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문제 정의
- 버터플라이 밸브의 국제 규격들에 의한 바디와 디스크의 설계 안전도에 대하여 검토하였다. 즉, 6 가지 하중 조건에 대하여 바디와 디스크의 유한요소 해석을 수행하여 변형량과 유효응력, 안전계수를 계산하고 이로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 밸브 국제 규격에 의한 버터플라이 밸브의 설계 전반에 관한 내용을 고찰하였다. 즉, 버터플라이 밸브설계를 위하여 일반 운전 상태와 가압 테스트 상태에서 바디 (body)와 디스크(disk)의 변형과 유효응력을 상용 구조해석소프트웨어인 ANSYS(”)를 이용하여 계산하였으며, 이를 이용하여 설계 안전도를 평가하였다.
제안 방법
- (2) 버터플라이 밸브 바디의 가압 테스트 상태에 대하여 설계 변경 전과 후의 결과를 비교하였다. 설계 변경 전의 결과는 플랜지 상하부로 유체 누설이 발생할 것으로 예상되었다.
- 두 상용 프로그램간의 데이터 교환은 IGES 파일을 이용하였다. HyperMesh를 이용하여 생성된 메쉬는 ANSYS template 기능을 이용하여 Text file 형식으로 출력하여 상용 구조해석 프로그램인 ANSYS에 입력 하였다.
- Choi 등©은 버터플라이 밸브의 개폐에 따른 디스크 와시트의 기하학적인 운동 궤적을 분석하여 개폐과정에서 디스크와 시트가 간섭을 일으키지 않고 최종적으로 밸브가 닫히는 순간 디스크와 시트가 접촉하는 형태의 구조를 개발하여 마모를 감소시키는 연구를 수행하였다. Park 등⑺은 버터플라이 밸브의 설계과정에서 경험에 의존하는 기존의 설계 관행에 비해 보다 체계적이고 합리적인 설계를 위해서 공리적 설계기법을 도입하였다.
- 디스크의 하중 조건은 하중 방향에 따라서 정방향 하중(case 4)과 역방향 하중 (case 5)으로 나뉜다. 구조 안전성을 높이기 위하여 버터플라이 밸브 디스크의 리브(rib) 부분의 두께를 보강하고 리브 끝 부분의 형상을 변경하는 경우(case 6)에 대한 변형량과 유효 응력, 안전계수를 계산하여 기존의 결과와 비교 검토하였다.
- 디스크에 정방향 내부 압력이 작용하는 경우(case 4)와 역방향 하중이 작용하는 경우(case 5)에 대하여 각각 수치해석을 수행하였다. Fig.
- 즉, 버터플라이 밸브설계를 위하여 일반 운전 상태와 가압 테스트 상태에서 바디 (body)와 디스크(disk)의 변형과 유효응력을 상용 구조해석소프트웨어인 ANSYS(”)를 이용하여 계산하였으며, 이를 이용하여 설계 안전도를 평가하였다. 또한 이와 같이 평가된 설계 안전도를 기준으로 하여 바디와 디스크에 대한 설계변경을 제안하였고 그 결과를 평가하였다.
- 바디의 구조 안전성을 향상시키기 위하여 여러 가지 설계변경 안이 존재하며 본 연구에서는 Fig. 9와 같이 허브 타입의 플랜지로 형상을 변경하였다. 즉, case 3은 case 2에 대하여 허브 타입의 플랜지를 갖는 버터플라이 밸브 바디의 가압테스트 상태로서 반경 방향 하중과 볼트에 가해지는 축 방향 하중이 적용되는 경우이다.
- 버터플라이 밸브 디스크의 하중 방향에 따른 결과를 고찰하였다. 디스크에 정방향 내부 압력이 작용하는 경우(case 4)와 역방향 하중이 작용하는 경우(case 5)에 대하여 각각 수치해석을 수행하였다.
- 버터플라이 밸브 바디의 가압 테스트 상태에 대하여 설계변경 전(case 2)과 후(case 3)의 결과를 비교 검토하였다. case 2는 설계 변경 전으로서 밸브 바디에 내부 압력 23kgf/cm2 의 반경 방향 하중과 볼트에 가해지는 축 방향 하중이 가해지는 경우이다.
- 버터플라이 밸브 바디의 일반 운전 상태(case 1)에 대하여 유한 요소법에 근거하여 수치해석을 수행하였고 그 결과를 Fig. 6에 도시하였다. Fig.
- 버터플라이 밸브 바디의 플랜지(flange) 부분을 허브 타입 (hub type)으로 설계 변경하는 경우(case 3)에 대한 변형량, 유효응력, 안전계수를 계산하여 설계 변경전의 결과와 비교하였다.
