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가설 설정
- 밸브가 초기에 움직이는 순간의 압력과 개방된 상태로 유지시키기 위한 액츄에이터의 파일롯 개폐 압력은 스프링 힘과 길이의 제작 오차를 포함해서 결정한다. 플레이트가 시트로부터 떨어지는 순간 밸브의 움직이는 시스템의 모든 힘이 평형을 유지한다고 가정한다.
제안 방법
- 밸브 개폐 작동 시간은 가장 큰 영향을 주는 설계 변수들의 경계 값들을 고려해서 결정하였다. 개방 시간은 다음의 가정으로 결정한다.
- 밸브가 개방될 때의 작동 시간을 수학적 계산 결과와 비교하여 모델을 검증하였다. 밸브 모델을 이용해서 설계 변수인 파일롯압력, 파일롯 부의 기밀 간격, 오리피스 직경 변화, 입/출구 압력차에 대해 밸브의 동특성 해석을 수행하였다. 해석을 통해 밸브 개폐 작동 시간, 작동 성능, 개방 압력을 예상하였다.
- 힘평형 방정식을 이용하여 밸브의 개폐 압력을 구하였고 이를 해석 모델과 비교하여 결과가 일치함을 확인하였다. 밸브가 개방될 때의 작동 시간을 수학적 계산 결과와 비교하여 모델을 검증하였다. 밸브 모델을 이용해서 설계 변수인 파일롯압력, 파일롯 부의 기밀 간격, 오리피스 직경 변화, 입/출구 압력차에 대해 밸브의 동특성 해석을 수행하였다.
- 밸브의 열림/닫힘 시간을 계산하기 위해 밸브작동 과정을 나타내는 미분방정식(식 8~14)의 값과 AMESim 모델을 이용한 해석 결과를 비교하였다.
- 9 kg/s이다. 유량계수를 계산하기 위해 밸브 유동장에 대한 3차원 모델링을 구성하였고, 유한체적법으로 밸브 내부 유동장 해석을 수행하였다. 유즈노이사에 수행한 해석/경계 조건과 동일하게 입/출구의 차압을 0.
- 유량계수를 계산하기 위해 밸브 유동장에 대한 3차원 모델링을 구성하였고, 유한체적법으로 밸브 내부 유동장 해석을 수행하였다. 유즈노이사에 수행한 해석/경계 조건과 동일하게 입/출구의 차압을 0.1 MPa으로 유지하여 질유량을 계산하였다. Y사의해석 결과보다 현재 툴(Fluent)을 이용한 유량계수의 해석 값이 약 10 % 더 낮게 나오는 것을 알 수 있다.
- 밸브 모델을 검증하기 위해 밸브의 개폐압력, 작동 시간을 수학적 계산 결과와 비교하였다. 이러한 밸브 모델을 이용해서 설계 인자의 검증 및 설계 변수 대해 밸브의 동특성 해석을 수행하였다.
- 액츄에이터의 캐비티는 그림 4와 같이 피스톤의 시트 1과 인서트(insert) 2 사이에 접촉에 의해 기밀이 유지시킨다. 접촉되는 지점의 최대 특정 압력이 허용되는 값을 가지는지 비교하였다.
- 충전/배출 밸브의 기밀에 대한 밸브 작동 시간과 밸브 작동성을 예측하였다. 그림 11과 표 9에서 충전/배출 밸브의 파일롯 파트의 기밀 간격에 대한 개방 시간을 계산하였다.
- 충전/배출 밸브의 작동 시간을 계산하기 위한모델을 그림 7과 같이 구성하였다. 파일롯 라인 입구에 오리피스를 포함하였고 공압 기밀과 유압라인의 직경과 길이를 고려하였다. 작동 시간에 대한 결과를 그림 8과 그림 9에 나타내었다.
- 그림 5와 같이 밸브의 각 부품 특성을 나타내는 구성품의 조합으로 모델링을 수행하였다. 파일롯 압력을 공급하는 공압 파트와 밸브의 유로가 있는 유압 파트를 나누어서 모델링하였다. 주요 부품으로는 벨로우즈와 밸브의 스프링, 플렉시블 쉘, 포핏과 시트 등으로 이루어져있다.
- 밸브 모델을 이용해서 설계 변수인 파일롯압력, 파일롯 부의 기밀 간격, 오리피스 직경 변화, 입/출구 압력차에 대해 밸브의 동특성 해석을 수행하였다. 해석을 통해 밸브 개폐 작동 시간, 작동 성능, 개방 압력을 예상하였다.
