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문제 정의
- 이와 같이 운전 조건에 대한 응력 분포 및 접촉 압력 분포의 수준을 파악한 후, 펌프 케이징의 내압/기밀시험 조건에 대한 구조 해석을 실시하여 운전조건에 준하는 하중을 정확히 인가하고자 하였다. 정확한 해석을 위하여 내압/기밀시험 형상을 그대로 반영하여 추가로 해석을 진행하였으며, 다음 그림은 운전 조건에 대한 연료펌프-터빈 케이징 조립체의 응력 분포 결과를 나타내고 있다.
제안 방법
- 곤란하다. 따라서 벌류트 케이징 표면에서의 응력과 텅에서의 응력 관계를 해석결과로부터 구하여 최종적으로 펌프회전수와 텅에서의 응력 관계를 간접적으로 구하였으며, 그 관계는 다음 그림과 같이 나타났다. 펌프 회전속도와 벌류트 케이징 텅의 응력 집중 값도 역시 2차함수의 관계를 가지는 것을 알 수 있었으며 이 그래프를 토대로 펌프 회전수에 따른 직접적인 벌류트 케이징의 안전성을 추정할 수 있는 기반을 마련하였다.
- 또한, 스트레인 게이지를 이용한 운전 및 시험 중 실시간 변형률 측정을 통하여 실제적인 구조 안전성을 파악하였다.
- 먼저 산화제펌프에 대한 구조 해석을 진행하기 위하여 3차원 캐드 프로그램을 이용한 모델을 생성하였으며, 정확한 해석을 위하여 단품을 조립시킨 조립체를 생성시켜 해석에 이용하였다. 다음 그림에 모델링된 형상을 나타내었다.
- 설정하였다. 방법은 기밀시험조건 설정 방법과 같으며, 연료펌프 벌류트 케이징의 개방 부위에 밀봉 플랜지를 모델링하여 구조해석을 실시 함으로써 내 압시험 조건을 운전조건 에 준하여 설정하였다. 내압시험조건에서, 내부 압력에 따른벌류트 텅 모서리의 최대 응력변화는 그림 5와 같이 나타남을 알 수 있었다.
- 본 연구를 통하여 터보펌프의 전체적인 거동과 국부적인 응력 집중을 동시에 정확하게 모사하기 위하여 산화제펌프와 연료펌프 터빈 조립체를 특별한 형상 간략화 단계 없이 3차원으로 모델링하여 구조 해석을 진행하였으며, 실제 운전조건 뿐만 아니라 제작 후 실시하는 내압 기밀시험 조건에 대한 해석을 실시하여 적절한 내압 기밀시험 조건을 선정하였다. 또한, 스트레인 게이지를 이용한 운전 중 및 시험 중 연료펌프 케이징의 실시간 변형률 및 응력 측정을 통하여 해석의 정확성을 검증하였으며, 펌프 회전속도에 따른 벌류트 케이징 내부 텅의 응력 집중 값을 추정할 수 있는 효과적인 방법을 제시할 수 있었다.
- 본 연구에서는 전체적인 거동과 동시에 국부적인 응력 집중을 보다 정확하게 모사하기 위하여 산화제펌프와 연료펌프 터빈 조립체를 특별한 형상 간략화 단계 없이 3차원으로 모델링하여 구조 해석을 진행하였으며, 실제 운전조건 뿐만 아니라 제작 후 실시하는 내압기밀시험 조건에 대한 해석을 실시하여 적절한 내압기밀시험 조건을 선정하였다. 또한, 스트레인 게이지를 이용한 운전 및 시험 중 실시간 변형률 측정을 통하여 실제적인 구조 안전성을 파악하였다.
- 대하여 구조 해석을 실시하였다. 앞서 기술하였듯이 연료펌프 케이징의 일부와 터빈 케이징의 일부가 용접되어 있어 연료펌프 및 터빈 케이징을 완전히 독립적으로 분리하는 것이 불가능하므로 연료펌프-터빈 케이징 조립체에 대한 해석을 동시에 실시하였다.
