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문제 정의
- 그러나 밸브의 유동특성과 구조적 안정성을 함께 고려하고 동시에 경량화를 수행한 연구[4, 5]는 많지 않다. 본 연구에서는 메인스타팅 에어밸브의 국산화 기술 확보를 위해 기 개발된 소형의 밸브를 기초로 하고, 이 밸브와 개발되는 밸브의 유동 및 구조 안정성 평가를 실시하였다. 이를 통해 메인스타팅 에어밸브의 경량화 설계를 제시하였다.
가설 설정
- 작동유체는 에어의 이상기체를 사용하였고 비압축성 유동 및 정상상태로 가정하였다. 그리고 ANSYS CFX의 k-ε 난류모델을 사용하였다.
제안 방법
- 밸브의 성능 및 강도를 평가하기 위하여 유동해석과 구조연성해석을 수행하였다. 80A 메인스타팅 에어밸브와 동일한 조건하에서 유동해석을 수행하였다. 이를 Fig.
- 80A 메인스타팅밸브도 50A 밸브와 작동원리와 동일한 조건에서 작동하기 때문에 밸브 내부의 형상은 유지 하나 밸브 내부의 치수를 변화하여 설계하였다. 공기압축기와 연결되는 볼트 홈의 경우 KS규격을 기준으로 하여 볼트 홈을 구성하였다.
- 80A 메인스타팅밸브의 경량화 설계를 위해 80A 메인 스타팅밸브의 형상변화를 시도하였다. 공기 압축기의 직경이 고정되어 있어 밸브의 직경변화는 불가했다.
- 80A 메인스타팅밸브의 유동해석 조건으로 작동유체는 이상기체를 사용하였고 ANSYS CFX의 k-ε 난류모델을 50A메인스타팅 에어밸브와 동일한 조건에서 작동하기 때문에 Fig. 3과 같이 입구에서는 실제 작동압력보다 2배 높은 60bar를 적용시키고 출구에서는 대기압을 사용 하였다.
- 입구를 통해 유입된 압축공기가 디스크를 통과하여 출구로 유출되는 것을 압력분포를 통하여 관찰할 수 있다. FSI를 이용하여 유동해석의 결과인 압력분포를 구조해석의 하중조건으로 설정하여 80A 메인스타팅밸브의 구조 연성해석을 수행하였다. 80A 밸브의 구조연성해석에 사용된 유한요소모델은 4절점 사면체 2차요소를 사용하여 절점 780,806개와 요소 539,441개로 구성되었다.
- 2와 같다. 기존의 메인스타팅 에어밸브의 구조해석에서는 밸브내부의 유동특성을 고려하지 않고 밸브 디스크 내부에 수직으로 작용하는 최대하중을 구조해석의 하중조건으로 적용하여 밸브에 작용하는 응력을 계산하여 구조안정성을 평가하였다. 그러나 밸브 내부에 작용하는 실제 하중을 고려하지 않았기 때문에 실제 강도와는 오차를 가질 수 밖에 없다.
- 80A 메인스타팅밸브의 경우 케이싱에 공기압축기와 연결되는 볼트 홈의 개수가 4개에서 8개로 변경 되었다. 단순히 볼트 홈의 개수를 증가 시키면 컨트롤 밸브의 연결부위와 간섭이 발생할 수 있으므로 볼트 홈의 개수와 컨트롤 밸브 연결부위의 간섭이 일어나지 않는 영역에서 홈의 위치를 변경하여 처음 볼트 홈의 위치에서 각각 45˚ 를 유지하며 홈을 대칭되도록 설계하여 볼트 홈을 하였다. 또한 볼트 홈의 간섭이 발생하지 않도록 하여 홈을 설계하였다.
