[논문]원통형 수직 펌프의 공진회피를 위한 접수진동해석

이재환; 왕즈텅; 아코마링

doi:10.3744/snak.2018.55.4.321

원통형 수직 펌프의 공진회피를 위한 접수진동해석
Fluid-Structure Interaction (FSI) Modal Analysis to Avoid Resonance of Cylinder Type Vertical Pump at Power Plant 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.55 no.4, 2018년, pp.321 - 329

이재환 (충남대학교 선박해양공학과) , 왕즈텅 (신장금풍기술공사) , 아코마링 (진영전기(주))

Abstract ▼ AI-Helper

Resonance phenomena occurs at large vertical pump which is operating to cool down the hot steam using sea water in the power plant. To avoid the resonance, the natural frequency needs to be isolated about 20% from motor operating speed. Yet, excessive vibration occurs especially at low tide. At first, natural frequency of the whole pump system and each part is calculated using ANSYS. As it is revealed in the previous journal papers that only circular pipe part is related to resonance, the FSI technique is applied for free vibration analysis. The natural frequency is reduced to 60% (compared to that) of the frequency measured in air as it is similar to other published results. And the frequency obtained by finite element analysis is almost same to that obtained from modal test. Based on the accurate finite element model and analysis, design change is tried to avoid the resonance by changing the thickness of pipe and base supporting plate. In stead of doing optimization process, design sensitivity is computed and used to find such designs to avoid resonance.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 펌프시스템의 ANSYS 접수진동해석에 의해 진동특성을 파악하였고, 공진과 연관되는 파이프 위주로 공진을 회피할 수 있는 설계변경안을 마련하였다. 또한 민감도 값을 적용하는 예도 제시되었다. Table 1에서 위에 소개 된 논문들에 의하면, 실린더 파이프의 고유진동수가 비접수시에 비해 접수면의 비율에 따라 43%~85%의 분포를 보이고 있다.
8 Hz이고 특히 썰물시에 공진현상을 보인다. 본 논문에서는 펌프시스템의 ANSYS 접수진동해석에 의해 진동특성을 파악하였고, 공진과 연관되는 파이프 위주로 공진을 회피할 수 있는 설계변경안을 마련하였다. 또한 민감도 값을 적용하는 예도 제시되었다.
이러한 진동현상을 규명하고 공진회피 설계를 위해서는 접수 진동해석이 필요하고 또한 개선방안이 필요하다. 본 연구에서는 펌프 시스템의 접수진동의 기존 연구결과들을 분석하여 유용한 결과들을 제공하고, 공진회피를 위한 접수진동 해석을 하였다. 펌프 공진 원인이 주로 파이프라는 사실과, 접수진동 시에 고유진동수가 대략 40% 정도 감소한다는 결과를 문헌조사를 통하여 도출하였다.

가설 설정

썰물시의 공진회피를 위하여, 설계변경이 가능한 파이프와 지지판인 Sole Plate의 두께 변경을 가정하고, 여러 조건들에 대한 진동해석 결과는 Table 9와 같다. Case 2의 경우 18.

대상 데이터

08 톤의 임펠러가 있다. ANSYS의 유한요소 모델링에서 축은 BEAM188 요소로, 대부분의 구조는 SOLID185로, 해수는 FLUID30로, 케이스 내부의 펌프와 임펠러는 질량 MASS21로 모델링되었다.

이론/모형

(2011)등에 의해 NASTRAN을 사용하여 유체압력의 질량효과를 계산하여 이를 질량으로 선박에 질점분포시켜 (질량 행렬에 첨가되는 동일 효과) 고유진동해석에 반영하였다.
, 2013)등에 의한 탱크의 접수진동해석과 실선에 대한 실험 계측 결과가 있다. Kim et al. (2012)등에 의해 원주의 와유기 진동해석을 ADINA로 구현하였다. 근래에 슬로싱에 관한 연구에서 FSI 문제가 언급되고 있으며, Lee et al.

