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문제 정의
- 1 (b)와 같이 입구 출구 완전 열림 상태에서의 밸브의 유동면적은 같게 설정하여 개폐 각도에 따른 압력 분포 및 속도 흐름 즉, 유동장 해석을 실시하였다. 본 연구에서는 맥동현상으로 인한 영향을 최소화하기 위해 밸브의 외부 배관을 포함하여 유동해석을 하였다. 또한 볼 밸브의 해석을 위하여 개폐각도는 완전 열림인 0°부터 15°, 45°, 60°, 완전 닫히기 직전인 70°까지 총 5가지 조건으로 유동장을 생성하였다.
- 후자에서는 피로파괴가구가 강하게 작용한다. 즉, 마모시험은 재료의 내마모성을 평가하는데 목적이 있다.
- 현재까지의 연구 동향은 유한요소해석 프로그램이나 실제 시험을 통한 검증이 부족한 한계가 있었으므로, 본 연구에서는 유한요소해석 프로그램을 이용하여 최적화된 설계를 제시하고, 실제 시제품을 제작하고 성능시험을 통해 그 효과를 검증하기로 한다.
제안 방법
- 또한 Fig. 1 (b)와 같이 입구 출구 완전 열림 상태에서의 밸브의 유동면적은 같게 설정하여 개폐 각도에 따른 압력 분포 및 속도 흐름 즉, 유동장 해석을 실시하였다. 본 연구에서는 맥동현상으로 인한 영향을 최소화하기 위해 밸브의 외부 배관을 포함하여 유동해석을 하였다.
- ANSYS Workbench를 이용한 유동-구조 연성해석은 유동해석 결과를 정적 구조해석으로 불러온 뒤, 재료의 물성치를 정의하고 격자생성을 하고 해석을 실시하였다. 볼밸브의 시트링 재료는 Nylon6, 볼의 재료는 SUS304의 물성을 적용시켰다.
- 최적화를 위한 표본 추출은 CCD(중심합성설계)기법을 사용하였다. CCD기법을 이용하여 표본 추출 후 대표 표본 15개를 정리하였으며, Parameters Parallel Chart, Response chart, Local sensitivity, Tradeoff chart, Correlation scatter Chart 등을 이용하여 최적화 설계를 실시하였다.
- CFD 해석을 통한 유동해석 결과 값을 이용하여 볼밸브의 구조 안전성 평가를 실시하였다. Fig.
- 경계조건은 실제 산업용 볼밸브와 같은 환경을 적용하였으며 볼밸브의 최대 변위인 90° 회전조건을 적용하였다.
- 내마모성 실험 시편은 실험 전 분석저울을 사용하여 총 3차에 걸쳐 무게를 측정하여 기록하고, 실험을 실시한 후 다시 무게를 측정하여 무게 변화량을 통해 재료의 내구성을 판단하였다. Fig.
- 따라서 볼과 스템부에 조인트 고정 조건을 부여하고 스템을 90°(-45~45°) 회전하는데 필요한 토크를 해석한다.
- 또한 볼 밸브의 해석을 위하여 개폐각도는 완전 열림인 0°부터 15°, 45°, 60°, 완전 닫히기 직전인 70°까지 총 5가지 조건으로 유동장을 생성하였다.
- 06mm의 변위를 적용하였다. 또한 시트링의 외면에 앞뒤의 이동은 자유로우나 상하이동이 구속되어 있는 무마찰지지 조건을 적용하여 경계조건을 설정하였다. 마지막으로 시트와 볼과의 마찰계수는 실험을 통하여 얻은 Nylon 6와 스테인리스 스틸의 상대 마찰계수인 0.
- 마모 실험의 종류는 핀 온 디스크, 볼 온 디스크, 왕복동 등 여러 가지가 있는데, 본 연구에서는 볼 온 디스크 방법으로 마모실험을 하였다. 실험의 조건은 Table 1과 같이 직경 30mm의 Nylon 6, PTFE, PEEK 시편은 7N 하중 하에서 16mm의 마모 직경, 300RPM 속도로 회전하여 1800s의 시간 동안 실험을 실시하였다.