- 단순히 볼트 홈의 개수를 증가 시키면 컨트롤 밸브의 연결부위와 간섭이 발생할 수 있으므로 볼트 홈의 개수와 컨트롤 밸브 연결부위의 간섭이 일어나지 않는 영역에서 홈의 위치를 변경하여 처음 볼트 홈의 위치에서 각각 45˚ 를 유지하며 홈을 대칭되도록 설계하여 볼트 홈을 하였다. 또한 볼트 홈의 간섭이 발생하지 않도록 하여 홈을 설계하였다. 밸브의 직경은 증가 하였지만 밸브의 길이는 동일하다.
- 바디와 시트부분의 볼트 홈 부분의 머리파기와 컨트롤 밸브 연결부위를 제외하고 중량감소가 가능한 부분을 제거하여 형상을 변화시켰다. 밸브의 중량감소도 중요하지만 변화한 밸브의 형상이 기존의 80A 메인스타팅밸브와 유동특성이 동일해야하며 밸브의 강도 또한 동일한 성능을 유지해야 한다.
- 밸브의 성능 및 강도를 평가하기 위하여 유동해석과 구조연성해석을 수행하였다. 80A 메인스타팅 에어밸브와 동일한 조건하에서 유동해석을 수행하였다.
- 또한 내부 형상이 변화하면 밸브의 유동특성이 변화하여 디스크에서 와류 및 공동현상을 야기하여 밸브의 성능을 저하시킬 위험이 있다. 밸브의 직경과 내부 형상을 유지하고 중량을 감소시키기 위해 밸브의 바디와 시트부의 형상을 변화시켰다. 구조 경량화를 위해선 구조최적설계(structural optimization)를 수행하는 것이 바람직하다.
- 본 연구에서 설계하고자하는 80A 메인스타팅 에어밸브의 구조설계를 위하여 먼저 현재 생산되고 있는 50A 메인스타팅 에어밸브 모델의 구조 ․ 연성해석을 수행하였고. 이 결과를 80A 메인스타팅 에어밸브의 설계기준으로 설정하였다.
- 50A 메인스타팅 에어밸브의 최대응력은 최대비틀림변형에너지설에 의하면 허용응력이내에 있다. 본 연구에서는 50A 밸브의 형상을 기초로 80A 메인스타팅 에어밸브의 구조설계를 수행하였다.
- 본 연구에서는 기존의 50A 메인스타팅 에어밸브의 형상을 기초로 80A 메인스타팅 에어밸브의 경량화 설계를 제시하였고 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 실제 밸브 내부에 작용하는 유동 특성 및 경향성을 파악하고 유동해석 결과를 구조해석의 하중 조건으로 적용하였다. 즉 FSI(fluid-structure interface) [6,7]를 이용하여 유동해석의 결과를 구조해석의 하중조건으로 이용하였다.
- 또한 증가한 밸브의 중량을 지지해줄 수 있는 밸브의 볼트 홈의 개수를 8개에서 16개로 증가시켰다. 볼트 홈의 개수를 증가시킴으로써 엔진과 밸브의 결합력의 증대시켜 중량이 증가한 밸브를 지지할 수 있도록 설계하였다.
- 실제 작용시의 유체의 흐름을 파악하기 위하여 디스크가 열린 상태에서 메인스타팅 에어밸브의 구조 · 연성해석을 수행하였다.
- 80A 메인스타팅밸브의 기능을 수행하기 위해서는 내부의 유량 흐름이 50A 메인스타팅밸브와 동일한 유동특성을 가져야 한다. 앞에서 제기된 문제점들을 해결하기 위해서 수치해석을 통하여 유체의 유동특성을 파악하여 50A 메인스타팅밸브 모델과 동일한 유동특성을 가질 수 있는지 비교해 보았다. 밸브의 형상은 CAD를 이용하여 모델링하였으며 유체의 유동특성을 파악하기 위해 ANSYS CFX를 이용하여 해석을 수행하였다.
- 밸브의 형상은 CAD를 이용하여 모델링하였으며 유체의 유동특성을 파악하기 위해 ANSYS CFX를 이용하여 해석을 수행하였다. 유동영역의 크기는 50A 밸브의 유동영역과 동일하게 밸브의 입구측과 출구측의 길이를 입구 직경의 5배, 출구 직경의 10배로 설정하여 유동영역을 모델링하였다.
