(K)과 스탠드(5)로부터 이격된 기저 플레이트(2)의 하단부(200) 사이의 영역에서 베어링 새들(13)의 절취부(14) 내에 절취부(14)로부터 제거될 수 있는 고정 부재(15), 바람직하게는 타이-로드 너트(15)에 의해 고정된다는 점이다.
도 2에 도시된 예에 따르면, 지지체(6')의 횡방향 지지벽(7')은 실린더부(10') 방향으로 V자 모양으로 연장되는데, 즉 지지체(6')의 지지벽(7')의 상호 간격은 실린더부(10')의 방향으로 점점 넓어진다. 크로스헤드(9')가 슬라이딩면(8')을 통해 지지벽(7') 및 지지체(6')에 전달하는 수직력(normal forces)은 주지하는 바와 같이 피스톤 왕복 운동의 상사점에서 가장 크다. 지지체(6')의 V형 구조로 인해, 본 도면에 따르면 스탠드(5') 영역의 상부에서의 지지체는 비교적 넓어서, 특히 크로스헤드(9)의 수직력을 충분히 흡수하거나, 이 수직력을 스탠드(5') 안으로 리드 오프할 수 있다.
도 2에 도시된 공지예에서, 타이-로드(11')의 종축(Z')은 지지체(6')의 횡방향 지지벽(7') 사이의 중앙에 연장되고, 기저 플레이트(2') 내에 지지체(6')가 지지되는 기저 플레이트(2')의 단일 벽 구조의 지지 부재(12')는 타이-로드(11')의 종축(Z')에 평행하게 배치된다. 타이-로드(11')는, 특히 베어링 쉘(131')의 변형을 방지하기 위해, 크랭크 샤프트(3')의 축(K')과 스탠드(5') 사이의 영역, 다시 말해, 본 도면에 따르면 크랭크 샤프트(3')의 축(K') 위에 있는 베어링 새들(13')의 나사 구멍(14') 내에 고정된다. 그 결과, 타이-로드 사전 응력에 의해 베어링 새들(13')의 반경부(133')에는 실제로 어떠한 압축 사전 응력도 발생되지 않는다. 기저 플레이트(2')의 단일 벽 구조의 지지 부재(12')는 타이-로드(11')의 종축(Z')에 평행하게 배치되어, 지지체(6')의 지지벽(7')에 대해 대칭을 이루며 배치되기 때문에, 기저 플레이트(2')가 매우 큰 강성을 갖지 않더라도, 특히 높은 안정성이 발생한다.
도 3은 종래 기술로부터 공지된 제2 예의 단면도를 개략적으로 나타내는 바, 본 도면에서는 타이-로드의 체결이 크랭크 샤프트 위의 절취부에서 보여지고 있다. 종축(K')을 갖는 크랭크 샤프트(3')가 베어링 새들(13') 내에 저널되어, 베어링 커버(132')에 의해 고정된다. 본 도면에서는, 베어링 커버(132')의 반경부(133')가 간결성의 이유로 직각을 이룬 에지로 개략적으로 도시되어 있다. 실제로는, 본 발명에 따른 일 실시예로서 도 4에 도시된 것과 유사하게, 베어링 커버(132')의 에지는 직각으로 이루어지는 것이 아니라, 물론 공지된 반경부(133')의 형태로도 이루어질 수 있다. 물론 도 2의 종래 기술로부터 공지된 예에 대해서도 동일하게 적용된다.
본 도면에 따르면, 타이-로드(11')는 종축(K')과 스탠드(5') 사이 영역, 즉 종축(K') 위의 베어링 새들(13')의 절취부(14') 내에 절취부(14')로부터 제거될 수 있는 고정 부재(15')에 의해 고정된다. 도 3에 도시된 실시예에서, 설치 상태의 타이-로드(11')는 절취부(14')의 영역에서 나사산(111')을 가지며, 이 나사산에 의해 타이-로드(11')는 고정 부재(15'), 즉 타이-로드 너트(15') 내에 확실히 나사체결될 수 있다. 다시 말해, 타이-로드(11')는 베어링 새들(13')에 바로 나사체결되는 것이 아니라, 구멍(도 3에 도시되지 않음)을 통해 베어링 새들(13')을 관통하여 절취부(14') 안으로 단지 자유롭게 안내되어, 이 절취부에서 타이 로드(11')는 타이-로드 너트(15')와 고정되도록 체결될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 대형 크로스헤드 디젤 엔진(1)과 도 3에 도시된 공지된 대형 크로스헤드 디젤 엔진(1')과의 주요 차이점으로, 본 발명에 따른 엔진(1)에서는, 타이-로드(11)가 종축(K')과 스탠드(5') 사이의 영역, 즉 본 도면에 따르면 종축(K') 위의 절취부(14') 내에 절취부(14')로부터 제거될 수 있는 고정 부재(15')에 의해 고정되는게 아니라, 도 4 및 도 5를 참조하여 이하에서 더욱 자세히 설명하겠지만, 타이-로드(11)가 크랭크 샤프트(3)의 축(K)과 스탠드(5)로부터 이격된 기저 플레이트(2)의 하단부(200) 사이의 영역에서 베어링 새들(13)의 절취부(14) 내에 절취부(14)로부터 제거될 수 있는 고정 부재, 바람직하게는 타이-로드 너트(15)에 의해 고정된다는 점이다.
