[논문]CFD 해석을 이용한 판형 체크 밸브에 대한 스프링 강성의 설계 기준

박주용; 백석흠; 강정호

doi:10.14775/ksmpe.2014.13.3.049

CFD 해석을 이용한 판형 체크 밸브에 대한 스프링 강성의 설계 기준
Design Criteria of Spring Stiffness for Pan Check Valve Using CFD Analysis 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.13 no.3, 2014년, pp.49 - 55

박주용 (동아대학교) , 백석흠 ((주)DNDC) , 강정호 (동아대학교)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper examines the effects of spring characteristics and stiffness in relation to the characteristics of hydrodynamic force. Spring forces and stiffness determine the performance of this type of pan check valve and have an effect on the overall operation. The hydraulic efficiency of the pan check valve is relatively low compared to that of a common check valve. However, a pan check valve is structurally more stable than a common check valve. We implemented the optimum design to increase the flow rate and to resolve the suppression of the pressure drop according to the extent of the compression of the spring. From the results of a flow analysis, we demonstrate spring stiffness design criteria depending on the extent of the compression of the spring of pan check valve acting on the fluid at the inlet 1 MPa pressure.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문의 판형 체크 밸브는 스윙 체크 밸브보다 상대적으로 수력학적 효율이 낮지만 구조적 안전성과 소음이 적은 장점이 있다. 따라서 판형 체크 밸브의 요구되는 유량 및 압력강하 특성을 위해 판 디스크에 대한 스프링 강성의 설계 기준을 평가하였다. CFD(computational fluid dynamics) 해석을 이용해 동유체력(hydrodynamic force)^[1-3]과 스프링 압축 정도에 따른 유량 및 압력 변화를 분석하고 스프링 상수의 결정 기준을 설명하였다.
본 논문은 판형 체크 밸브의 동유체력에 대한 스프링 강성 설계 기준을 설명한 것이다. 일반적으로 판형 체크 밸브는 수력학적 성능은 스프링의 압축정도(스프링 강성)에 따른 유량 및 압력강하를 조절한다.

가설 설정

9 MPa이다. 본 논문의 스프링 설계는 특정 동유체력과 스프링 상수의 변형 범위를 결정해야한다.

제안 방법

일반적으로 판형 체크 밸브는 수력학적 성능은 스프링의 압축정도(스프링 강성)에 따른 유량 및 압력강하를 조절한다. ANSYS CFX를 이용하여 유동특성을 평가하고 동유체력이 밸브 디스크와 스프링에 작용하는 해석적인 모델을 설명하였다. 주요 결과를 요약하면 다음과 같다.
따라서 판형 체크 밸브의 요구되는 유량 및 압력강하 특성을 위해 판 디스크에 대한 스프링 강성의 설계 기준을 평가하였다. CFD(computational fluid dynamics) 해석을 이용해 동유체력(hydrodynamic force)^[1-3]과 스프링 압축 정도에 따른 유량 및 압력 변화를 분석하고 스프링 상수의 결정 기준을 설명하였다.
스프링의 강성에 따른 판형 체크 밸브의 목표 유량과 정압을 만족시키기 위해서 밸브가 완전 개폐시의 길이 20 mm를 10등분하여 2 mm 간격으로 10개의 모델을 유동해석을 실시했다. 스프링의 압축 정도에 따른 출구에서의 속도와 압력을 분석하였다.
스프링의 강성에 따른 판형 체크 밸브의 목표 유량과 정압을 만족시키기 위해서 밸브가 완전 개폐시의 길이 20 mm를 10등분하여 2 mm 간격으로 10개의 모델을 유동해석을 실시했다. 스프링의 압축 정도에 따른 출구에서의 속도와 압력을 분석하였다. Fig.
4는 판형 체크 밸브의 유동 해석을 위한 격자와 경계조건을 나타낸 것이다. 입구와 출구는 밸브 직경의 10D, 20D로 설정하여 유체가 완전 발달된 유동이 되도록 충분히 길게 설계하였다. CFD 해석의 측정 지점은 디스크 전,후면 가각 2D, 6D 지점이다.