- 즉, 본 연구에서 개발하고자 하는 80A 메인스타팅 에어밸브의 형상을 CAD를 이용하여 생성하고, 이 모델을 기반으로 하여 유동해석 및 구조연성해석을 수행하였다. 이 결과를 통해 80A 메인스타팅 에어밸브의 유동특성 및 구조 안정성을 평가하고 중량감소를 실현하였다.
- 본 연구에서는 메인스타팅 에어밸브의 국산화 기술 확보를 위해 기 개발된 소형의 밸브를 기초로 하고, 이 밸브와 개발되는 밸브의 유동 및 구조 안정성 평가를 실시하였다. 이를 통해 메인스타팅 에어밸브의 경량화 설계를 제시하였다. 즉, 본 연구에서 개발하고자 하는 80A 메인스타팅 에어밸브의 형상을 CAD를 이용하여 생성하고, 이 모델을 기반으로 하여 유동해석 및 구조연성해석을 수행하였다.
- 내부 형상의 변화가 크게 없었기 때문에 유사한 결과가 나왔다. 이를 하중조건으로 적용하여 구조연성해석을 수행하였다. 연성해석 결과는 Fig.
- 이를 통해 메인스타팅 에어밸브의 경량화 설계를 제시하였다. 즉, 본 연구에서 개발하고자 하는 80A 메인스타팅 에어밸브의 형상을 CAD를 이용하여 생성하고, 이 모델을 기반으로 하여 유동해석 및 구조연성해석을 수행하였다. 이 결과를 통해 80A 메인스타팅 에어밸브의 유동특성 및 구조 안정성을 평가하고 중량감소를 실현하였다.
- 실제 작용시의 유체의 흐름을 파악하기 위하여 디스크가 열린 상태에서 메인스타팅 에어밸브의 구조 · 연성해석을 수행하였다. 즉, 유동해석 수행을 위하여 ANSYS CFX에 의한 정상상태의 유동해석을 수행하였다. 해석모델은 밸브 입구의 길이를 직경의 5배, 출구 직경의 10배로 설정하여 유동영역을 모델링하였다.
- 즉, 유동해석 수행을 위하여 ANSYS CFX에 의한 정상상태의 유동해석을 수행하였다. 해석모델은 밸브 입구의 길이를 직경의 5배, 출구 직경의 10배로 설정하여 유동영역을 모델링하였다. 출구영역을 입구보다 길게 설정한 이유는 유체가 입구에서 디스크를 지나 출구로 흐를 때 교축현상에 의해 비정상적인 유동특성을 가지기 때문이다[6, 7].
대상 데이터
- FSI를 이용하여 유동해석의 결과인 압력분포를 구조해석의 하중조건으로 설정하여 80A 메인스타팅밸브의 구조 연성해석을 수행하였다. 80A 밸브의 구조연성해석에 사용된 유한요소모델은 4절점 사면체 2차요소를 사용하여 절점 780,806개와 요소 539,441개로 구성되었다. 경계조건은 50A 밸브와 동일하게 설정하였고 재료의 물성치도 50A와 동일하다.
- 구조해석에 사용된 유한요소모델은 4절점 사면체요소를 사용하여 절점 965,178개 요소 670,800개로 구성되었다. 경계조건으로서 Fig.
- 3(a)에 표시하였다. 본 밸브의 수치모델에서는 4절점 사면체요소를 사용하였으며 절점 12,615개 요소 37,295개로 구성되었다.
- 3과 같이 입구에서는 실제 작동압력보다 2배 높은 60bar를 적용시키고 출구에서는 대기압을 사용 하였다. 유동장은 4절점 사면체 요소를 사용하여 모델링하였으며 절점 36,585개 요소 176,176개로 구성되었다. 유동장 모델을 Fig.