- 버터플라이 밸브는 Fig. 1에서 알 수 있듯이 바디, 디스크, 시트 축 및 축봉실(Stem and stem seal) 등으로 구성되며 본 연구에서는 바디와 디스크 두 가지 경우에 대하여 모델링을 수행하였다.
- 버터플라이 밸브의 바디와 디스크를 해석하기 위하여 위에서 언급한 방법으로 바디와 디스크를 모델링하고 메 쉬를 생성하였다. 이와 같이 생성된 메쉬에 물성치 데이터를 입력하는 것이 필요하다.
- 즉, 버터플라이 밸브의 형상 모델링을 위하여 상용3차원 CAD 프로그램인 SolidWorks(14)< 이용하였고, 메쉬생성을 위하여 상용 메쉬 생성 프로그램인 HyperMesh<”)를이용하였다. 버터플라이 밸브의 바디와 디스크의 형상은 1 요소에 4 개의 절점을 가지는 피라밋(tetrahedron) 요소를 이용하여 메쉬를 수행하였다. 두 상용 프로그램간의 데이터 교환은 IGES 파일을 이용하였다.
- 두 번째 방법은 첫 번째 방법에 비하여 복잡한 형상을 정확히 모델링 할 수 있으며, 빠른 시간에 형상 모델링 및 메쉬(mesh)를 생성할 수 있고 비전문가도 쉽게 수행할 수 있다는 장점이 있다. 본 연구에서는 두 번째 방법을 이용하여 형상 모델링과 메쉬 생성을 수행하였다. 즉, 버터플라이 밸브의 형상 모델링을 위하여 상용3차원 CAD 프로그램인 SolidWorks(14)< 이용하였고, 메쉬생성을 위하여 상용 메쉬 생성 프로그램인 HyperMesh<”)를이용하였다.
- 역방향 하중이 작용하는 디스크에서 리브의 두께와 형상을 변경 시키기 전(case 5)과 후(case 6)의 결과를 비교 검토하였다. 리브의 형상은 구조 안전성을 향상시키기 위하여 Fig.
- 위에서 언급한 바와 같이 버터플라이 밸브 바디와 디스크에 여러 가지 하중이 가해졌을 때 구조 안전도를 평가하였다. 버터플라이 밸브 바디의 일반 운전 상태(case 1)에 대하여 유한 요소법에 근거하여 수치해석을 수행하였고 그 결과를 Fig.
- 이와 같은 방법을 적용하여 버터플라이 밸브의 바디와 디스크의 형상을 모델링하였고, 메쉬를 생성하였다. 디스크의 형상에는 축의 형상도 포함되므로 축의 형상도 모델링하여 디스크의 형상에 포함시켰다.
- 즉, 디스크의 베어링 부분에 roller 경계조건을 입력하여 축 방향으로의 거동은 허용하며 나머지 방향의 거동은 제한한다. 일반적으로 베어링 경계조건은 계산의 단순화를 위하여 베어링과 디스크의 체결 부분 중에서 1/2 되는 지점에 가하였으나 본 연구에서는 보다 정확한 경계조건 입력을 위하여 베어링과 디스크의 체결 부분 전체에 대하여 roller 경계조건을 입력하였다. 따라서 본 연구에서의 해석이 일반적인 방법에 비하여 보다 정확한 디스크의 거동을 묘사할 것으로 예상된다.
- 안전도에 대하여 검토하였다. 즉, 6 가지 하중 조건에 대하여 바디와 디스크의 유한요소 해석을 수행하여 변형량과 유효응력, 안전계수를 계산하고 이로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 전반에 관한 내용을 고찰하였다. 즉, 버터플라이 밸브설계를 위하여 일반 운전 상태와 가압 테스트 상태에서 바디 (body)와 디스크(disk)의 변형과 유효응력을 상용 구조해석소프트웨어인 ANSYS(”)를 이용하여 계산하였으며, 이를 이용하여 설계 안전도를 평가하였다. 또한 이와 같이 평가된 설계 안전도를 기준으로 하여 바디와 디스크에 대한 설계변경을 제안하였고 그 결과를 평가하였다.
대상 데이터
- 이와 같이 생성된 메쉬에 물성치 데이터를 입력하는 것이 필요하다. 물성치 데이터는 표 1, 2에서 알 수 있듯 이 바디와 디스크의 물성치는 ASTM A536 Grade 65-45-12 이며 축의 물성치는 ASTM A276 420이 사용되었다.
