[논문]극저온용 액중펌프의 임펠러 및 샤프트 진동해석에 관한 연구

권병수; 이치우; 신유인; 이중섭

doi:10.14775/ksmpe.2016.16.2.056

극저온용 액중펌프의 임펠러 및 샤프트 진동해석에 관한 연구
A Study on the Vibration Analysis of Impeller and Shaft in Cryogenic Submerged Pump 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.16 no.2, 2017년, pp.56 - 62

권병수 (경남과학기술대학교 대학원) , 이치우 (경남과학기술대학교 자동차공학과) , 신유인 (경상대학교 산학융합지구조성사업단) , 이중섭 (경남과학기술대학교 엔진부품검증센터)

Abstract ▼ AI-Helper

In this research, reverse engineering was applied to the product manufactured by "Vanzetti" from Italy to develop a localized cryogenic submerged pump used in small-scale LNG liquefaction plants. The results of modal analysis of the impeller and shaft confirmed that the resonance frequency of the impeller and shaft played an important role in the rotor. Modal analysis of the rotor confirmed that the forcing frequency had no influence on the resonance phenomenon.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

극저온인 액화천연가스의 경우 이송을 위해 극한 환경에서의 작동이 가능한 액체펌프 기술이 필요하며, 동남아에 매장된 천연가스는 지리적인 이유로 운송 등의 어려움이 있으며, 액화천연가스의 이송을 위해 펌프기술의 적용이 필요한 실정이다. 따라서본 연구는 Fig. 1과 같이 극저온 액체시스템의 이송 및 저장장치에 적용할 수 있는 액중펌프 기술개발을 위한 기초연구로서 극저온용 액중펌프 개발에 따른 기초설계 자료를 확보하고자 한다.^1-2)
본 연구대상인 극저온 액중펌프의 동적특성으로 인한 진동문제를 확인하기 위해 Fig. 3과 Table 2와 같이 펌프내부 임펠러 및 샤프트 자유진동해석(modal analysis)을 통해 가진 주파수를 파악하고 펌프의 공진현상을 미연에 방지하고자 한다.

제안 방법

본 연구에서 임펠러 및 축의 회전체 진동해석은 총 4차 모드까지의 고유진동수를 나타낼 수 있도록 설정하여 해석을 수행하였으며, 해석결과 Table 3과 같은 결과를 얻을 수 있었다. 또한 Fig.
본 연구의 LNG 펌프 모터는 최고 7,000 rpm까지 회전 하며, 모터가 회전할 때 위험속도 발생여부를 판단하기 위해 1,000 rpm 간격으로 최고 7,000 rpm 까지 모드별 주파수를 분석하고 이를 통해 캠벨선도를 도출하여 임펠러 및 축의 설계안 정성을 판단하고자 한다.

대상 데이터

본 연구대상은 앞선 임펠러 및 축의 자유진동해석과 같으며, 두 개의 임펠러가 샤프트에 결합되어 있는 형상이며, 재질 역시 앞선 해석과 동일하다.
임펠러 및 축의 회전체 진동해석을 위해 자유 진동해석의 경계조건과 더불어 실제 베어링이 지지되는 지점에 Fig. 5와 같이 베어링 강성 및 감쇠영역을 설정하여 주고 Fig. 6과 같이 측정하고자 하는 영역을 선정하였다
그 외 작동원리는 일반적인 액중펌프와 동일하다. 재질은 대부분 극저온 분야에서 널리 이용되고 있는 스테인리스 316L 계열 대신 알루미늄 합금을 적용하고 있었다. 본 연구 대상인 극저온 액중펌프의 성능은 Table.

이론/모형

회전하는 기계요소의 공진가능성을 확인하기 위해 캠벨선도(campbell diagram)를 활용할 수 있다. 이 선도는 회전하는 기계요소의 운전속도 함수로 고유진동수를 나타낸다.

