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가설 설정
- 산업용 교반기는 원자력 발전, 화학공업, 식품공업, 금속공업, 수처리 공정 등 산업 전반에 걸쳐 널리 사용되며 단일 혹은 두 개 이상의 물질을 혼합하여 하나의 물질을 만들어 주는 장치이다.[1] 작은 양의 물질부터 수 톤에 이르기까지 다양한 혼합할 물질의 양 또는 교반되는 물질의 특성에 따라 임펠러와 교반조는 그 형태와 크기가 다양하다. 이 중 특히 임펠러는 기계동력을 교반에너지로 바꾸어 주는 장치로써 날의 형상부터 회전 밸런스까지 하나하나가 교반효율에 큰 영향을 미치는 요소이며 특히 중속회전 시의 교반 성능은 임펠러의 영향을 가장 많이 받게 되는 것으로 알려져 있다.
제안 방법
- 교반기 연구는 내부내의 유동장이나 유동 특성에 대한 연구[3-5]는 진행되고 있지만 설계 파라메타에서 전체인 임펠러의 강성과 형상 선정에 대한 구조적 안전성 평가는 필수적 요소이지만 공개가 되지 않고 있다. 따라서 본 논문에서는 다양한 임펠러의 유형 중 두 개의 날이 나선형으로 교차되어 상하의 순환류를 발생시키는 Helical Ribbon 타입의 임펠러를 형상 선정의 기준으로 하여 각각 구조가 다른 세 가지 형상의 임펠러에 대한 원심력에 의해 미치는 구조해석과 고유진동수 해석 및 조화 해석을 수행하고 임펠러의 형상에 따른 국부적 응력 집중되는 취약부위 분석과 고유진동수 및 공진주파수를 확인하여 설계 변수를 도출하였다.
- 교반기 연구는 내부내의 유동장이나 유동 특성에 대한 연구[3-5]는 진행되고 있지만 설계 파라메타에서 전체인 임펠러의 강성과 형상 선정에 대한 구조적 안전성 평가는 필수적 요소이지만 공개가 되지 않고 있다. 따라서 본 논문에서는 다양한 임펠러의 유형 중 두 개의 날이 나선형으로 교차되어 상하의 순환류를 발생시키는 Helical Ribbon 타입의 임펠러를 형상 선정의 기준으로 하여 각각 구조가 다른 세 가지 형상의 임펠러에 대한 원심력에 의해 미치는 구조해석과 고유진동수 해석 및 조화 해석을 수행하고 임펠러의 형상에 따른 국부적 응력 집중되는 취약부위 분석과 고유진동수 및 공진주파수를 확인하여 설계 변수를 도출하였다.
- 응력 집중이 발생한 두 모델 중 Type 1 모델을 제외하고 Type 2 과 Type 3의 두 모델로 고유진동 해석을 수행하였다.[10] 고유진동수 해석결과를 보면 Type 2 모델의 경우 1차에서 6차까지 4 ~ 34Hz의 진동수를 보였으며 Type 3 모델의 경우는 1차에서 6차까지 3.
- 해석의 경계조건은 각각의 모델에 대해 상단 커플링 결합부를 고정하고 동일한 하중으로 축을 중심으로 한 원심력 조건을 각속도로 부가하여 원심력에 의한 응력 및 변형 해석을 수행하였다. 경계조건을 확정하기 위한 실험으로 사용된 물성치는 기존 물성치가 검증된 제품으로 일반 자동차 엔진 오일에 사용되는 5W30을 사용하였다.
- 경계조건을 확정하기 위한 실험으로 사용된 물성치는 기존 물성치가 검증된 제품으로 일반 자동차 엔진 오일에 사용되는 5W30을 사용하였다. 해석의 초기 설정 값을 정하기 위해 상품화된 제품에서 최대 허용조건을 선택하여 회전 50RPM으로 회전시 하부 날개 끝단의 변형이 10.2mm임을 측정을 통하여 구하였으며 반복해석을 통하여 그 때와 동일한 변형조건을 구해 경계조건으로 사용하여 해석을 진행 하였다.
대상 데이터
- 해석의 경계조건은 각각의 모델에 대해 상단 커플링 결합부를 고정하고 동일한 하중으로 축을 중심으로 한 원심력 조건을 각속도로 부가하여 원심력에 의한 응력 및 변형 해석을 수행하였다. 경계조건을 확정하기 위한 실험으로 사용된 물성치는 기존 물성치가 검증된 제품으로 일반 자동차 엔진 오일에 사용되는 5W30을 사용하였다. 해석의 초기 설정 값을 정하기 위해 상품화된 제품에서 최대 허용조건을 선택하여 회전 50RPM으로 회전시 하부 날개 끝단의 변형이 10.
- 그림 1은 본 연구에 사용된 임펠러는 산업용에서 주로 사용되는 3가지 타입의 Helical Ribbon형 임펠러들이다.[6,7] 그림 1 (a) Type 1과 (b) Type 1모델은 두 개의 날이 나선형으로 교차되어 상하의 순환류를 발생시키는 Helical Ribbon 형태로 원통형 구조물과 리브에 의해 날이 지지되어 있다.