데이터처리
- 여기서 수치적 방법이란 전산유체역학과 유한 요소법에 의한 구조해석 방법을 의미한다. ANSYS의 FIS 해석[7]을 위해 입구조건으로서 설계압력을 부여하였고, 유동해석의 결과 압력분포를 얻을 수 있었다. ANSYS에서는 이 값이 구조해석을 위한 하중조건으로서 자동적으로 입력이 되어 응력 등의 구조적인 반응치를 얻을 수가 있게 된다.
- 앞에서 제기된 문제점들을 해결하기 위해서 수치해석을 통하여 유체의 유동특성을 파악하여 50A 메인스타팅밸브 모델과 동일한 유동특성을 가질 수 있는지 비교해 보았다. 밸브의 형상은 CAD를 이용하여 모델링하였으며 유체의 유동특성을 파악하기 위해 ANSYS CFX를 이용하여 해석을 수행하였다. 유동영역의 크기는 50A 밸브의 유동영역과 동일하게 밸브의 입구측과 출구측의 길이를 입구 직경의 5배, 출구 직경의 10배로 설정하여 유동영역을 모델링하였다.
이론/모형
- 80A 메인스타팅밸브도 50A 밸브와 작동원리와 동일한 조건에서 작동하기 때문에 밸브 내부의 형상은 유지 하나 밸브 내부의 치수를 변화하여 설계하였다. 공기압축기와 연결되는 볼트 홈의 경우 KS규격을 기준으로 하여 볼트 홈을 구성하였다. 80A 메인스타팅밸브의 경우 케이싱에 공기압축기와 연결되는 볼트 홈의 개수가 4개에서 8개로 변경 되었다.
- 그리고 ANSYS CFX의 k-ε 난류모델을 사용하였다.
- 본 연구에서는 실제 밸브 내부에 작용하는 유동 특성 및 경향성을 파악하고 유동해석 결과를 구조해석의 하중 조건으로 적용하였다. 즉 FSI(fluid-structure interface) [6,7]를 이용하여 유동해석의 결과를 구조해석의 하중조건으로 이용하였다. 유동구조 연성 현상은 해석적으로 풀기가 불가능하여 일반적으로 실험 또는 수치적 방법으로 해결한다.
성능/효과
- (1) 80A 메인스타팅 애어밸브의 경량화를 시도하여 해석한 결과 최대응력은 54.6MPa, 안전율 1.58이 산출되었다. 또한 제시한 설계는 약 7kg의 경량화를 이룰 수 있었다.
- (2) 구조연성해석결과 80A 메인스타팅밸브에 작용하는 최대응력은 54.6MPa로서 제시한 밸브는 구조 강도상 안전하다고 판달 할 수 있다.
- 50A 메인스타팅밸브와 80A 메인스타팅밸브의 구조 연성해석 및 안전율 값을 Table 1에 정리하였다. 50A 밸브와 80A 밸브 내부에서 작용하는 최대응력이 123.9MPa, 31.8MPa, 54.6MPa이라는 것을 확인 할 수 있다. 밸브 내부의 경우 밸브 내부에 작용하는 압력의 분포가 형상이 급격히 변하는 부분에서 응력집중이 발생한다.
- 밸브 내부의 경우 밸브 내부에 작용하는 압력의 분포가 형상이 급격히 변하는 부분에서 응력집중이 발생한다. 50A와 80A모두 동일한 압력이 작용하지만 내부에 작용하는 응력의 차이가 나는 이유는 밸브 내부에 벽면에 작용하는 압력의 크기는 동일하나 밸브 내부 형상의 증대와 디스크 크기가 증대되어 유체와 접촉된 면적이 증가하여 압력이 증가하였지만, 밸브의 형상이 증대됨으로써 밸브의 치수가 증대되어 증가한 압력을 상쇄시킬 수 있었다.
- 5에 나타내었다. 80A 모델도 50A 모델과 동일한 원리로 작동하나 장착되는 엔진의 출력이 증가하여 공기 압축기의 출력도 향상되었다. 공기 압축기와 연결된 관의 크기가 50A에서 80A로 증가하면서 밸브 형상의 변화가 필요하였다.
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