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문제 정의
- 본 논문에는 열진공챔버의 핵심 부품인 극저온 블로워의 설계 요구 조건을 도출하고, 1차원 성능해석, 상세설계, 제작, 표준대기에서의 성능 시험, 열진공 챔버내에 설치하여 운용 조건에서의 성능 시험결과를 포함하고 있다. 또한 상용 CFD코드를 이용하여 성능해석을 수행하여 시험결과와 1차원 성능해석결과를 비교하여 설계 및 시험결과를 검증하였다.
- 이에 따라 베어링의 이상 유무를 모니터링 하는 것이 중요하며, 베어링의 온도 및 진동레벨을 모니터링하는 방법으로 베어링의 문제 여부를 판단할 수 있을 것이다. 본 연구에서는 전방 및 후방의 베어링의 외륜에 저항 온도계를 설치하여 운용시 베어링의 온도를 측정 할 수 있도록 하였다.
제안 방법
- 형상 설계 후 성능 검증을 위해 압축기, 펌프 등의 성능해석 프로그램인 CompAero[4]를 사용하였다. CompAero중 Cencom을 사용하여 압축 단의 1차원 성능을 예측하였으며, 또한 전산유체역학(CFD) 기법을 이용하여 수치해석을 수행하여 성능을 예측하였다.
- 고온 및 극저온에서 사용되는 극저온 블로워의 성능 요구조건을 만족하기 위해 임펠러의 1차원 해석을 통해 13개의 블레이드를 갖는 임펠러가 적용되었으며, 1차원 성능 해석을 통해 운용조건에서의 결과를 얻을 수 있었으며, 이는 실험 및 CFD를 통해 확인 할 수 있었다. 표준대기조건에서 성능검증 시험을 통해 극저온 블로워는 고온의 경우 10,000 RPM으로 가동시 요구된 150 CFM에서 0.
- 5는 CFD 계산에 사용된 격자 파일을 보여주고 있다. 극저온 블로워는 13개의 블레이드로 구성이 되어 있으나, 효율적인 계산을 위해 주기조건은 사용하여 1개의 블레이드 영역에 대해서만 계산을 수행 하였다.
- 극저온 블로워의 기본 성능은 상온, 상압에서 수행한 시험을 통해 확인 하였으며, 실제 운용 조건에서의 성능을 확인하기 위해 열진공 챔버내 설치하여 성능 시험을 수행 하였다. Fig.
- 극저온 블로워의 성능시험은 극저온 및 고온의 환경이 아닌 상온, 대기압에서 공기를 작동 매체로 하여 성능 시험을 수행하였으며, 차압 요구조건은 표준대기조건을 기준으로 고온의 경우 0.097 bara 이며, 저온의 경우 차압은 0.37 bara이다. 표준대기조건에서 극저온 블로워 시험은 각 유량에 따라 회전수를 12,000 RPM에서 6,600RPM까지 1,000 RPM 간격으로 차압을 측정하였다.
- 5 bara 이상의 차압을 갖도록 극저온 블로워를 설계 하였다. 기존의 열제어 시스템과의 접속을 고려하여 극저온 블로워 전체 외경은 약 350 mm 이내로 제한하였으며, 또한 동력효율 및 전력 소모를 최소화하기 위한 목적으로 작동 회전수를 10,000 RPM 이내로 제한하였다.
- 그러나 1차원 성능 해석 프로그램인 CompAero의 예측 결과를 검증 할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 상용 CFD 코드인 CFX를 이용하여 성능해석을 수행 하여, 1차원 성능해석 결과, 시험 결과를 비교하여 극저온 블로워 성능을 검증 하였다.
- 고온의 결과 역시 저온과 동일한 결과를 보였다. 따라서 본 연구에서는 차압 향상 및 실속 유량 감소등을 고려하여 두 번째 설계안을 최종적으로 선정 하였다.
- 극저온 블로워는 –150 ℃의 극저온 및 150 ℃의 고온에서 기체질소를 작동유체로 운용되도록 설계 되었으나, 일반적인 시험실 환경에서는 이와 같은 극저온 및 고온의 실제의 운용조건을 모사하여 시험을 수행 할 수 없다. 따라서 상온, 상압의 공기를 작동매체로 상사식을 이용하여 실제의 운용조건을 예상하여 압력등을 포함한 성능을 확인하는 시험을 수행 하였다.
- 본 논문에는 열진공챔버의 핵심 부품인 극저온 블로워의 설계 요구 조건을 도출하고, 1차원 성능해석, 상세설계, 제작, 표준대기에서의 성능 시험, 열진공 챔버내에 설치하여 운용 조건에서의 성능 시험결과를 포함하고 있다. 또한 상용 CFD코드를 이용하여 성능해석을 수행하여 시험결과와 1차원 성능해석결과를 비교하여 설계 및 시험결과를 검증하였다.
