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문제 정의
- 본 연구는 선박용 도장시스템인 공압펌프에서 나타나는 맥동 압력과 냉결기간의 문제점을 개선하기 위하여 구조 및 유동해석을 수행하여 원인을 파악하여, 설계 제작하여 성능평가를 수행한 결과 다음과 같은 결과를 얻었다.
- 이상에서 기존 공압식 펌프의 문제점을 개선하기 위해 본 연구에서는 펌프 내부의 냉결시간을 2배 이상 연장하고, 맥동효과를 20%이상 감소하는 선박도장용 50MPa급 고압 펌프를 개발하고자 한다.
제안 방법
- 공압 펌프는 사용 압력과 결빙으로 인한 온도 변화에 대해 구조적 안정성을 검토하기 위하여 열응력 해석을 수행하였다. 고압 펌프의 모델링은 CATIA V5를 이용하였고, 구조해석에 영향을 주지 않는 미세한 부품에 대해서는 단순화하였다.
- 냉결시간을 지연시키기 위한 방법은 실린더 내의 흡입 및 배출 관로 주변에 자연 통풍구의 면적을 최대한 확대해줌으로써 자연대류에 의한 열전달 효과를 줘서 내부의 저온을 배출할 수 있도록 설계하였다.
- 맥동현상을 최소화하는 방법으로는 기존의 고압펌프의 경우, 밸브 전환 하우징이 상부에 위치하여 흡입과 배출의 관로 길이가 다르게 제작되어 맥동효과가 강하게 나타나지만, 본 연구에서는 밸브 전환 하우징을 측면부에 부착하여 흡입과 배출 관로의 길이를 동일하게 해줌으로써 규칙적인 맥동사이클을 형성하도록 설계하였다. 또한 구동방식을 개선함으로 맥동압력과 맥동폭을 감소토록 하였다.
- 6MPa이고, 내부 온도의 설정은 너무 낮은 온도가 되면 결빙현상으로 펌프의 작동이 불가능하기 때문에 –5℃로 하였다. 또한 외기 조건은 온도를 35℃ 로 설정하였고, 자유 대류를 고려한 대류열전달 계수 5W/m2℃를 적용하였다.
- 해석 결과를 통해 나타난 설계의 문제점을 보안하여 실제 고압펌프를 제작하여 펌프 사용에 따른 맥동압력과 냉결 시간을 평가하였다. 맥동압력의 평가는 맥동압력차를 1cycle에 대해 최대압력과 최소압력의 차로 정의하였고, 이를 5회 반복하여 평균치를 산정하였다.
- 토출압력을 50MPa급를 내기 위하여 압축비를 72:1로 설계하였고, 고압을 발생하기 위해서 왕복동 피스톤 타입의 고압펌프 시스템을 적용하였다. 맥동현상을 최소화하는 방법으로는 기존의 고압펌프의 경우, 밸브 전환 하우징이 상부에 위치하여 흡입과 배출의 관로 길이가 다르게 제작되어 맥동효과가 강하게 나타나지만, 본 연구에서는 밸브 전환 하우징을 측면부에 부착하여 흡입과 배출 관로의 길이를 동일하게 해줌으로써 규칙적인 맥동사이클을 형성하도록 설계하였다. 또한 구동방식을 개선함으로 맥동압력과 맥동폭을 감소토록 하였다.
- 피스톤이 위로 움직이는 경우, 상부 공간은 압축되는 반면에 하부 공간은 팽창을 한다. 이러한 현상을 구현하기 위해 이동격자를 이용한 과도해석을 수행하였다. 고압 펌프의 행정길이는 125mm이고, 행정 시간은 1초이다.
- 001로 하여 해석을 수행하였다. 입, 출구 조건은 압축기에서 공급되는 압축공기의 압력이 0.6MPa이기 때문에 입구 조건은 0.6MPa로 설정하였고, 대기압 상태로 유동이 분사되기 때문에 출구 조건은 대기압 조건을 주어 해석하였다.
- 2는 본 연구에서 개발된 공압식 도장 펌프로, 크게 상부하우징(Upper housing), 하부 하우징(Lower housing), 피스톤 (Piston), 방향전환밸브(Directional control valve) 등으로 구성 되어 있다. 토출압력을 50MPa급를 내기 위하여 압축비를 72:1로 설계하였고, 고압을 발생하기 위해서 왕복동 피스톤 타입의 고압펌프 시스템을 적용하였다. 맥동현상을 최소화하는 방법으로는 기존의 고압펌프의 경우, 밸브 전환 하우징이 상부에 위치하여 흡입과 배출의 관로 길이가 다르게 제작되어 맥동효과가 강하게 나타나지만, 본 연구에서는 밸브 전환 하우징을 측면부에 부착하여 흡입과 배출 관로의 길이를 동일하게 해줌으로써 규칙적인 맥동사이클을 형성하도록 설계하였다.
