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문제 정의
- 본 논문은 해외 수출(export licence) 통제품목으로 수입이 불가능에 가까운 어려운 상황에 대처하기 위해 당사에서 국산화 개발한 믹서의 개발 과정을 나타내었다. 개발한 믹서는 기존 보유 믹서의 자료를 바탕으로 블레이드 형상설계 및 믹서의 구조를 파악하여 설계하고 필요한 부품 들을 국내/외에서 조달하였다.
제안 방법
- 1 & 50 gallon 믹서의경우, 현재 진행 중인 로켓추진기관 개발에 적용하였으며, 지상연소시험과 비행시험을 통해 그 성능을 입증하였다.
- 4.2.4 밀폐 검사 밀폐검사는 믹싱 보울을 믹서에 장착한 상태에서 일정압력 이하로 진공상태를 만들고, 믹서를 동작시킨 상태에서 압력의 변화를 확인 및 검사하였다. 믹서의 블레이드 회전은 10 Hz로 작동을 시키고 10분이상의 시간동안 압력의 변화가 20%이하가 되는지를 검사하여 이상 없음을 확인하였다.
- Fig. 14처럼 해석 결과에 따라 고점성 유체로 간주되는 추진제 거동과 구동축에 부여되는 저항력에 따른 축간 변형량 해석을 통하여, 설계결과를 정성적으로 확인하고, 믹서의 동작 안전성도 검증하였다.
- 간극 검사는 블레이드와 블레이드사이, 블레이드와 믹싱 보울 벽면/바닥면 등 틈 사이를 검사 하였다.
- 고정하우징 내의 추진제 혼화물질과 직접 접촉되는 부분은 스테인레스로 제작되고 혼화영역윗 부분은 탄소강으로 제작하였으며, 고정하우징 상하부는 진공을 유지할 수 있도록 설계하였다.
- 회전축을 지지하는 기능을 하는 베어링은 장착되는 조립부위에 정밀 공차를 적용시켜, 믹서 블레이드 주축의 흔들림을 방지하는 역할도 한다. 기밀 하우징과 조립되는 부분은 정밀 가공하여 베어링 하우징이 움직이지 않도록 설계/제작 하였다. 베어링의 설계수명은 최소 30,000시간이상으로 고려되었다.
- 이에 당사에서는 이러한 어려운 점을 극복하기 위하여 믹서를 국내개발하기로 하였다. 기존 보유 믹서 및 자료와 국내 유사장비를 참고하였으며, 믹서의 성능 인자에 영향을 줄 수 있는 블레이드는 미국 믹서의 형상과 스케치를 이용하여 역설계로 개발을 진행하였다.
- 당사에서 개발된 플레니터리 믹서는 기존 보유하고 있던 실물을 참고로 역설계하여 진행하였다. 수직형 플레니터리의 믹서의 기본 구성은 Fig.
- 믹서 제작검사는 모두 안전도에 관련하는 내용이며, 우선적인 것은 추진제가 혼화되는 보울 내의 구조물로 가혹조건에서 믹서 블레이드와 블레이드 간격, 블레이드와 보울 벽과의 간격이 중요하다. 또한 믹서 보울에 추진제 작업은 진공상태에서 수행되어 충분히 안전하고 유사시에는 믹서 보울이 본체에서 분리되는 안전 스위치를 적용하였다. 또한 유사시 가능성 있는 화재의 진압을 위해서 델류지 시스템(deluge-system)을 적용하여 고압/고용량 냉각수를 보울 내부로 유입하도록 하였다.
- 또한 믹서 보울에 추진제 작업은 진공상태에서 수행되어 충분히 안전하고 유사시에는 믹서 보울이 본체에서 분리되는 안전 스위치를 적용하였다. 또한 유사시 가능성 있는 화재의 진압을 위해서 델류지 시스템(deluge-system)을 적용하여 고압/고용량 냉각수를 보울 내부로 유입하도록 하였다.
- )으로 설정하여 동작시키고, 제어기 패널에 표시되는 RPM이 설정된 동작과 일치 하는지 여부를 검사 하였다. 또한, 블레이드간 부딪힘이나 기타 기구 간의 간섭이 없는지를 공회전을 통해 확인하였다.
- 드레인 밸브는 혼화 완료된 추진제를 배출시키는 장치로써, 청결 및 안전성을 고려하여 추진제 접촉 부위를 STS 304재질로 사용하였고, 기밀효과를 극대화하기 위해 경도 60을 갖는 재질의 오링을 적용하였다. 또한, 안전을 위해 수동으로 핸들을 돌려 개폐하는 형식으로 제작하였다.