- 시험조건은 저온의 경우 –150 ℃, 고온은 100 ℃를 유지하도록 하였으며, 10주기 동안 고온과 저온을 반복하여 성능 평가를 수행하였다. 마지막 주기에는 고온 및 저온을 12시간 유지하여 장시간 고온 및 저온에서 유지 성능을 확인 하였다.
- 성능해석은 회전수 10,000, 9,000, 8,000 RPM으로 구분하여 수행 하였으며, 입구 압력, 입구 온도를 변경하여 성능해석을 수행하였다. 입구 전압력은 절대압력 값으로 나타내었고, 극저온 블로워의 성능인 차압은 스크롤의 입구 전압력과 출구 전압력 차이를 나타내었다.
- 시험조건은 저온의 경우 –150 ℃, 고온은 100 ℃를 유지하도록 하였으며, 10주기 동안 고온과 저온을 반복하여 성능 평가를 수행하였다.
- 극저온 블로워 내부는 고온 및 극저온의 환경에서 구동이 된다. 이에 따라 압축단과 구동부 사이의 열전달 차단을 위해 열장벽(thermal barrier)이 적용되었으며, 베어링, 열장벽등은 고온 및 저온에 노출이 됨에 따라 냉각이 필요하게 되어, 수냉 방식을 적용하였다.
- 일반적인 터보 블로워는 에어베어링을 적용하여 20,000 RPM이상의 고회전을 갖는 특성을 갖고 있으나, 극저온 블로워의 경우 고회전 회전속도를 갖는 터보 블로워와는 달리 저속 영역에서 운용되므로 10,000 ∼ 20,000 RPM영역에서 적용 할 수 있는 볼베어링을 적용하였다.
- 극저온 블로워의 압축단은 임펠러, 디퓨져, 스크롤로 구성되어 있다. 임펠러는 원심형으로 선정되었고 디퓨져는 외경 제한을 고려하여 대폭 축소되었으며, 스크롤 형상은 외경 제한과 제작성을 고려하여 설계되었다. 압축단 설계과정에 서는 임펠러의 형상은 1차원 해석을 통해 2가지 임펠러 형상이 검토되었다.
- 본 연구에서는 블로워, 압축기등의 유체기계의 유동 해석에 최적화된 상용 CFD 코드인 ANSYS CFX-14를 사용하였다[5]. 입구조건은 전압력으로 설정하였고, 출구조건은 질량유량으로 설정하였다. 난류 모델은 SST(Shear Stress Transport)모델을 사용하였다.
- 극저온 블로워의 설계 요구조건은 Table 1과 같다. 특히, 성능중 가장 중요한 설계 요소는 입구와 출구의 차압으로 상용 블로워의 경우 최대 차압은 0.5 bara로, 본 연구에서는 최소 0.5 bara 이상의 차압을 갖도록 극저온 블로워를 설계 하였다. 기존의 열제어 시스템과의 접속을 고려하여 극저온 블로워 전체 외경은 약 350 mm 이내로 제한하였으며, 또한 동력효율 및 전력 소모를 최소화하기 위한 목적으로 작동 회전수를 10,000 RPM 이내로 제한하였다.
- 37 bara이다. 표준대기조건에서 극저온 블로워 시험은 각 유량에 따라 회전수를 12,000 RPM에서 6,600RPM까지 1,000 RPM 간격으로 차압을 측정하였다. 고온의 경우 극저온 블로워의 회전수가 8,330 RPM인 경우에 요구 유량인 162 CFM, 요구된 차압을 만족 하였으며, 저온의 경우 15,000 RPM에서 요구유량 및 차압을 만족할 것으로 예상되나, 베어링의 온도 제한으로 인해 대기압 조건에서는 확인 불가능 하다.
대상 데이터
- 재질은 알루미늄(AL 7075-T-6)를 적용하였고 표면은 부식방지를 위해 아노다이징 처리하였다. 스크롤의 재질은 고온 및 극저온의 작동유체와 직접 맞닿는 부분임을 감안, 부식에 강한 스테인리스(STS304)를 적용하였다.
- 따라서 임펠러를 포함한 압축단의 유체가 구동부로 유체의 전달이 없도록 하여야 한다. 이와 같은 기체 누설을 방지하기 위해 라비런스 씰(Labyrinth seal)과 발립 씰 (Varilip seal)이 적용되었다.
- Figure 7은 극저온 블로워의 임펠러 3D 형상과 제작된 모습을 보여주고 있다. 재질은 알루미늄(AL 7075-T-6)를 적용하였고 표면은 부식방지를 위해 아노다이징 처리하였다. 스크롤의 재질은 고온 및 극저온의 작동유체와 직접 맞닿는 부분임을 감안, 부식에 강한 스테인리스(STS304)를 적용하였다.
