[논문]연료전지용 터보압축기 회전축의 동특성 해석에 관한 연구

김홍건; 나석찬; 김성철; 강영우; 양균의; 이희관; 최문창

연료전지용 터보압축기 회전축의 동특성 해석에 관한 연구
A Study on the Dynamic Analysis in the Shaft of Turbo-Blower for Fuel Cell 원문보기

A 3-D FEM (Finite Element Method) analysis of the turbo-blower shaft attached to a fuel cell was performed using Lanczos algorithm. The modal analysis was analyzed in order to investigate natural frequency and maximum displacement for 10 times. It was found that the first mode of natural frequency is 109.1Hz with the maximum displacement of 0.16mm while the tenth mode of natural frequency is 2464Hz with the maximum displacement of 0.25mm. Consequently, the results of modal analysis of the turbo-blower for a fuel cell system show good dynamic responses.

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문제 정의

본 논문에서는 자동차 연료전지에 사용되는 터보압축기 의 초기개념설계를 위하여 유한요소법을 활용한 모드해석 을 수행함으로서 회전체의 고유진동수를 알기 위해서 일반 적으로 많이 사용되는 란초스 축차해법을 통하여 10차에 걸친 모드 해석을 수행하였다.

대상 데이터

1과 같다. 또한 터보 압축기의 회전축 고유진동수의 CAE 해석을 위 한 유한요소해석°)을 위해서 유한요소해석 프로그램Ansys를 사용하였고 여기서 사용된 모델의 절점 수는 33, 072개이며, 요소 수는 21, 835개이다. 회전체의 재질은 일반강으로 설 정하고 그에 대한 재료의 물성치는 Table 1과 같다.

이론/모형

Lanczos 알고리즘을 활용하여 3차원 유한요소법(FEM)(") 중 회전축의 고유진동수(frequency)의 모드해석(Modal Analysis)을 수행하여 동적 특성을 확인하고자 한다.
대각 질량행렬의 문제 에 대해 란초스 방법과 부공간 축차법의 효율을 비교한 연 구에서는 란초스 방법의 효율이 상대적으로 우수하고 구하는 고유치 개수가 많아질수록 그 차이가 커지는 것으로 나 타났다. 따라서 신뢰성과 효율성을 만족시키기 위해서 본 논문에서는 란초스 알고리즘을 사용한 모드추출방법을 사 용하였으며, 이 알고리즘은 다음과 같다.
회전체의 재질은 일반강으로 설 정하고 그에 대한 재료의 물성치는 Table 1과 같다. 앞에서 언 급한 바와 같이 축차해법은 Lanczos 축차해법을 사용하였으며 0-5khz의 범위 내에서 총 10개의 모드 수를 도출하였다.

성능/효과

(1) 유한요소법(FEM)을 이용한 해석결과 회전체의 주된 응 답은 109-2464Hz(l-10차 모드) 범위 내에서 발생하였다.
(2) 최대 변형량의 크기는 0.25mm로서 설계 및 제작 시 공차 0.35mm보다 적게 나타나므로 동적으로 큰 문제 를 발생시키지 않는 범위 내에 있다는 결론을 얻을 수 있었다.
또 중근 고유치를 놓칠 가능성이 있다는 점, 중근 아닌 고유치가 복사될 수 있다는 점 등이 이 방법의 단점으로 언급되고 있다. 대각 질량행렬의 문제 에 대해 란초스 방법과 부공간 축차법의 효율을 비교한 연 구에서는 란초스 방법의 효율이 상대적으로 우수하고 구하는 고유치 개수가 많아질수록 그 차이가 커지는 것으로 나 타났다. 따라서 신뢰성과 효율성을 만족시키기 위해서 본 논문에서는 란초스 알고리즘을 사용한 모드추출방법을 사 용하였으며, 이 알고리즘은 다음과 같다.

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