- 경계조건은 실제 산업용 볼밸브와 같은 환경을 적용하였으며 볼밸브의 최대 변위인 90° 회전조건을 적용하였다. 마지막으로 시트의 외면에 회전 운동 및 앞뒤의 이동이 자유로운 무마찰지지 조건을 적용하여 경계조건을 설정하였다.
- 먼저 볼밸브의 최대 회전 변위인 90°를 스템의 상부에 적용하였고, 그 다음 볼밸브가 조림될 때, 캡과 맞닿는 시트의 면에 0.06mm의 변위를 적용하였다.
- 본 연구를 통해 볼밸브에서 시트링이 받는 하중 및 개폐토크 감소 최적 설계 형상을 제시를 통하여 설계방안이 정립되었으며, 측정값과 해석 값의 비교를 통한 신뢰도 높은 토크해석 방법을 제시하였다.
- 본 연구에서는 다양한 산업현장에서 사용되는 산업용 볼밸브의 유동-구조 연성해석, 토크의 측정 및 수치적 해석을 실시하였으며, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 시트는 볼밸브의 바디와 맞닿는 부분에 고정시킨다. 볼에 가해지는 하중은 토크 실험 시 가한 하중과 같은 500N을 적용하여 해석결과와 실험결과를 비교하여 해석의 신뢰도를 판단한다.
- 산업용 볼밸브의 최적화 설계를 위하여 토크해석을 실시하였다. 산업용 볼밸브의 모델링은 Solid edge를 이용하여 모델링하였다.
- 실험 방법은 시트링과 볼을 실험을 위해 제작한 지그에 고정을 시킨 후, 지그를 장비에 고정시킨다. 고정시킨 지그에 힘을 가하고 힘을 받은 볼이 시트 위에서 회전하는데 필요한 토크를 측정하는 실험이다.
- 실험의 조건은 Table 2와 같이 지지대에 고정된 Nylon 6 시트링에 볼을 올리고 볼에 볼에 500N의 하중을 가한 뒤, 90°회전하는데 필요한 토크를 측정하였다.
- 3은 실험의 개념을 나타내고 있다. 압축하중 토크 실험은 비틀림 토크 시험기를 이용하여 실시하였다. 실험의 조건은 Table 2와 같이 지지대에 고정된 Nylon 6 시트링에 볼을 올리고 볼에 볼에 500N의 하중을 가한 뒤, 90°회전하는데 필요한 토크를 측정하였다.
- 최적화 입력변 수 UL은 시트 좌측면과 곡률까지의 길이로 그 범위는 2.35~2.41mm, SC는 시트 우측면과 곡률까지의 길이로 그 범위는 0.2~0.24mm, CC는 곡률의 길이로 그 범위는 3~3.4mm로 정의한 후 최적화를 실시하였다.
- 산업용 볼밸브의 토크 최소화를 위한 최적화 설계에서 최적화 기법은 해석시간의 단축과 역설계를 통한 기존 형태의 변형 없이 토크감소를 위하여 최적화 크기조정(Sizing Optimization) 방법을 사용하였다. 최적화를 위한 매개변수는 최대토크를 최우선으로 그다음 최대응력을 목표로 실시하였다.
- 토크 해석 결과를 바탕으로 토크의 최소화를 위한 최적화 설계를 실시하였다. 최적화를 위한 입력변수는 Fig.
- 토크의 크기를 측정하기 위해 토크게이지를 이용하여 토크를 측정한다. 토크게이지의 측정은 Fig. 4와 같이 실험을 위해 제작한 커넥터를 이용하여 밸브와 토크게이지를 연결하여 밸브를 개폐시키는데 필요한 힘, 즉 토크를 측정한다.