- 믹싱 블레이드는 믹서의 혼합성능을 좌우하는 구성품으로 각각 회전과 공전에 따라 재기능을 다하도록 설계하였다. 이는 기존의 믹서 블레이드 형상을 참조하여 형상설계를 수행하였다.
- 바닥면에 설치된 믹서가 안정되어 있는지 확인한 후 믹서의 조립상태, 나사풀림, 의도하지 않은 기구적인 틈 등이 없는지 검사를 수행하였다.
- 믹서는 가연성 물질인 추진제 원료를 혼화하므로 블레이드끼리 혹은 블레이드와 믹싱 보울간에 금속접촉이 발생할 경우 매우 위험한 상태가 될 수 있으므로 설계 검증차원에서 수치적 검증이 우선되어야한다. 본 개발에서는 유체-구조 연성해석이 가능한 ADINA를 이용하여 추진제에 해당하는 고점도 유체를 혼화할 경우 블레이드와 구동축의 변형 관계를 수치적 검증하였다[4].
- 본 추진제 믹서는 당사에서 1 gallon, 50 gallon (2011.11월 제작/검증 완료)및 300 gallon 급(2014.8월 제작/시운전 완료)으로 국내최초로 개발하여 검증을 거쳤다. 1 & 50 gallon 믹서의경우, 현재 진행 중인 로켓추진기관 개발에 적용하였으며, 지상연소시험과 비행시험을 통해 그 성능을 입증하였다.
- 블레이드 형상설계와 동반하여 믹서를 구동하는 구동모타와 1&2차 블레이드의 회전방향과 회전수를 생성하기 위한 기어박스를 설계/제작하였다.
- 이는 양쪽 다 막힘형인 경우 구동토크가 많이 부가되어 구동 모타에 무리가 가며, 추진제 원료 계속적으로 혼합이 될 경우 블레이드 사이에 남아있어 바깥 다른 물질들이 블레이드 사이에 들어오지 못하여 혼화가 제대로 이루어지지 않기 때문에 연속적 혼합차원에서 블레이드의 개방된 부위로 배출되어 혼합이 계속 이루어지도록 설계하였다. 블레이드간 그리고 블레이드들과 믹서 보울내부 벽면과의 간격을 5 mm이상 6 mm 이하로 유지되도록 제작하였다. 제작방법은 기본적으로 형상에 따라 주물로 제작 구성한 후 정밀기계가공으로 진행하였으며, 실물을 제작조립 후 간격을 정확히 맞추는 방향은 수작업으로 연마 가공하였다.
- 이는 기존의 믹서 블레이드 형상을 참조하여 형상설계를 수행하였다. 블레이드는 Fig. 9처럼 블레이드 표면이 폐곡선으로 전체가 막혀있는 1차 블레이드(inner blade) 인 막힘형 블레이드와 블레이드 외곽만 유지된 2차 블레이드인 개방형 블레이드로 구성하였다.
- 수직형 용기의 상부 플랜지 부위는 보울과 믹서 하부 프레임이 결합되는 부위인데, 추진제는 진공상태에서 원료가 혼화되기 때문에 진공압에 견딜 수 있도록 설계하였으며, 밀착을 위해 STS 304 플랫바를 믹싱 보울 상부에 용접하였다.
- 스캔되어진 블레이드의 형상을 ADINA에 입력시켜 격자계를 형상화하였다. 1차 블레이드(막 힘형 블레이드)는 6,466개의 3D solid element 로 만들어졌고, 2차 블레이드(개방형 블레이드) 는 5,029개의 3D solid element 로 만들어졌다.
- 사용된 금속재질은 SS 400을 사용하였으며 평판을 절곡하여 견고하게 제작하였다. 외부청결 및 안전성을 고려하고 녹을 방지하기 위해 Munsell 5Y9/1.5 페인트를 사용하였고 상부 및 하부 프레임 분해가 용이하도록 볼트로 체결하는 형태로 제작하였다.
- 위의 조건들이 만족하는 상태에서 믹싱 보울물 자켓에 온수 등을 공급하여 믹싱 보울 내부의 온도(50℃)가 원하는 온도로 유지 되는지 검사하였다.
- 믹싱 블레이드는 믹서의 혼합성능을 좌우하는 구성품으로 각각 회전과 공전에 따라 재기능을 다하도록 설계하였다. 이는 기존의 믹서 블레이드 형상을 참조하여 형상설계를 수행하였다. 블레이드는 Fig.
