[논문]터빈 블레이드 형상에 따른 의료용 에어터빈 핸드피스의 성능 특성에 관한 수치적 연구

이정호; 김귀순

터빈 블레이드 형상에 따른 의료용 에어터빈 핸드피스의 성능 특성에 관한 수치적 연구
Numerical Study on the Effect of Turbine Blade Shape on Performance Characteristics of a Dental Air Turbine Handpiece 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.13 no.1 = no.50, 2009년, pp.34 - 42

이정호 (부산대학교 항공우주공학과) , 김귀순 (부산대학교 항공우주공학과)

초록
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의료용 고속 에어터빈 핸드피스는 치아 절삭 도구로써 지난 50년 동안 치의학분야에서 사용되어왔으나, 그것에 대한 성능 연구가 많이 없었다. 그래서 수치해석을 이용하여 핸드피스 터빈 형상의 성능 특성을 본 논문에서 연구하였다. 정상상태 방법 중 하나인 프로즌 로터 방식을 이용하여 터빈 블레이드의 위치에 따라 5가지의 경우에서 계산하였다. 형상과 반사각에 따른 터빈 블레이드의 특성을 분석하였다. 계산 결과에 따르면, 터빈 블레이드의 반사각이 증가할 때 토크가 증가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

High-speed air turbine handpieces have been used as a dental cutting tool in clinical dentistry for over 50 years, but little study has been reported on their performance analysis. Therefore, the effect of turbine blade shape on performance characteristics of dental air turbine handpiece were studied using CFD in this paper. Computations have been performed for five different positions of turbine blade by using frozen rotor method that is one of steady-state method. The characteristics of turbine blade for shapes and reflection angles were analyzed. As a result of the computation, torque is increased by increasing the reflection angle of turbine blade.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 터빈의 형상에 따른 핸드피스의 성능 특성을 알아보았다. 그 결과, 터빈형상에 관한 결론을 다음과 같이 이끌어 냈다.

제안 방법

경계조건으로는 공기 유입부에 3 bar의 전압력, 293 K의 전온도, V_x/|V|=1의 유동각을 설정해주고 계산영역 출구에 대기압(1 bar)의 정압력을 부여하였다. 외곽 케이스 주변과 공기 유입로, 배출로 부분을 제외한 터빈과 그 주위 영역에 300000 rpm의 회전조건을 주어 계산을 실행하였다.
그래서 블레이드의 위치를 이동시키면서 블레이드의 상대적인 위치에 따른 특성을 살펴보았다.
그러므로 이 논문에서는 핸드피스 성능을 분석하기 위해 수치해석을 이용하여 터빈주변의 유동과 압력을 분석하였다.
그러므로 이 논문에서는 핸드피스 성능을 분석하기 위해 수치해석을 이용하여 터빈주변의 유동과 압력을 분석하였다. 또한, 터빈 블레이드의 형상과 블레이드면의 반사각에 따른 핸드피스의 성능 특성을 살펴보았다.
반사각이 계속 증가함에 따라 토크가 증가하는 지를 알아보기 위해 갈매기 형상의 블레이드에서 반사각을 계속 증가시켜 계산을 하였다. 오목한 형상에서는 기본 치수를 바꾸지 않고서는 더 이상의 반사각의 증가가 어려웠다.
본 연구에서는 유한체적법(FVM)을 기반으로 개발된 상용 코드인 FINETM /Turbo를 이용하여 수치적 해석을 하였다.
블레이드의 개수가 8개로 터빈의 형상이 45˚ 간격으로 반복이 되므로 9˚씩 회전부분의 격자를 이동시켜 5가지의 블레이드 위치에 따른 계산을 하였다.
/|V|=1의 유동각을 설정해주고 계산영역 출구에 대기압(1 bar)의 정압력을 부여하였다. 외곽 케이스 주변과 공기 유입로, 배출로 부분을 제외한 터빈과 그 주위 영역에 300000 rpm의 회전조건을 주어 계산을 실행하였다.

대상 데이터

계산을 하기위한 터빈부의 초기 치수는 현재 시중에 주로 사용되는 있는 핸드피스 제품을 모델로 하였다.

데이터처리

수치해석을 하는데 있어서 터빈이 회전하고 있는 비정상 해석을 계산시간과 수렴성을 높이기 위해 정상상태 조건으로 계산을 하였다.

이론/모형

계산은 Navier-Stokes 방정식을 근거로 수행되었다. 수치적 기법에 있어서는 시간에 대해서 4차 explicit Runge-Kutta 적분법을 적용하였고, 공간에 대해서 중앙차분법을 이용하였다.
또한, 수렴을 가속시키기 위해 3단계의 다중격자법(multigrid method)을 적용하였다.
수치적 기법에 있어서는 시간에 대해서 4차 explicit Runge-Kutta 적분법을 적용하였고, 공간에 대해서 중앙차분법을 이용하였다.

성능/효과

(1) 터빈의 블레이드면의 반사각이 증가하면서 모든 position에서 토크가 증가하는 경향을 보인다.
(3) 같은 반사각 일 때, 오목한 형상이 특정한 position에서 갈매기 형상보다 압력 수치가 높게 나타났지만, 고정된 블레이드 높이에 있어서는 갈매기 형상의 블레이드가 오목한 형상의 블레이드보다 반사각을 더 크게 만들 수 있으므로 토크에 미치는 차이는 크지 않다고 볼 수 있다.
계산 결과 블레이드의 반사각이 증가함에 따라 전체적으로 토크가 증가하였으며, 특히 position 5에서 토크가 크게 증가하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	핸드피스의 성능을 결정하는 요소 중 중요시되는 것은?	핸드피스의 성능을 결정하는 요소 중 중요시되는 것이 토크이다. 이러한 토크가 실제 치아를 절삭하는 데 있어서 핸드피스의 성능을 좌우한다.
	핸드피스의 구성은 어떻게 되는가?	핸드피스의 구성을 살펴보면, 치아를 절삭하는 헤드 부분, 2bar 이상의 고압 공기를 내보내주는 공기유입장치, 그리고 그 둘을 이어주는 커넥터 부분으로 되어있다. 핸드피스는 공기유입장치에서 나온 압축된 공기를 이용하여 헤드 부분에 위치한 터빈의 블레이드에 압력을 가하고 그 힘에 의해 회전된 터빈이 핸드피스의 구동축을 돌려서 치아를 깎게 되는 원리로 작동된다.

참고문헌 (6)

J.E. Dyson, B.W. Darvell, 'The development of the dental high speed air

상세보기
J.E. Dyson, B.W. Darvell, 'The development of the dental high speed air turbine handpiece-part2:, Australian Dental Journal 38:2, 1993, pp.131-143

상세보기
J.E. Dyson, B.W. Darvell, 'Flow and free running speed characterization of dental air turbine handpieces', Journal of Dentistry 27, 1999, pp.456-477
J.E. Dyson, B.W. Darvell, 'Aspect of the design of modern dental air turbine

상세보기
노준구, 정은환, 이은석, 김진한, '프로즌 블레이드 기법을 이용한 부분흡입용 터빈 수치 해석', 유체기계저널, 제7권, 제6호, 2004, pp.15-20

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신봉근, 정수인, 김귀순, 이은석, '충동형 초음속 터빈 익렬의 설계 변수에 따른 익렬내 유동 특성에 관한 수치적 연구', 한국추진공학회지, 제8권, 제2호, 2004, pp.62-72

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