- 해석 결과를 통해 나타난 설계의 문제점을 보안하여 실제 고압펌프를 제작하여 펌프 사용에 따른 맥동압력과 냉결 시간을 평가하였다. 맥동압력의 평가는 맥동압력차를 1cycle에 대해 최대압력과 최소압력의 차로 정의하였고, 이를 5회 반복하여 평균치를 산정하였다.
대상 데이터
- Fig. 2는 본 연구에서 개발된 공압식 도장 펌프로, 크게 상부하우징(Upper housing), 하부 하우징(Lower housing), 피스톤 (Piston), 방향전환밸브(Directional control valve) 등으로 구성 되어 있다. 토출압력을 50MPa급를 내기 위하여 압축비를 72:1로 설계하였고, 고압을 발생하기 위해서 왕복동 피스톤 타입의 고압펌프 시스템을 적용하였다.
- 3은 해석에 사용된 유한 요소 모델이다. 고압 펌프의 재질은 알루미늄 합금(Aluminum alloy)이며, 물성치는 Table 1에 나타내었다. 경계조건은 압축공기의 사용압력은 0.
이론/모형
- 0을 사용하였다. CFX는 Navier-Stokes 방정식을 Reynolds 평균함으로써 얻어지는 URANS(Unsteady reynolds averaged Navier-Stokes)방정식에 대한 해를 구한다. 연속방정식, 운동량방정식, 에너지 방정식은 다음과 같다.
- 공압 펌프는 사용 압력과 결빙으로 인한 온도 변화에 대해 구조적 안정성을 검토하기 위하여 열응력 해석을 수행하였다. 고압 펌프의 모델링은 CATIA V5를 이용하였고, 구조해석에 영향을 주지 않는 미세한 부품에 대해서는 단순화하였다. 구조해석을 위한 유한 요소 모델은 Ansys workbench 14.
- 고압 펌프의 모델링은 CATIA V5를 이용하였고, 구조해석에 영향을 주지 않는 미세한 부품에 대해서는 단순화하였다. 구조해석을 위한 유한 요소 모델은 Ansys workbench 14.0에서 제공되는 3D 솔리드 사면체를 사용하였으며, 유한 유소 모델의 격자는 요소 수는 506,687이고, 노드 수는 904,714이다. Fig.
- 본 연구에서는 k-ω SST(Shear stress transport)의 난류모델을 사용하여 공압식 도장 펌프의 내부 유동해석을 수행하였고, 상용해석 프로그램인 CFX 14.0을 사용하였다.
성능/효과
- (1) 고압 펌프 작동시 온도 및 압력 조건에 대해 열응력 해석을 수행한 결과 최대 등가응력이 49.292MPa이며 이를 재료의 항복응력과 비교하면 안전율이 8이다.
- (2) 이동격자를 이용하여 펌프 내부의 유동해석을 수행한 결과 토출부분에서 급속배출로 인해 급격히 온도강하가 일어나며, 이로 인해 배출구에서부터 결빙현상이 일어나는 것을 확인하였다.
- (3) 공압펌프의 흡, 배기 밸브전환하우징을 측면에 설치하여 흡기관과 배기관의 길이를 동일하게 해줌으로써 기존 펌프가 가지고 있는 맥동압력차가 8.0MPa를 50% 개선하여 평균 맥동압력차를 4.2MPa가 되었다.
- (4) 펌프 작동시 급속 배출로 인해 발생하는 냉결기간을 지연시키기 위하여 자연 통풍면적을 극대화하고, 초저온의 배출가스를 최대한 빨리 배출시키기 위해 4-way 밸브 타입의 파일럿 밸브보다는 3-way 밸브 타입의 파일럿 밸브가 사용하는 것이 밸브전환이 용이하다.
- 이동격자를 이용하여 실제 고압펌프의 내부 유동해석을 분석해 본 결과 고압펌프 내부의 온도가 공기의 임계온도까지 내려가는 것을 확인하였고, 이 결과는 고압 펌프 내부에서 공기의 상변화가 일어나서 물이 생기는 것을 의미한다. 즉, 고압펌프 내부에 결빙현상이 일어나 배출구에서 관로가 폐쇄되면 펌프의 작동이 멈추는 문제점을 야기시키는 것으로 파악할 수 있다.
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