- 개발된 믹서의 주요 파라메타들은 Table 2에 50 gallon급으로 개발된 믹서와 기존믹서를 비교 하였다. 전체 크기 면에서는 약간 크지만 블레이드 사양을 대변하는 간격은 유사하였으며, 구동 모타의 사양을 결정하는 추진제의 점도는 실제로 25 KP 를 넘지 않기 때문에 50 KP는 믹서 개발에 충분한 사양이라 판단하여 설계하였다.
- 제작 완료된 추진제 믹서는 다음의 설치, 동작, 블레이드 간극, 기밀 및 온도유지 항목에 따라 검사를 수행하였다.
- 블레이드간 그리고 블레이드들과 믹서 보울내부 벽면과의 간격을 5 mm이상 6 mm 이하로 유지되도록 제작하였다. 제작방법은 기본적으로 형상에 따라 주물로 제작 구성한 후 정밀기계가공으로 진행하였으며, 실물을 제작조립 후 간격을 정확히 맞추는 방향은 수작업으로 연마 가공하였다.
- 지정된 RPM(예. 1.0 RPM, 10.0 RPM,...)으로 설정하여 동작시키고, 제어기 패널에 표시되는 RPM이 설정된 동작과 일치 하는지 여부를 검사 하였다. 또한, 블레이드간 부딪힘이나 기타 기구 간의 간섭이 없는지를 공회전을 통해 확인하였다.
- 해석 절차는 믹서 블레이드 형상의 메시 모델링과 고점성 유체에 대한 메시 모델링을 수행한후, ADINA를 이용한 비정상(unsteady) FSI해석의 2단계 과정이다. 블레이드의 3차원 형상은 Fig.
- 현재 운용중인 믹서의 기본 사양은 Table 3에 나타내었으며, 실제 추진제를 혼합하여 50여 차례 성능 평가를 수행하였고, 블레이드 간극 측정도 동시에 검증하였다.
대상 데이터
- 모타의 회전을 전달받아 회전하는 축으로 추진제와 접촉되는 부위와 블레이드 연결부의 안전성과 청결유지를 위해 마찬가지로 STS 304재질의 스테인레스 강을 사용하였으며, 베어링과 오일 기밀부가 조립되는 부위는 일반공차보다 20%더 정밀한 공차를 적용하여 설계/제작되었다.
- 믹싱 보울은 Fig. 5에서 보여주는 형상을 가지며, 추진제를 혼화(chemical mixing)시키기 위한 용기로써, 추진제가 접촉되는 부위를 감안하여 청결 및 안전성을 갖도록 STS 304 재질을 사용하였다. 보울 내부는 추진제 혼화 중 흐름을 유지하기 위해 표면을 연마 처리하였고, 믹싱 보울 내부의 6군데의 표면조도를 측정한 결과 0.
- 해석 절차는 믹서 블레이드 형상의 메시 모델링과 고점성 유체에 대한 메시 모델링을 수행한후, ADINA를 이용한 비정상(unsteady) FSI해석의 2단계 과정이다. 블레이드의 3차원 형상은 Fig. 11과 같으며, 메시 모델링을 위한 블레이드의 3D 스캐닝을 위해 라이트 방식으로 정밀도 0.02 mm 이상의 정교한 스캔이 가능한 4DL SCANNER R30을 사용하였다.
- 사용된 금속재질은 SS 400을 사용하였으며 평판을 절곡하여 견고하게 제작하였다. 외부청결 및 안전성을 고려하고 녹을 방지하기 위해 Munsell 5Y9/1.
- 9 스프로켓(sprocket) 방폭구조로 제작된 모타에서 블레이드 구동축 으로 동력을 전달하기 위해 사용되는데, 미끄럼 없이 확실하게 구동이 전달되고 분진이 일어나지 않으며 소음이 적은 특징이 있다. 재질은 일반 탄소강 SM45C이며, 일반 상용품을 사용하였다.
성능/효과
- 3) 뱃취(batch)간 오염을 방지하기 위해 블레이드나 용기 세척이 용이하다. 또한, 4) 공정상 믹싱 종료후 용기 바닥에 설치된 배출밸브를 통해 추진제 혼합물을 배출시킴으로써 추진제 충전이 용이하다.
- 4 밀폐 검사 밀폐검사는 믹싱 보울을 믹서에 장착한 상태에서 일정압력 이하로 진공상태를 만들고, 믹서를 동작시킨 상태에서 압력의 변화를 확인 및 검사하였다. 믹서의 블레이드 회전은 10 Hz로 작동을 시키고 10분이상의 시간동안 압력의 변화가 20%이하가 되는지를 검사하여 이상 없음을 확인하였다.
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