- 토크의 크기를 측정하기 위해 토크게이지를 이용하여 토크를 측정한다. 토크게이지의 측정은 Fig.
- (b)는 하중 조건 및 경계조건을 적용한 모습이다. 토크해석을 위해 실제 사용 환경을 고려하여 입력하였다. 실제 밸브가 유체의 압력을 받게 된다.
대상 데이터
- ANSYS Workbench를 이용한 유동-구조 연성해석은 유동해석 결과를 정적 구조해석으로 불러온 뒤, 재료의 물성치를 정의하고 격자생성을 하고 해석을 실시하였다. 볼밸브의 시트링 재료는 Nylon6, 볼의 재료는 SUS304의 물성을 적용시켰다.
- 마모 실험의 종류는 핀 온 디스크, 볼 온 디스크, 왕복동 등 여러 가지가 있는데, 본 연구에서는 볼 온 디스크 방법으로 마모실험을 하였다. 실험의 조건은 Table 1과 같이 직경 30mm의 Nylon 6, PTFE, PEEK 시편은 7N 하중 하에서 16mm의 마모 직경, 300RPM 속도로 회전하여 1800s의 시간 동안 실험을 실시하였다.
이론/모형
- 산업용 볼밸브의 모델링은 Solid edge를 이용하여 모델링하였다. ANSYS Workbench로 모델을 불러온 후 경계 조건을 적용하였다. 경계조건은 실제 산업용 볼밸브와 같은 환경을 적용하였으며 볼밸브의 최대 변위인 90° 회전조건을 적용하였다.
- 산업용 볼밸브의 최적화 설계를 위하여 토크해석을 실시하였다. 산업용 볼밸브의 모델링은 Solid edge를 이용하여 모델링하였다. ANSYS Workbench로 모델을 불러온 후 경계 조건을 적용하였다.
- 산업용 볼밸브의 토크 최소화를 위한 최적화 설계에서 최적화 기법은 해석시간의 단축과 역설계를 통한 기존 형태의 변형 없이 토크감소를 위하여 최적화 크기조정(Sizing Optimization) 방법을 사용하였다. 최적화를 위한 매개변수는 최대토크를 최우선으로 그다음 최대응력을 목표로 실시하였다.
- 최적화를 위한 표본 추출은 CCD(중심합성설계)기법을 사용하였다. CCD기법을 이용하여 표본 추출 후 대표 표본 15개를 정리하였으며, Parameters Parallel Chart, Response chart, Local sensitivity, Tradeoff chart, Correlation scatter Chart 등을 이용하여 최적화 설계를 실시하였다.
성능/효과
- 3가지의 결과 중에서 Design A의 최대토크가 1.62 N·m로 변수들 중에서 최솟값을 나타내었는데, 이는 기본 밸브의 토크 최댓값인 4.26N·m에 비하여 62% 감소하였음을 알 수 있다.
- 내마모성 실험 시편은 실험 전 분석저울을 사용하여 총 3차에 걸쳐 무게를 측정하여 기록하고, 실험을 실시한 후 다시 무게를 측정하여 무게 변화량을 통해 재료의 내구성을 판단하였다. Fig. 9에 나타난 결과와 같이 마모 실험의 결과 마찰계수는 PTFE, PEEK, Nylon6의 순으로 낮게 나왔으며, Nylon6, PEEK, PTFE의 평균 마모량은 각각0.15, 0.09, 66.41mg으로 PTFE의 마모량이 가장 큰 것을 알 수 있다. 실험의 결과를 통하여 PTFE의 마찰계수는 가장 낮으나 직접적인 접촉이 잦은 기계부품의 재료로 사용 하였을 때, 마모량이 많아 내구성이 떨어진다고 할 수 있다.