대상 데이터
- 파일롯 압력을 공급하는 공압 파트와 밸브의 유로가 있는 유압 파트를 나누어서 모델링하였다. 주요 부품으로는 벨로우즈와 밸브의 스프링, 플렉시블 쉘, 포핏과 시트 등으로 이루어져있다.[3]
데이터처리
- 본 논문에서는 유즈노이(Yuzhnoye)사에서 설계한 산화제 충전/배출 밸브의 설계 검증 및 작동 성능을 분석하기 위해 AMESim 상용코드를 이용하여 밸브 모델을 구성하였다. 밸브 모델을 검증하기 위해 밸브의 개폐압력, 작동 시간을 수학적 계산 결과와 비교하였다. 이러한 밸브 모델을 이용해서 설계 인자의 검증 및 설계 변수 대해 밸브의 동특성 해석을 수행하였다.
- 이러한 AMESim 모델의 시뮬레이션 결과를 계산식과 비교하여 모델의 정확도를 검증하였다.
- 충전/배출 밸브의 제작에 앞서 설계 검증 및 기본적인 작동특성을 분석하기 위해 AMESim 상용코드를 이용하여 해석 모델을 구성하였다. 힘평형 방정식을 이용하여 밸브의 개폐 압력을 구하였고 이를 해석 모델과 비교하여 결과가 일치함을 확인하였다.
이론/모형
- AMESim(Advanced Modeling Environment for Simulation of Engineering System)을 이용한 충전/배출 밸브의 모델링을 수행하였다. AMESim은 유공압 시스템의 모델링을 통해 동특성 시뮬레이션 및 해석에 유용하게 이용할 수 있는 상용 소프트웨어이다.
- 따라서 개발 전에 설계 인자를 검증하고 밸브의 작동특성을 파악해야 한다. 본 논문에서는 유즈노이(Yuzhnoye)사에서 설계한 산화제 충전/배출 밸브의 설계 검증 및 작동 성능을 분석하기 위해 AMESim 상용코드를 이용하여 밸브 모델을 구성하였다. 밸브 모델을 검증하기 위해 밸브의 개폐압력, 작동 시간을 수학적 계산 결과와 비교하였다.
성능/효과
- 1 MPa으로 유지하여 질유량을 계산하였다. Y사의해석 결과보다 현재 툴(Fluent)을 이용한 유량계수의 해석 값이 약 10 % 더 낮게 나오는 것을 알 수 있다. CV값에 대한 결과는 향후 시험을 통해 해석 결과에 대한 검증이 필요할 것으로 판단된다.
- 충전/배출 밸브의 복잡한 구조와 유공압 회로 매개변수의 다양함으로 인해 수치적 해석의 어려움이 있다. 따라서 간단한 계산식의 결과와 비교를 통해 모델의 정확성을 검증하고, 실제 밸브시스템의 동작원리, 설계 변수 등을 변화시켜서 해석 결과를 통해 밸브의 설계 검증 및 작동 특성을 예측할 수 있다.
- 그림 11에서 충전/배출 밸브의 입/출구 압력차에 따른 닫힘 시간을 계산하였다. 입구 압력이 1 bar이고 출구 압력이 5 bar로 약 5배의 압력차일 때는 닫힘 시간이 0.047초, 입/출구의 압력이 같을 때는 밸브의 최대 닫힘 시간이 0.12초로 크게 증가하였다.
- 파일롯 압력에 의해서 밸브가 처음 열리는 순간의 압력은 밸브의 힘평형 방정식 식 (5)에 의해서 계산된다. 초기 개방 압력과 최대 개방 압력 계산 결과와 AMESim 해석 결과를 그림 6에 나타내었고, 표 5에서 비교하였고 잘 일치함을 확인하였다.
- 작동 시간에 대한 결과를 그림 8과 그림 9에 나타내었다. 파일롯 압력이 6 MPa일 경우 최대 열림 시간과, 파일롯 압력이 8 MPa일 경우 최대 닫힘 시간을 계산하였고 표 6, 7과 같이 작동 시간이 잘 일치함을 확인하였다.
- 31 mm로 설정되어 있다. 해석 결과를 통해서도 알 수 있듯이 밸브의 작동 시간 등을 최적의 상태로 유지하기 위해서는 기밀 직경이 최대 약 0.3 mm로 유지하는 것이 바람직할 것으로 판단된다. 기밀직경이 0.
- 충전/배출 밸브의 제작에 앞서 설계 검증 및 기본적인 작동특성을 분석하기 위해 AMESim 상용코드를 이용하여 해석 모델을 구성하였다. 힘평형 방정식을 이용하여 밸브의 개폐 압력을 구하였고 이를 해석 모델과 비교하여 결과가 일치함을 확인하였다. 밸브가 개방될 때의 작동 시간을 수학적 계산 결과와 비교하여 모델을 검증하였다.
후속연구
- Y사의해석 결과보다 현재 툴(Fluent)을 이용한 유량계수의 해석 값이 약 10 % 더 낮게 나오는 것을 알 수 있다. CV값에 대한 결과는 향후 시험을 통해 해석 결과에 대한 검증이 필요할 것으로 판단된다.
- 본 연구 결과는 한국형 발사체 추진공급계충전/배출 밸브의 설계 및 선행 연구에 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
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