- 위 그림과 같이 모델을 생성한 후, 유동해석 결과로 도출된 산화제펌프의 운전 중 부위별 내부 압력을 하중으로 적용하였으며, 실제적인 입출구의 플랜지 연결을 고려하여 경계 조건으로 적용하여 주었다. 이러한 운전 조건에 대하여 산화제 펌프의 응력 분포 및 벌류트 케이징/입구케이징 사이의 스태틱 실(static seal) 부위에서의 접촉압력을 해석하였다.
- 위와 같은 모델에 대하여 역시 유동해석 결과로 얻어진 연료펌프 및 터빈의 부분별 내부 압력을 하중 조건으로 하고, 입출구 플랜지에 적절한 경계조건을 부가하였으며 벌류트 케이징과 입구케이징 사이의 스태틱 실 부분에 접촉 조건을 부가하여 운전 조건에 대한 구조 해석을 실시하였다. 이와 같이 운전 조건에 대한 응력 분포 및 접촉 압력 분포의 수준을 파악한 후, 펌프 케이징의 내압/기밀시험 조건에 대한 구조 해석을 실시하여 운전조건에 준하는 하중을 정확히 인가하고자 하였다.
- 위의 응력 및 접촉압력 해석 결과를 통하여 운전 조건에 대한 응력과 접촉압력의 레벨을 파악한 후, 연료펌프-터빈 케이징에 내압 기밀시험 조건을 하중으로 주어 해석을 실시하였으며, 내부 압력을 증가시키면서 최대응력 및 접촉압력의 변화를 관찰하였다.
- 주었다. 이러한 운전 조건에 대하여 산화제 펌프의 응력 분포 및 벌류트 케이징/입구케이징 사이의 스태틱 실(static seal) 부위에서의 접촉압력을 해석하였다.
- 이와 같이 기밀시험 조건을 설정한 후, 이번에는 산화제펌프 벌류트 케이징 단품에 대한 내압시험 조건을 설정하였다. 방법은 기밀시험조건 설정 방법과 같으며, 연료펌프 벌류트 케이징의 개방 부위에 밀봉 플랜지를 모델링하여 구조해석을 실시 함으로써 내 압시험 조건을 운전조건 에 준하여 설정하였다.
- 이와 같이 운전 조건에 대한 응력 분포 및 접촉 압력 분포의 수준을 파악한 후, 펌프 케이징의 내압/기밀시험 조건에 대한 구조 해석을 실시하여 운전조건에 준하는 하중을 정확히 인가하고자 하였다. 정확한 해석을 위하여 내압/기밀시험 형상을 그대로 반영하여 추가로 해석을 진행하였으며, 다음 그림은 운전 조건에 대한 연료펌프-터빈 케이징 조립체의 응력 분포 결과를 나타내고 있다.
- 측정 대상체로서 연료펌프 중 가장 높은 응력이 발생하는 벌류트 케이징을 선정하였으며 벌류트 케이징의 외부 세 지점에 직교 스트레인 로젯(rectangular strain rosette)을 부착하여 운전 중 실시간으로 변형률을 측정하였다.
- 터보펌프의 구조는 연료펌프 케이징 후방에 터빈 케이징이 위치하고 있으며 연료펌프의 벌류트 케이징과 터빈의 노즐블록이 용접되어 있는 모델에 대하여 구조 해석을 실시하였다. 앞서 기술하였듯이 연료펌프 케이징의 일부와 터빈 케이징의 일부가 용접되어 있어 연료펌프 및 터빈 케이징을 완전히 독립적으로 분리하는 것이 불가능하므로 연료펌프-터빈 케이징 조립체에 대한 해석을 동시에 실시하였다.
- 한편 구조 해석을 검증하고 실제 응력 분포를 측정하기 위하여 스트레인 게이지를 이용한 측정 방법을 도입하여 연료펌프 케이징의 실제 운전에 적용하였으며, 운전 중 발생하는 내부 압력에 따른 변형률 및 이에 따른 응력 분포를 측정하였다. 측정 대상체로서 연료펌프 중 가장 높은 응력이 발생하는 벌류트 케이징을 선정하였으며 벌류트 케이징의 외부 세 지점에 직교 스트레인 로젯(rectangular strain rosette)을 부착하여 운전 중 실시간으로 변형률을 측정하였다.
