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소형 기어펌프 최적화 설계를 위한 유동해석
Flow Analysis for Optimal Design of Small Gear Pump 원문보기

에너지공학 = Journal of energy engineering, v.24 no.1, 2015년, pp.88 - 96  

이석영 (인하공업전문대학 기계과, 씨드) ,  김승철 (인하공업전문대학 기계과, 씨드)

초록
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기어펌프는 단순한 구조를 가지면서도 신뢰성이 높고 작동과 유지가 쉽기 때문에 수력학 장치에 널리 사용된다. 일반적으로 기어펌프는 질량유량과 효율을 고려한 다양한 변수에 의해 설계된다. 본 연구에서는 기어펌프의 최적화 설계를 위해 ANSYS v15.0 CFX 상용프로그램을 사용한 3차원 유동해석을 실시하고 해석결과로부터 설계변수를 선정하도록 하였다. 즉, 기어펌프의 다양한 회전 속도 및 기어 끝단과 하우징 사이의 간극에 대한 질량유량 및 효율을 검토하였으며, 해석 결과로서, 회전 속도가 증가할수록 평균 질량유량 및 효율은 증가하였고, 기어펌프와 하우징의 간격이 증가할수록 평균 질량유량 및 효율은 감소하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Gear pump has a simple structure high reliability, easy operation and maintenance, widely used as a source of hydraulic system of hydraulic. In general, the gear pump was designed using variety of variables, the variables through the analysis of the mass flow rate and efficiency. In this paper, thre...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 개발하려는 펌핑시스템의 작동 흡입 성능이 최소 200mm 이상은 되어야 하는데, 컴퓨터 해석만으로는 정확한 치수를 정하기가 어려운 게 현실이다. 따라서, 본 연구에서는 목표로 하는 치수보다 여유있게 펌프 시스템을 설계하고 제작하였다. 시제작된 펌핑시스템은 외접기어 타입이며, 감지 센서와 배터리 및 제어시스템 등이 종합적으로 조립되어야 작동 성능을 제대로 파악할 수 있는데, 지금까지 진행된 개발은 감지센서와 제어계 등이 정상적으로 작동되어지지 않는 초기 제작상태이다.
  • 본 연구에서는 일반 액체 용기에 탈부착이 가능한 소형 센싱형 액체 자동분사 장치는 기존의 일체형 액체 자동분사 장치와 비교하여 기존 용기에 착탈이 가능하도록 소형 모듈화되고 가격이 저렴하며 휴대성 및 이동성이 양호하고 설치가 간편하여 기존 제품과 차별화되는 장점이 있으며, 환경문제가 심각한 시기에 공중위생을 위해 대중이 이용하는 공공장소 및 개인위생을 위해 가정주부를 대상으로 할 수 있는 소비자요구에 부합되는 제품으로 제작하고자 한다. 또한, 본 개발기술을 통하여 휴대용 자동액체분사 장치와 관련된 기술이 일본, 유럽 등 선진국의 핵심기술의 모방과 단순한 디자인 변경에서 탈피하여, 우리의 자체기술이 세계적으로도 선두적인 역할을 할 수 있는 이 분야 기초 기술을 확보하는 것이 본 연구의 중요성이라고 할 수 있다. 기존의 손 소독기는 대부분이 소독액 저장부와 펌핑 시스템, 센싱과 제어부, 전원부 및 이를 받치는 구조물 등이 일체형으로 이루어져 있었다.
  • 본 연구에서는 일반 액체 용기에 탈부착이 가능한 소형 센싱형 액체 자동분사 장치는 기존의 일체형 액체 자동분사 장치와 비교하여 기존 용기에 착탈이 가능하도록 소형 모듈화되고 가격이 저렴하며 휴대성 및 이동성이 양호하고 설치가 간편하여 기존 제품과 차별화되는 장점이 있으며, 환경문제가 심각한 시기에 공중위생을 위해 대중이 이용하는 공공장소 및 개인위생을 위해 가정주부를 대상으로 할 수 있는 소비자요구에 부합되는 제품으로 제작하고자 한다. 또한, 본 개발기술을 통하여 휴대용 자동액체분사 장치와 관련된 기술이 일본, 유럽 등 선진국의 핵심기술의 모방과 단순한 디자인 변경에서 탈피하여, 우리의 자체기술이 세계적으로도 선두적인 역할을 할 수 있는 이 분야 기초 기술을 확보하는 것이 본 연구의 중요성이라고 할 수 있다.
  • 기술성으로는 기어펌프 및 와류형성 분사노즐 채용으로 자동액체분사 장치의 휴대성이 겸비된 분사량 조절기술을 한 단계 높일 수 있는 기술이 적용되며 손세정액 뿐만 아니라 샴푸에도 적용할 수 있도록 제작되어질 예정이다. 이러한 작동을 위한 주요부품 중에서 기어펌프의 성능 조건으로 최대 흡입성능은 200mm이상, 1회 토출량은 0.5gf 이상을 개발 목표로 하였으며, 현재까지 진행된 내용으로 상용화된 소형 기어식의 펌핑 시스템 벤치마킹으로 개발제품의 펌핑시스템을 구상하여, 시제품으로 성능평가를 수행한 결과, 본 과제에서 목표로 하는 최소 200mm 이상의 펌핑 흡입 성능이 충분히 만족되었으며 개발의 최종 제품 성능을 위해 실제 제품에 알맞게 크기를 감소시키면서 성능을 유지되도록 개발중하고자 진행중이며, 본 연구에서는 기어펌프 소형화 제작에 앞선 최적화 설계를 위한 유동해석을 소개하고자 한다.