- 78%로 해석의 신뢰도가 높다고 판단된다. 가장 효율적이라고 판단되는 3개의 케이스에서 모두 토크 값을 감소 하였는데, 최적화 Design A(UL : 2.35mm, SC :0.24mm, CC : 3.29mm)에서 토크가 62%감소하여 가장 효율적인 디자인이라고 판단된다.
- 78%로 해석의 신뢰도가 높다고 판단된다. 결론적으로 신뢰성 높은 해석의 결과를 이용하여 시트의 형상 변화에 따른 토크의 변화를 예측하고 최소의 토크 값을 가지는 시트의형상설계에 해석 결과의 이용가능하다.
- 결론적으로 해석의 신뢰도가 높다고 판단하였으며, 해석결과를 시트의 형상 설계에 이용가능하다고 판단된다.
- 또한 유로가 닫히기 진전의 개폐 각도인 70°에서 시트와 바디가 맞닿는 부위에서 최대응력인 66.4MPa이 발생 하였는데, 이는 재료의 항복 강도인 78MPa보다 낮은값이 때문에 구조적으로 안정 하다고 판단된다.
- 볼밸브의 유동해석을 통해 밸브의 개폐각도가 증가함에 따라 유입되는 유체의 속도가 감소하는 경향을 보였으며, 와류구간이 증가함을 확인하였다. 볼밸브의 유동-구조해석 결과 구조적 안정안정성은 확보하였으나, 장기간의 사용으로 인한 피로파손이 발생할 수 있는 가능성이 높기 때문에 피로해석이 추가로 수행되어야 한다고 판단된다.
- 산업용 볼밸브의 시트의 재료로 사용되는 재료인 PTFE, PEEK, Nylon6에 대하여 내마모성 실험을 실시한 결과, PTFE의 마찰계수가 가장 낮은 값을 나타내었지만, 다른 재료와 비교하여 마모량이 크기 때문에 높은 내구성을 필요로 하는 산업용 밸브의 시트 재료로는 부적합하다고 판단하였다. 또한 본 연구의 해석에 사용된 재료인 Nylon6의 평균 마찰계수는 0.
- 실험결과에서와 같이 회전방향이 변할 때 토크의 값이 급격하게 변화하였는데, 반시계방향(CCW)으로 회전할 때의 최대 토크는 0.81N·m, 시계방향으로 회전 할 때의 최대 토크는 0.78N·m임을 알 수 있다.
- 41mg으로 PTFE의 마모량이 가장 큰 것을 알 수 있다. 실험의 결과를 통하여 PTFE의 마찰계수는 가장 낮으나 직접적인 접촉이 잦은 기계부품의 재료로 사용 하였을 때, 마모량이 많아 내구성이 떨어진다고 할 수 있다. 따라서 산업용 볼밸브의 핵심 부품인 시트의 재료로 부적합 하다고 판단된다.
- 압축하중 토크해석 및 개폐 토크해석은 측정결과와 비교하여 오차율이 각각 8%, 12.78%로 해석의 신뢰도가 높다고 판단된다. 가장 효율적이라고 판단되는 3개의 케이스에서 모두 토크 값을 감소 하였는데, 최적화 Design A(UL : 2.
- 유동해석을 수행한 결과, 개폐각도가 커질 경우 와류를 형상하는 것을 확인하였으며, 개폐각도가 15°이하에서 비교적 균일한 흐름을 확인 할 수 있다.
- 유체의 입구 측 평균속도는 0°에서 140m/s, 15°에서 120m/s, 45°에서 25m/s, 60°에서 7m/s, 유로가 닫히기 진전의 개폐 각도인 70°에서 2m/s의 속도 분포를 보였는데 이를 통하여 개폐 각도가 커짐에 따라 점차 감소하는 경향을 보이는 것을 확인 할 수 있다.
후속연구
- 따라서 볼밸브의 성능향상을 통하여 밸브시장의 국가경쟁력을 높이며, 고용창출과 기술 인력의 확보를 가능하게 할 것으로 사료된다.
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