그 결과, 여기서도 타이-로드 사전 응력에 의해 베어링 새들(13')의 반경부(133')에는 실제로 어떠한 압축 사전 응력도 발생되지 않는다.
도 4는 타이-로드가 체결된 본 발명에 따른 제1 특정 실시예를 나타내고 있다. 크랭크 샤프트(3)의 종축(K)은 공지된 방식으로 베어링 새들(13) 내에 저널되어 베어링 커버(132)에 의해 고정된다. 그 자체로 공지된 바와 같이, 베어링 새들(13)과 연동하는 반경부(133)는 베어링 커버의 외측부에 위치된다.
타이-로드(11)는 크랭크 샤프트(3)의 종축(K)과 스탠드(5)로부터 이격된 기저 플레이트(2)의 하단부(200) 사이의 영역, 즉 본 도면에 따르면 크랭크 샤프트(3)의 종축(K)과 기저 플레이트(2)의 하단부(200) 사이의 베어링 새들(13)의 절취부(14) 내에 절취부(14)로부터 제거될 수 있는 고정 부재(15)에 의해 고정된다. 이와 관련하여, 도 4에 따르면 절취부(14)는 크랭크 샤프트(3)의 종축(K)으로부터 간격(B)만큼 떨어진 위치에 배치된다. 도 4의 특정 실시예에서, 설치 상태의 타이-로드(11)는 절취부(14)의 영역에서 나사산(111)을 가지며, 이 나사산에 의해 타이-로드(11)는 고정 부재(15), 즉 여기서는 타이-로드 너트(15) 내에 나사체결된다. 다시 말해, 타이-로드(11)는 베어링 새들(13)에 바로 나사체결되는 것이 아니라, 베어링 새들(13)의 구멍을 통해 절취부(14) 안으로 단지 자유롭게 안내되어, 이 절취부에서 타이-로드(11)는 타이-로드 너트(15)와 고정되도록 나사체결된다.
타이-로드(11)가 크랭크 샤프트(3)의 축(K)과 스탠드(5)로부터 이격된 기저 플레이트(2)의 하단부(200) 사이의 영역에서 베어링 새들(13)의 절취부(14) 내에 절취부(14)로부터 제거될 수 있는 고정 부재(15)에 의해 고정되기 때문에, 반경부(133)는 사전 설정가능한 방식으로 타이-로드(11)의 압축 응력에 의해 하중을 받으며, 이에 따라 베어링 커버(132)와 베어링 새들(13) 간의 연결은 상당히 개선된다. 이로 인해, 특히 베어링 커버(132)와 베어링 새들(13) 간의 연동의 보다 높은 안정성이 얻어지는 동시에, 작동 상태에서 베어링 구조물(13, 132)에 작용하는 탄성력(flexible forces)이 보상될 수 있다.
도 5에서는, 타이-로드가 기울어진 상태, 즉 비대칭적으로 배치된 상태로 체결된 본 발명에 따른 제2 실시예가 개략적으로 도시되어 있다. 본 도면에서도 간결성의 이유로 반경부(133)가 매우 개략적으로 도시되어 있다. 반경부(133)는 도 4의 실시예와 유사하게 사실상 라운딩된 코너부로 이루질 수도 있다. 본 실시예에서, 타이-로드(11)는 지지체(6)의 횡방향 지지벽(7) 사이에서 비대칭을 이루며 연장되는데, 실제로 바람직하게는 크랭크 샤프트(3)의 종축(K)에 대해 직각을 이루는 실린더축(Z)에 대해 사전 설정가능한 임의의 경사각(α)을 이루며 연장될 수 있다. 이에 대해, 상기 경사각(α)은 바람직하게 0°내지 7°, 특히 1°내지 3°이다. 타이-로드(11)의 경사각(α)의 적절한 선택에 의해, 이미 언급한 바와 같이, 타이-로드 사전 응력에 의해 반경부(133)에서 발생되는 압축 응력을 훨씬 더 정확하게 설정하는 것이 가능해진다.