- 한편, 산화제펌프 케이징은 제작 후 건전성을 입증하기 위하여 내압시험 및 기밀시험을 거치게 되는데, 이러한 내압/기밀시험은 입출 구를 플랜지로 밀봉 후 내부 전체를 균일 압력으로 가압하기 때문에 실제 운전 조건과 많은 차이가 있으며, 이러한 차이를 극복하고 정확히 운전 조건에 해당하는 응력 및 접촉압력을 발생시키기 위한 내압/기밀시험 조건을 도출하기 위하여 내압 /기밀시험에 대한 구조 해석을 동시에 실시하여 운전 조건에 대한 해석 결과와 비교하였다. 그림 2오+ 그림 3은 운전 조건에 대한 Von Mises 등가 응력 분포 및 실 부분의 접촉압력 분포를 나타낸다.
성능/효과
- 조건을 선정하였다. 또한, 스트레인 게이지를 이용한 운전 중 및 시험 중 연료펌프 케이징의 실시간 변형률 및 응력 측정을 통하여 해석의 정확성을 검증하였으며, 펌프 회전속도에 따른 벌류트 케이징 내부 텅의 응력 집중 값을 추정할 수 있는 효과적인 방법을 제시할 수 있었다.
- 내압시험조건에서, 내부 압력에 따른벌류트 텅 모서리의 최대 응력변화는 그림 5와 같이 나타남을 알 수 있었다. 실제 운전조건에서, 벌류트 텅 모서리의 최대응력이 약 300MPa이므로 그래프의 결과를 참조하면 내압시험압력은 약 70bar 정도가 적당함을 알 수 있었다.
- 그래프의 가로축은 시험 시간을 나타내며 벌류트 케이징의 원주 방향으로 세 지점에서 응력을 측정하여 표시하였다. 약 6초간 시험이 실시되었으며 내부압 증가에 따른 케이징 외부 표면의 응력 증가가 잘 반영되어 있음을 알 수 있었다.
- 응력 변화를 도시한 것이다. 위 그래프에서, 내부압력 40bar 정도에서 실제 운전조건에 해당하는 약 359MPa의 최대 응력이 나타나는 것으로 밝혀졌으며 플랜지 등에서 발생한 불필요한 팽창력으로 인하여 실제 운전 조건보다 큰 응력이 나타나는 것으로 나타났다.
- 위 그림의 응력 해석 결과에서 운전 중 벌류트 내부 텅 모서리 최대 응력은 약 359MPa로 밝혀졌으며, 이는 케이징 소재의 항복 강도 기준으로 약 1.4의 안전 계수를 나타내고 있음을 확인하였다.
- 이상과 같은 해석을 통하여 운전조건에 해당하는 등가응력 및 접촉압력을 발생시키는 내압/ 기밀시험 조건을 성공적으로 찾아낼 수 있었으며 이러한 두 조건의 관계를 규명함으로써 임의의 운전조건에 대한 합리적인 내압/기밀시험 조건을 도출할 수 있는 기반을 마련하였다.
- 이와 같은 일련의 해석들을 통해 운전 조건에 해당하는 최대응력을 발생시키는 내부 압력을 찾아낼 수 있었으며 이 조건에 적절한 여유 마진을 더하여 연료펌프 케이징의 내압/기밀시험 조건으로서 성공적으로 적용할 수 있었다.
- 따라서 벌류트 케이징 표면에서의 응력과 텅에서의 응력 관계를 해석결과로부터 구하여 최종적으로 펌프회전수와 텅에서의 응력 관계를 간접적으로 구하였으며, 그 관계는 다음 그림과 같이 나타났다. 펌프 회전속도와 벌류트 케이징 텅의 응력 집중 값도 역시 2차함수의 관계를 가지는 것을 알 수 있었으며 이 그래프를 토대로 펌프 회전수에 따른 직접적인 벌류트 케이징의 안전성을 추정할 수 있는 기반을 마련하였다.
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