이론/모형
- 버터플라이 밸브의 바디와 디스크의 형상은 1 요소에 4 개의 절점을 가지는 피라밋(tetrahedron) 요소를 이용하여 메쉬를 수행하였다. 두 상용 프로그램간의 데이터 교환은 IGES 파일을 이용하였다. HyperMesh를 이용하여 생성된 메쉬는 ANSYS template 기능을 이용하여 Text file 형식으로 출력하여 상용 구조해석 프로그램인 ANSYS에 입력 하였다.
- 본 연구에서는 두 번째 방법을 이용하여 형상 모델링과 메쉬 생성을 수행하였다. 즉, 버터플라이 밸브의 형상 모델링을 위하여 상용3차원 CAD 프로그램인 SolidWorks(14)< 이용하였고, 메쉬생성을 위하여 상용 메쉬 생성 프로그램인 HyperMesh<”)를이용하였다. 버터플라이 밸브의 바디와 디스크의 형상은 1 요소에 4 개의 절점을 가지는 피라밋(tetrahedron) 요소를 이용하여 메쉬를 수행하였다.
성능/효과
- (1) 버터플라이 밸브의 바디와 디스크는 일반 운전 상태에 대하여 충분히 안전하게 설계되었음을 알 수 있었다.
- (3) 버터플라이 밸브 디스크의 하중 방향이 정 방향이든 역방향이든 상관없이 충분히 안전하게 설계되었음을 알 수 있었다. 단, 정 방향 하중의 경우가 역 방향 하중의 경우에 비해 다소 안전하였다.
- (4) 역 방향 하중이 작용하는 디스크에서 리브의 두께와 형상을 변경시켜 본 결과 설계 변경 전후의 결과가 거의 차이가 없었으며, 이로부터 리브의 두께와 형상의 변경은 크게 의미가 없음을 예측할 수 있었다.
- 그리고 두 번째 방법은 상용 3차원 CAD 프로그램을 이용하여 모델링을 수행하는 방법이다. 두 번째 방법은 첫 번째 방법에 비하여 복잡한 형상을 정확히 모델링 할 수 있으며, 빠른 시간에 형상 모델링 및 메쉬(mesh)를 생성할 수 있고 비전문가도 쉽게 수행할 수 있다는 장점이 있다. 본 연구에서는 두 번째 방법을 이용하여 형상 모델링과 메쉬 생성을 수행하였다.
- 일반적으로 베어링 경계조건은 계산의 단순화를 위하여 베어링과 디스크의 체결 부분 중에서 1/2 되는 지점에 가하였으나 본 연구에서는 보다 정확한 경계조건 입력을 위하여 베어링과 디스크의 체결 부분 전체에 대하여 roller 경계조건을 입력하였다. 따라서 본 연구에서의 해석이 일반적인 방법에 비하여 보다 정확한 디스크의 거동을 묘사할 것으로 예상된다.
- 3이다. 따라서 설계 변경 전과 후의 버터플라이 밸브 디스크는 충분히 안전하게 설계되어 있음을 예상할 수 있다. 또한, 위의 결과들로부터 알 수 있듯이 설계 변경 전 후의 결과가 거의 차이가 없으며 이로부터 리브의 두께와 형상 변경은 안전에 크게 영향을 끼치지 않는다는 것을 알 수 있다.
- 설계 변경 전의 결과는 플랜지 상하부로 유체 누설이 발생할 것으로 예상되었다. 따라서 플랜지 부분을 허브 타입으로 설계 변경하였고 그 결과 설계 변경 전에 비하여 상대적으로 안전하였다.
- 따라서 설계 변경 전과 후의 버터플라이 밸브 디스크는 충분히 안전하게 설계되어 있음을 예상할 수 있다. 또한, 위의 결과들로부터 알 수 있듯이 설계 변경 전 후의 결과가 거의 차이가 없으며 이로부터 리브의 두께와 형상 변경은 안전에 크게 영향을 끼치지 않는다는 것을 알 수 있다.
- 그리고 가압 테스트 상태는 일시적인 운전 상태에 대한 테스트로서 바디 양쪽 끝에 blind flange를 대고바디와 blind flange를 볼트로 체결하여 유체가 누설 되지 않도록 하고 내부 압력을 23kg《cn?로 가했을 때의 변형량과 유효 응력을 평가하는 것이다. 이러한 해석은 blind flange를 실제로 모델링하지 않고, 바디와 체결되는 볼트 부분에 적절한 하중을 가하여 blind flange의 역할을 감당하게 하는 것이 효율적이다. 즉, 볼트 1개에 가해지는 하중 F는 다음과 같이 계산할 수 있다.
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