가설 설정

  • 유동장은 3차원 비압축성, 점성유동으로 가정하였으며, 난류모델로는 standard k-ε 모델을 사용하였다[3,4].
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
기어펌프가 수력학 장치에 널리 사용되는 이유는 무엇인가? 기어펌프는 단순한 구조를 가지면서도 신뢰성이 높고 작동과 유지가 쉽기 때문에 수력학 장치에 널리 사용된다. 일반적으로 기어펌프는 질량유량과 효율을 고려한 다양한 변수에 의해 설계된다.
착탈식 센싱형 액체 자동분사 장치는 어떤 작동 원리를 갖는가? 착탈식 센싱형 액체 자동분사 장치는 액체 흡입관과 액체를 상부로 흡입하기 위한 외접기어 펌프와 배터리에 의해 전원을 공급받아 기어 펌프를 구동시키기 위한 모터, 감지센서, 제어부 등으로 구성되어 있다. 본 제품에 손 등을 가까이 가져가면 감지센서가 작동되고, 감지신호를 입력받아 제어부는 구동모터의 동작을 제어하게 되며, 이 구동모터의 동작에 의하여 액체 용기의 하단부까지 연장된 흡입관을 통해 흡입된 액체가 분사노즐을 통해 분사되는 것이다. 개발 진행중인 외접기어 펌프는 액체용기 내부의 액체를 흡입하여 상측으로 이송시키는데 사용되는 흡입력을 제공하는 것으로, 일종의 소용량 유압펌프이다.
현재 시중에 제품화되어 있는 센싱형 자동액체분사 장치가 가지는 한계는 무엇인가? 해외시장의 다변화와 글로별 기술 경쟁시대에서는 상품의 경쟁력이 세계적으로 우수한 제품만이 치열한 시장 경쟁으로부터 살아남을 수 있고, 변화하는 소비자의 욕구 및 시장의 요구에 적극적으로 부합되는 제품을 개발해야만 한다. 현재 시중에 제품화되어 있는 센싱형 자동액체분사 장치는 대부분 벽이나 수전설비 근처에 고정할 수 있도록 하는 고정형으로, 액체 저장부와 펌핑시스템, 센싱부, 제어부 및 이를 받치는 구조물 등이 일체형으로 이루어져 이동 또는 휴대가 불가능하고 고가이며 설치에 제약이 있어, 설치, 이동 및 휴대가 간편하며 좀 더 저렴한 자동 액체 분사 장치에 대한 소비자의 요구가 많은 것으로 조사되었다.
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참고문헌 (9)

  1. Lee, Y. K., 2009, "Introduction to Analysis Method Theory of Gear Pump Using Immersed Solid Method of ANSYS CFX," Korean Fluid Machinery Association 2009 Fluid Machinery Research and Development Conference Program, pp.649-652 

  2. Ansys CFX Theory Guide 

  3. S. H. Kim, H. M. Son, J. C. Lee, "Characteristics of Two Dimensional Flow in an Involute Gear Pump" Journal's KFPS, Vol. 8, No. 2, pp. 36-41. 2011 

  4. Kim, H. and Marie, H., 2007, "Two-Dimensional CFD Analysis of a Hydraulic Gear Pump," Proceedings of the 2007 ASEE Annual Conference, Honolulu, Hawaii 

  5. J. H. Lee, T. G. Kim, S. W. Lee, "Fluid-structure Interaction Analysis of External Gear Pump" Journal's KSCFE, Vol. 2010., No. 5, pp. 83-85, 2010 

  6. D. H. Kim, K. S. Chung, B. M. Kim, "The Optimal Preform Design for Automotive Differential Bevel Gear, Journal's KASE, Vol. 12, No. 1, pp. 184-189, 2004 

  7. D. W. Yoo, J. H. Lee, "A Study on the Optimal Shape Design of Front Axle of Wheel Loader using the Design of Experiments", Journal's KSPE, Vol. 29, No.2, pp. 193-200, 2012 

  8. Y. D. Choi, Y. T. Kim, Y. H. Lee, "CFD Analysis of Pressure pulsation and Internal Flow for a Positive Displacement Hydraulic Turbine" Journal's KOSME, Vol. 31, No. 6, pp. 687-69 

  9. Choi, Y. D., Kim, Y. T. and Lee, Y. H., 2007, "CFD Analysis of Pressure Pulsation and Internal Flow for a Positive Displacement Hydraulic Turbine," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol.31, No.6, pp. 687-693 

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