성능/효과

즉 모터가 회전하는 0~7,000 rpm 영역 중 어떠한 영역에서도 위험속도 구간이 발생하지 않는다. 이러한 결과를 토대로 살펴볼 때 설계된 임펠러 및축은 회전 밸런스가 정확하고 안정적으로 설계되었음을 알 수 있다.
자유진동에 대한 해석결과 Fig. 3에서와 같이 임펠러 및 샤프트의 모드별 형상 특성을 살펴보면 1차 벤딩모드(bending mode), 2차 토션모드(torsionmode), 3차 벤딩모드, 4차 토션모드, 5차 벤딩모드, 6차 벤딩모드가 발생함을 확인할 수 있다. 또한 Fig.
천연가스 소형액화플랜트에 사용되는 극저온용 액중펌프에 대한 국산화 개발을 위해 이탈리아 'Vanzetti사' 제품에 대한 역설계를 수행하여 임펠 러와 샤프트에 대한 진동해석을 수행한 결과 회전 체에서 중요한 부분인 임펠러와 축에 대한 자유진 동해석을 통해 공진주파수를 확인할 수 있었고, 회전체진동해석을 통해 가진주파수 영역을 벗어나 공진현상에 영향을 주지 않는 것으로 나타났다.
해석결과를 살펴보면 LNG 펌프 모터가 운전되는 범위에서는 모터의 가진주파수 영역과 겹치는 모드의 고유진동수 값은 없는 것으로 확인된다. 즉 모터가 회전하는 0~7,000 rpm 영역 중 어떠한 영역에서도 위험속도 구간이 발생하지 않는다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	천연가스 가스전의 개발 현황은 어떠한가?	현재까지 많은 양의 천연가스 가스전이 미 개발 상태이며, 중소규모 가스전이 약 1400여 곳에 존재하며 지금까지 개발된 천연가스 가스전은 50TCF(Tera cubic feet) 이상의 대규모 가스전이 대부분이며, 5 TCF 이하의 중소규모 가스전은 미개척인 곳이 대부분이다.
	고효율 및 내구성과 신뢰성이 높은 액중펌핑 시스템을 개발하는 이유는 무엇인가?	이러한 영향으로 극저온 관련 기자재에 대한 기술개발이 활발하게 이루어지고 있다. 극저온 유체에 대한 수요증대로 인해 선진국의 경우 고효율 및 내구성과 신뢰성이 높은 액중펌핑 시스템을 개발하고 있다.
	LNG 펌프에서 발생하는 진동은 어떤 문제를 발생시키는가?	모터에서 발생하는 진동은 기계요소에 반복적인 하중으로 작용하여 기계부품의 마모 및 소음발 생의 주요 원인으로 작용하며, 구조물과 구성품의 수명에 영향을 줄 수 있다. 또한 공진과 같이 구조물의 고유진동수와 외부의 가진 주파수가 일치 하는 동적 불안정성 현상이 발생하는 경우 전체 기계요소에 치명적인 손상을 줄 수 있다. 3-5)

참고문헌 (8)

Kweon. B. S., Lee. C. W., Yi. C. S., "A Study on the Impeller Design of a Submerged Cryogenic Pump," J. of KSMPE, Vol. 15, No. 6, pp. 136-141, 2016.
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Choi. D. S., "Structural Analysis and Design of Small Wind Turbine Blade," J. of KSMPE, Vol. 14, No. 1, pp. 85-91, 2015.
Kim. H. Y., Yoo. H. H., "Vibration Analysis of a Rotating Blade Considering Pre-twist Angle, Cross Section Taper and a Concentrated Mass," Transactions of KSNVE, Vol. 23, No. 4, pp. 338-346, 2013

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Kwon. S. M., Kang. M. J., Yoo. H. H., "Stability Analysis of a Wind Turbine Blade Considering Wind Force and Variation of Pitch Angle," Transactions of KSNVE, Vol. 22, No. 12, pp. 1164-1171, 2012.

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Kang. B. M., Oh. Y. C., Bae. D. G., Seo. K. C., Ko. J. Y., "A Study on Shaft Dynamic Characteristic for G/T 250TON Double-Ended Car-Ferry," J. of KSMES, Vol. 21, No. 1, pp. 83-90, 2015

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