- 본 논문에서 다양한 임펠러의 유형 중 두 개의 날이 나선형으로 교차되어 상하의 순환류를 발생시키는 Helical Ribbon 타입의 임펠러 형상 선정하였다. 각각 구조가 다른 세 가지 형상의 임펠러에 대한 원심력에 의해 미치는 구조해석과 고유진동수 해석 및 조화 해석을 수행하고 임펠러의 형상에 따른 국부적 응력 집중되는 취약부위 분석과 고유진동수 및 공진주파수를 확인하여 설계 변수를 도출하였다.
- 이 3 종류의 모델에 대하여 해석하였으며 모델링은 SolidWorks 2010을 사용하여 생성하였고 해석은 동 프로그램의 구조해석 모듈인 SolidWorks Simulation 2011버전을 이용하였다. 재질은 부식을 고려하여 오스트나이트계 스테인레스강인 STS 304를 적용하였으며 기계적 성질은 표 1과 같다. 해석에 적용된 모델의 크기는 외경 1800mm, 날개부 높이 1700mm, 총 길이는 4000mm으로 일반 산업용으로 적용되는 크기로 하였으며 해석에 적용된 유한요소의 개수는 표 2과 같다.
- 재질은 부식을 고려하여 오스트나이트계 스테인레스강인 STS 304를 적용하였으며 기계적 성질은 표 1과 같다. 해석에 적용된 모델의 크기는 외경 1800mm, 날개부 높이 1700mm, 총 길이는 4000mm으로 일반 산업용으로 적용되는 크기로 하였으며 해석에 적용된 유한요소의 개수는 표 2과 같다.
이론/모형
- Type 3 모델은 본 논문에서 제안한 모델로 두 개의 Helical 날개가 교차하고 그 중앙에 다시 작은 Helical형태의 날이 반대방향으로 부착되어있는 모델로 원통형 구조물을 없애고 다수의 리브를 이용해 날개를 지지하여 강성을 더욱 보강시킨 모델이다. 이 3 종류의 모델에 대하여 해석하였으며 모델링은 SolidWorks 2010을 사용하여 생성하였고 해석은 동 프로그램의 구조해석 모듈인 SolidWorks Simulation 2011버전을 이용하였다. 재질은 부식을 고려하여 오스트나이트계 스테인레스강인 STS 304를 적용하였으며 기계적 성질은 표 1과 같다.
성능/효과
- 1. Type 1과 Type 2 모델의 경우 원심력에 의해 날과 지지대가 접촉되는 부위에서 응력 집중현상이 발생하고 상대적으로 강성이 약해진 날개의 가장자리에서 변위가 발생하는 것을 확인하였다.
- 2. 본 연구에서 제안한 Type 3 모델은 다수의 보강대로 인해 응력이 고루 분산되고 변위 또한 날개보다 보강대쪽으로 집중되는 것을 확인하여 변형이 적어 구동부의 수명이 증가 될 것으로 예상된다.
- 3. Type 1과 Type 2 모델 중 형상이 안정적인 Type 2 모델에 대해 지지대를 보강하여 해석을 수해한 결과 집중되는 응력의 값을 감소시킬 수 있었으며 국부적인 집중현상을 제외하면 적은 값의 응력이 발생됨을 확인 하였다.
- 응력 분포를 확인해보면 응력이 임펠러의 날 부위에만 집중되지 않고 축 상부까지 고르게 분포되어 있는 것을 확인 할 수 있다. Type 1과 Type 2 모델의 경우 비슷한 부위에서 비슷한 응력 집중을 보였기 때문에 두 개의 모델 중 Type 1 모델보다 응력 집중 회피를 고려하여 설계된 Type 2 모델을 대상으로 날개 지지부의 보강을 통하여 응력 집중의 위치와 크기 변화를 확인하였으며 그 결과 최대 응력은 약 200MPa로 항복강도에 미치지 못함을 확인 할 수 있었다. 또한 국부적인 응력 집중 현상을 제외하고 임펠러에 원주방향으로 작용한 반력을 하중으로 적용해보면 최대 응력은 112.
- 6차까지의 고유진동 모드해석을 기반으로 조화 가진 응답해석을 수행한 결과를 그림 5에 도시하였다. Type 2의 모델은 3차 모드인 11.14Hz에서 약 9mm의 변위 발생하였으며 Type 3 모델은 3차 모드인 13.4Hz에서 약 5mm의 변위 발생으로 진동이 반으로 줄었으며 이는 Type 3 모델이의 구조가 진동에 안정됨을 확인하였다. 또한 Type 3 모델에서 4,1hz 영역에서 2nd 현상이 보이는 것은 Blade 수가 2개로 인한 결과라 사료된다.
- 결과적으로 본 제안된 Type 3 구조로 설계하면 안전성 및 수명에서 기존 모델보다 향상되는 결론을 얻었다.