이와 관련하여, 이미 언급한 바와 같이, 바람직하게 타이-로드(11)는 조립시 공지된 서스펜션 아이(suspension eye)에 의해 횡방향 지지벽(7) 사이에 소정의 경사각(α)으로 삽입될 수 있어서, 지지 로드(11)가 문제 없이 설치될 수 있다.
본 발명에 따른 상술한 대형 크로스헤드 디젤 엔진의 실시예들은 단지 예시로서만 이해되어져야 하고, 특히 본 발명은 상술한 실시예들의 적절한 모든 조합을 포함할 수 있다.

Claims (11)

  1. 크랭크 샤프트(3)를 수용하기 위한 기저 플레이트(base plate)(2) 및 2개의 외벽(2)을 구비한 스탠드(stand)(5)를 포함하는 대형 크로스헤드 디젤 엔진에 있어서,
    상기 스탠드는 상기 기저 플레이트(2) 상에 배치되고, 횡방향 지지벽(7)에 의한 2중 벽이 형성된 1개 이상의 지지체(6)를 포함하며, 인접한 두 크로스헤드(9)를 위한 슬라이딩면(8)을 포함하고,
    상기 스탠드(5) 상에 배치된 실린더부(10)가 실린더를 수용하도록 되어 있으며, 상기 기저 플레이트(2), 상기 스탠드(5) 및 상기 실린더부(10)는 상기 스탠드(5)의 영역에서 2중 벽 구조의 지지체(6) 내에 연장되는 1개 이상의 타이-로드(tie-rod)(11)에 의해 서로 연결되고,
    단일 벽으로 이루어진 횡방향 지지 부재(12)가 상기 기저 플레이트(2) 내에 제공되며, 상기 기저 플레이트(2)는 상기 크랭크 샤프트(3)를 저널하기 위한 1개 이상의 베어링 새들(bearing saddle)(13)을 포함하여,
    상기 타이-로드(11)가 상기 크랭크 샤프트(3)의 종축(K)과 상기 스탠드(5)로부터 이격된 상기 기저 플레이트의 하단부 사이의 영역에서 상기 베어링 새들(13)의 절취부(14) 내에 상기 절취부(cut-out)(14)로부터 제거될 수 있는 고정 부재(15)에 의해 고정되는,
    대형 크로스헤드 디젤 엔진.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 절취부(14)는 상기 크랭크 샤프트(3)의 종축(K)과 상기 크랭크 샤프트(3)의 하부 경계선(300) 사이의 영역에 형성된, 대형 크로스헤드 디젤 엔진.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 지지체(6)의 횡방향 지지벽(7)은 서로 평행하게 배치된, 대형 크로스헤드 디젤 엔진.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 지지체(6)의 횡방향 지지벽(7)은 간격이 상기 실린더부(10)의 방향으로 V자 모양으로 넓어지면서 연장되는, 대형 크로스헤드 디젤 엔진.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 타이-로드(11)는 상기 지지체(6)의 횡방향 지지벽(7) 사이에서 중앙에 연장되는, 대형 크로스헤드 디젤 엔진.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 타이-로드(11)는 상기 지지체(6)의 횡방향 지지벽(7) 사이에서 비대칭적으로 연장되는, 대형 크로스헤드 디젤 엔진.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 타이-로드(11)는 상기 지지체(6)의 횡방향 지지벽(7) 사이에서 상기 크랭크 샤프트(3)의 종축(K)에 대해 직각을 이루는 실린더축(Z)에 대해 사전 설정가능한 임의의 각도를 이루며 연장되는, 대형 크로스헤드 디젤 엔진.
  8. 제1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지 부재(12)는 상기 타이-로드(11)의 종축에 평행하게 배치되는, 대형 크로스헤드 디젤 엔진.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    2개의 타이-로드(11)가 인접한 두 크로스헤드(9) 사이에 연장되는, 대형 크로스헤드 디젤 엔진.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    금속 측면 플레이트(22)가 상기 기저 플레이트(2)에 제공되며, 바람직하게는 넓은 금속 측면 플레이트(22)로서 상기 기저 플레이트(2)의 일부를 형성하는, 대형 크로스헤드 디젤 엔진.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스탠드(5)는 금속 기저 플레이트(18), 금속 커버 플레이트(16) 및 대향 배치된 두 슬라이딩면(8) 사이에 배치되는 중앙 벽(17)을 포함한, 대형 크로스헤드 디젤 엔진.
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