대상 데이터

입구와 출구는 밸브 직경의 10D, 20D로 설정하여 유체가 완전 발달된 유동이 되도록 충분히 길게 설계하였다. CFD 해석의 측정 지점은 디스크 전,후면 가각 2D, 6D 지점이다. 유동해석과 격자는 ANSYS CFX ver.
6은 판 체크 밸브의 압력과 속도 분포에 대한 대표적인 CFD 결과를 나타낸 것이다. 디스크는 2 mm 열린 경우와 완전 개폐된 20 mm인 작동조건이다. 개폐조건의 변화에 대해 디스크 후면에서 최대 압력 및 속도가 2 mm 개방의 경우 1.
Table 1은 판형 체크 밸브의 주요 재원을 나타낸 것이다. 밸브의 사이즈는 80A이며 주요 재질은 SUS304을 사용하였다.
유동해석에 사용된 유체는 25℃ 물이고 입구는 정압력 1 MPa, 출구는 개방조건(opening)을 설정하였다. 짧은 시간에 작동하므로 중력은 무시했다.

이론/모형

SST 모델은 두 난류 모델이 조합된 형태로서 벽면 근처에서는 k-w 모델을 사용하고 바깥쪽(자유 전단 유동)은 k-ε모델을 사용한다.
이는 경계층 안에서 계속되는 난류 운동에너지의 반동으로 인한 난류 전단응력을 강화시켜 난류 점성을 수정하고 강한 유동의 역 압력 구배와 박리의 예측을 향상시킨다.^[5] 경계조건은 모든 벽면에 대해서 점착조건(no-slip condition)을 적용하였다. 목표 유량은 6.
난류 유동을 해석하기 위해 난류모델은 k-ε(k-epsilon)을 기반한 SST(shear stress transport) 모델을 사용했다.
CFD 해석의 측정 지점은 디스크 전,후면 가각 2D, 6D 지점이다. 유동해석과 격자는 ANSYS CFX ver.13^[4]을 사용하였다. 밸브의 절점과 요소 수는 각각 약 61만개, 205만개이다.
3은 판형 체크 밸브의 해석 모델을 나타낸 것이다. 유동해석의 모델은 Solidworks를 이용하였다. 판형 체크 밸브은 디스크(disc), 바디(body), 지지부(supporting beam), 스템(stem), 시트(seat)로 구성되어 있다.

성능/효과

(1) 판형 체크 밸브에 작용하는 동유체력은 유동방향에 대한 유속과 스프링력, 감쇠와 관련된 외력의 균형을 이용해 계산할 수 있다. 본 논문은 동유체력이 포함된 식 (2)으로부터 밸브 출구의 목표 정압 0.
(2) 동유체력에 대한 디스크 개폐 길이를 이용해 스프링 상수를 계산하고 요구되는 유량에 대한 스프링 강성을 선택할 수 있다. 스프링 강성의 보수적인 선택은 압력강하 및 유량확보를 저해할 수 있다.
본 논문의 판형 체크 밸브는 스윙 체크 밸브보다 상대적으로 수력학적 효율이 낮지만 구조적 안전성과 소음이 적은 장점이 있다. 따라서 판형 체크 밸브의 요구되는 유량 및 압력강하 특성을 위해 판 디스크에 대한 스프링 강성의 설계 기준을 평가하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	판형 체크 밸브란 무엇인가	판형 체크 밸브(pan check valve)는 디스크 형상을 가지고 있는 체크 밸브로써 일정 이상의 유압의 유체는 흘려보내고 낮은 압의 유체의 흐름은 방지하여 펌프나 엔진 등의 기계부품을 보호하는 밸브이다.
	스윙형 체크 밸브의 장점과 단점은 무엇인가	일반적인 체크 밸브의 형태는 스윙형 체크 밸브이다. 저압에서 고압, 소형에서 대형까지 제작이 용이 하고 유량확보가 쉽고 및 압력강하가 적은 장점이 있다. 그러나 유체가 심하게 와류가 있는 곳에서는 디스크가 파손될 가능성이 있어 기계설비에 큰 위험성이 있다. 또한 디스크가 바디에 직접 접촉되므로 개폐시 높은 소음이 발생한다.
	판형 체크 밸브가 각종 플랜트, 선박, 기계 설비 분야에서 광범위하게 사용되는 이유는 무엇인가	유체가 스프링 강성(spring stiffness)보다 큰 힘으로 디스크를 누르게 되면 밸브가 열리게 되고 이와 반대로, 압력이 사라지게 되면 수축되었던 스프링 압력이 원 상태로 돌아와 밸브가 닫게 되어 역류를 방지한다. 판형 체크 밸브는 매우 간단한 구조이며 워터해머가 없고 스프링의 강성의 설정에 따라 수직, 수평 배관에 사용될 수 있다. 따라서 각종 플랜트, 선박, 기계 설비 분야에 광범위하게 사용되고 있는 부품이다.

참고문헌 (10)

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