이론/모형
- 입구조건은 전압력으로 설정하였고, 출구조건은 질량유량으로 설정하였다. 난류 모델은 SST(Shear Stress Transport)모델을 사용하였다. Fig.
- 본 연구에서는 블로워, 압축기등의 유체기계의 유동 해석에 최적화된 상용 CFD 코드인 ANSYS CFX-14를 사용하였다[5]. 입구조건은 전압력으로 설정하였고, 출구조건은 질량유량으로 설정하였다.
- 형상 설계 후 성능 검증을 위해 압축기, 펌프 등의 성능해석 프로그램인 CompAero[4]를 사용하였다. CompAero중 Cencom을 사용하여 압축 단의 1차원 성능을 예측하였으며, 또한 전산유체역학(CFD) 기법을 이용하여 수치해석을 수행하여 성능을 예측하였다.
성능/효과
- 베어링의 온도를 측정결과 폐회로 열제어 시스템내에 설치되어 운용시 고온 및 저온 가스가 유입된 경우에도 50 ℃ ∼ 60 ℃의 일정한 온도가 유지되어 안정적임을 확인하였다.
- 열진공 챔버의 핵심 부품인 극저온 블로워의 1차원 성능해석, 3차원 성능해석, 표준대기조건 시험, 열진공챔버 내에서의 시험을 통해 결론을 도출할 수 있다.
- 운용조건에서의 요구된 유량 및 차압을 만족한 결과를 확인하기 위해서는 15,000 RPM으로 운전하여야 하나, 베어링 온도의 한계로 인해 확인 불가능 하나, 1차원, CFD 성능 해석결과를 통해 –150 ℃ 의 저온 조건에서는 약 10,000 RPM에서 운전시 요구 유량을 만족할 것으로 예상된다.
- 성능해석은 회전수 10,000, 9,000, 8,000 RPM으로 구분하여 수행 하였으며, 입구 압력, 입구 온도를 변경하여 성능해석을 수행하였다. 입구 전압력은 절대압력 값으로 나타내었고, 극저온 블로워의 성능인 차압은 스크롤의 입구 전압력과 출구 전압력 차이를 나타내었다. Fig.
- 150 CFM, 7,000 RPM에서 시험 결과는 1차원, CFD 성능해석 결과와 유사한 결과를 보여주고 있다. 작동 RPM인 10,000 RPM에서 CFD 결과는 0.59 bara로 예상되며, 6% 차이를 고려하면 0.55 bara의 차압이 예상되어 요구된 차압을 만족할 것으로 예상된다.
- 5 bara의 차압을 만족하였으며, 저온의 경우 표준대기조건에서의 시험을 통한 확인이 불가하였으나, 해석을 통한 예측을 할 수 있었다. 최종적으로 극저온 블로워는 열진공 챔버에 설치하여 100 ℃, -150 ℃ 조건에서 운용한 결과 요구조건에 부합한 결과를 확인할 수 있었다.
- 고온 및 극저온에서 사용되는 극저온 블로워의 성능 요구조건을 만족하기 위해 임펠러의 1차원 해석을 통해 13개의 블레이드를 갖는 임펠러가 적용되었으며, 1차원 성능 해석을 통해 운용조건에서의 결과를 얻을 수 있었으며, 이는 실험 및 CFD를 통해 확인 할 수 있었다. 표준대기조건에서 성능검증 시험을 통해 극저온 블로워는 고온의 경우 10,000 RPM으로 가동시 요구된 150 CFM에서 0.5 bara의 차압을 만족하였으며, 저온의 경우 표준대기조건에서의 시험을 통한 확인이 불가하였으나, 해석을 통한 예측을 할 수 있었다. 최종적으로 극저온 블로워는 열진공 챔버에 설치하여 100 ℃, -150 ℃ 조건에서 운용한 결과 요구조건에 부합한 결과를 확인할 수 있었다.
후속연구
- 극저온 블로워에 적용되는 베어링은 –150 ℃ ∼ 150 ℃의 환경에 노출되게 되는데, 위와 같은 조건에서 사용시 윤활유 사용 시간에 대한 자료는 존재하지 않는다. 이에 따라 베어링의 이상 유무를 모니터링 하는 것이 중요하며, 베어링의 온도 및 진동레벨을 모니터링하는 방법으로 베어링의 문제 여부를 판단할 수 있을 것이다. 본 연구에서는 전방 및 후방의 베어링의 외륜에 저항 온도계를 설치하여 운용시 베어링의 온도를 측정 할 수 있도록 하였다.
- 향후, 본 연구에서 개발된 극저온 블로워는 열진공 챔버에 설치되어 장기간 고온 및 극저온의 환경 하에서 성능을 검증하여 신뢰성을 검증할 예정이다.
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