- 이는 끝단이 날로 되어 구조의 강성이 작아져 변형이 심한 것으로 사료된다. 다음으로 본 논문에서 제안한 Type 3 모델은 끝의 최대 변형이 5.0mm로 변형이 극히 적었다. 이는 기존 제품에 비하여 1/2 변형이 감소하는 결과로 구조의 안전성이 양호하며 변형이 적어 회전시 베어링 부 및 날 부위의 안전성이 향상됨을 알 수 있으며 특히 상부에는 거의 변형이 일어나지 않는 것을 확인하였으며 이는 구동부의 안전성이 확보되었음을 확인하였다.
- 조건은 임펠러 축의 상단 커플링 결합부를 고정하고 300RPM의 원심력을 부가한 결과 Type 1 모델의 경우 날개의 끝과 원통형 지지대가 맞닿는 부분에서 SUS 304의 항복강도(Yield Stress)인 206MPa을 초과하는 248MPa의 응력이 집중됨을 확인하였으며 이는 충격을 받았을 때 파손 및 소성이 일어날 가능성이 있어 수정이 요구된다. 다음으로 일부 보완된 Type 2 모델 역시 Type 1 모델의 응력 집중 부위와 크기가 같은 위치에서 응력집중이 발생하여 설계치를 변경할 필요가 있음을 확인하였다. 이를 개선한 Type 3 모델은 Type 1과 Type 2 모델에 비해 최대 응력이 작아 47.
- 9MPa로 항복강도에 비해 적은 값임을 확인하였다. 따라서 Type 3 모델이 응력분포 및 변형에 있어 훨씬 안정된 구조 조건임을 확인하였다.
- Type 1과 Type 2 모델의 경우 비슷한 부위에서 비슷한 응력 집중을 보였기 때문에 두 개의 모델 중 Type 1 모델보다 응력 집중 회피를 고려하여 설계된 Type 2 모델을 대상으로 날개 지지부의 보강을 통하여 응력 집중의 위치와 크기 변화를 확인하였으며 그 결과 최대 응력은 약 200MPa로 항복강도에 미치지 못함을 확인 할 수 있었다. 또한 국부적인 응력 집중 현상을 제외하고 임펠러에 원주방향으로 작용한 반력을 하중으로 적용해보면 최대 응력은 112.9MPa로 항복강도에 비해 적은 값임을 확인하였다. 따라서 Type 3 모델이 응력분포 및 변형에 있어 훨씬 안정된 구조 조건임을 확인하였다.
- 우선 변형에 있어 해석 결과를 분석하면 그림 2는 기존 제품인 Type 1 형 임펠러의 변위 분포를 해석한 결과로 끝단의 최대 변위는 실험 결과와 일치하는 10.2mm임을 확인할 수 있다. 또한 날개 칼 부분이 변형이 심하게 발생됨을 보이고 있다.
- 1MPa으로 되어 Type 1 대비 19%로 현격한 감소를 보였다. 응력 분포를 확인해보면 응력이 임펠러의 날 부위에만 집중되지 않고 축 상부까지 고르게 분포되어 있는 것을 확인 할 수 있다. Type 1과 Type 2 모델의 경우 비슷한 부위에서 비슷한 응력 집중을 보였기 때문에 두 개의 모델 중 Type 1 모델보다 응력 집중 회피를 고려하여 설계된 Type 2 모델을 대상으로 날개 지지부의 보강을 통하여 응력 집중의 위치와 크기 변화를 확인하였으며 그 결과 최대 응력은 약 200MPa로 항복강도에 미치지 못함을 확인 할 수 있었다.
- 0mm로 변형이 극히 적었다. 이는 기존 제품에 비하여 1/2 변형이 감소하는 결과로 구조의 안전성이 양호하며 변형이 적어 회전시 베어링 부 및 날 부위의 안전성이 향상됨을 알 수 있으며 특히 상부에는 거의 변형이 일어나지 않는 것을 확인하였으며 이는 구동부의 안전성이 확보되었음을 확인하였다.
- 다음으로 일부 보완된 Type 2 모델 역시 Type 1 모델의 응력 집중 부위와 크기가 같은 위치에서 응력집중이 발생하여 설계치를 변경할 필요가 있음을 확인하였다. 이를 개선한 Type 3 모델은 Type 1과 Type 2 모델에 비해 최대 응력이 작아 47.1MPa으로 되어 Type 1 대비 19%로 현격한 감소를 보였다. 응력 분포를 확인해보면 응력이 임펠러의 날 부위에만 집중되지 않고 축 상부까지 고르게 분포되어 있는 것을 확인 할 수 있다.
- 다음으로 응력 분포 해석의 결과는 그림 3과 같다. 조건은 임펠러 축의 상단 커플링 결합부를 고정하고 300RPM의 원심력을 부가한 결과 Type 1 모델의 경우 날개의 끝과 원통형 지지대가 맞닿는 부분에서 SUS 304의 항복강도(Yield Stress)인 206MPa을 초과하는 248MPa의 응력이 집중됨을 확인하였으며 이는 충격을 받았을 때 파손 및 소성이 일어날 가능성이 있어 수정이 요구된다. 다음으로 일부 보완된 Type 2 모델 역시 Type 1 모델의 응력 집중 부위와 크기가 같은 위치에서 응력집중이 발생하여 설계치를 변경할 필요가 있음을 확인하였다.
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