성능/효과

1. 조사된 참고문헌들에서 원형 파이프의 접수진동시에 약 40% 정도의 고유진동수가 감소함이 보여 지고 있다. 본 연구결과도 해수와의 접수진동시 파이프의 고유진동수는 비접수에 비해 60% 정도로서, 약 40% 정도가 감소되었다.
3. 공진회피를 위한 설계 변경 안 도출과정에는, 설계변수로 설정할 수 있는 항목과 범위가 제한되어 있어 파이프의 두께와 sole plate의 두께 정도를 선정하게 된다. 이러한 경우에는 본문과 같이 민감도를 사용하여 설계치수변경에 대해 간단히 고유진동수를 예측할 수 있다.
조사된 참고문헌들에서 원형 파이프의 접수진동시에 약 40% 정도의 고유진동수가 감소함이 보여 지고 있다. 본 연구결과도 해수와의 접수진동시 파이프의 고유진동수는 비접수에 비해 60% 정도로서, 약 40% 정도가 감소되었다.
이러한 시스템의 상부에 모터와 케이싱이 있고 배수관(파이프)과 내부에 축과 끝단에 임펠러 가 있다. 본 연구에서 모달테스트로 측정된 펌프시스템의 공진주파수는 썰물/밀물 시에 18.3 Hz, 17.8 Hz이고 특히 썰물시에 공진현상을 보인다. 본 논문에서는 펌프시스템의 ANSYS 접수진동해석에 의해 진동특성을 파악하였고, 공진과 연관되는 파이프 위주로 공진을 회피할 수 있는 설계변경안을 마련하였다.
Table 1에서 위에 소개 된 논문들에 의하면, 실린더 파이프의 고유진동수가 비접수시에 비해 접수면의 비율에 따라 43%~85%의 분포를 보이고 있다. 본 연구에서는 접수 효과로 고유진동수가 40% 감소하였다. 내부에만 유체가 있는 경우에는 접수진동개념 보다는 질량이 추가된 효과로 볼 수 있다.
(2001)에서 10 m의 길이, 1000 rpm의 저주파 구동 대형 수직펌프 동특성개선의 경우, 펌프의 전동기, 전원박스, 공기통로박스, 펌프 축, 배관에 대해 진동계측과 NASTRAN으로 접수진동 해석을 하여 배관의 수위별 고유진동수를 발표하였는데, 계측과 실험이 같은 경향을 보였다. 비접수시의 고유진동수 34.6 Hz에 비하여, 접수진동해석 고유진동수는 해수 수위가 만 수위, 저 수위, 중간 수위시 각각 50%, 38%, 46%인 것을 보였다. Bae et al.
대표적으로 Olson and Vandin (1989)에 의해 Fluid-Structure Interactions(FSI)의 고유진동수 해석 연구가 있다. 유한요소해석 코드로 물속에 잠긴 평판의 접수진동해석에서, 대형 행렬문제의 해법으로 subspace iteration 방법이 determinant search 알고리즘보다 빠름을 보여주었다.
전체 펌프 시스템의 진동해석이 어느 정도 진행된 후, 펌프 파이프에서 가속도기로 측정된, (공진을 유발하는) 고유진동수는 썰물 시에 18.3 Hz이며 밀물시의 진동수는 17.8 Hz로 제시되었다. 전체시스템에서 sole plate로 강건하게 지지된 파이프로 된 수직배관부만 고려되었다.
정리하면, Table 5에서 유체가 없는 파이프 상태에서는 굽힘주파수가 31 Hz 이고, 내부에 유체가 있는 경우에는 22.6 Hz로 비접수(공기 중)에 비하여 27% 감소하여 72.9%가 되었다. 최종 적으로 파이프 내부와 외부에 유체(해수)가 모두 있는 경우에는 (Table 8), LSL과 HSL에서 18.
본 연구에서는 펌프 시스템의 접수진동의 기존 연구결과들을 분석하여 유용한 결과들을 제공하고, 공진회피를 위한 접수진동 해석을 하였다. 펌프 공진 원인이 주로 파이프라는 사실과, 접수진동 시에 고유진동수가 대략 40% 정도 감소한다는 결과를 문헌조사를 통하여 도출하였다. 접수진동 이론식은 80년대부터 유한요소해석에서 사용되고 있고, 특수한 문제들에 대해서는 주어진 조건에 적합한 수정된 이 론식들이 발표되고 있다.

후속연구

본 연구를 통해 진동해석 수행 시에 고려해야 할 사항들을 고찰해 보면, 어느 부분의 진동특성이 주요한가를 판단하기 위해서 우선 전체와 부분적인 진동특성을 고찰하고, 관련이 없는 부분(상부 케이싱 등)을 제외한 후에, 현상과 직결되는 부분(직선 배관부)에 대해서 해결해야 한다. 한편 정확한 유한요소 모델링과 해석에 의한 고유진동수가 파이프의 진동 계측실험 값과 일치하여 해석모델이 검증되었으며, 이를 활용하면 향후 접수진동이 고려된 신뢰성 있는 시스템 설계에 도움이 될 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	펌프 설치 시에 접수진동 효과를 고려하지 않고 모터 회전수만 고려하여 생기는 문제는 무엇인가	, 2006), 수직펌프의 각 부분별 진동특성을 파악한 결과 공진의 원인이 배관부(파이프)임을 확인하여, 타 부분은 배제하고 오 직 배관부 공진회피에 중점을 두었다. 펌프 시스템의 진동 발생 현상은, 20 Hz ± 20% (16~24 Hz)인 속도로 회전하는 모터에 의해 축이 회전되고 이 축을 통하여 파이프에 모터의 회전운동이 전달되며, 공진은 이 회전속도가 파이프의 고유진동수와 근접한 경우에 발생하게 된다. 펌프 설치 시에 접수진동 효과를 고려하지 않고 모터 회전수만 고려하여 이러한 문제가 발생할 수 있고, 썰물에서의 공진 현상이 특히 문제가 되고 있다.
	유체구조 연성의 과정은 무엇인가	2와 같다. 유체의 유동이 고체의 변형을 유도하고 이 변형이 경계면의 유체유동을 유발하는 과정이다. 진동의 경우 고체주위의 유체가 부가질량(added mass)역할을 하여 고유진동수가 감소하는 현상이 발생한다.
	발전소에서 순환수 펌프의 소음과 기기파손의 원인은 무엇인가	발전소의 수직형 순환수 펌프에서 해수(냉각수)로 수증기를 용수로 재생산할 때, 공진이 발생하여 소음과 기기 파손의 원인이 된다. 이러한 진동현상을 규명하고 공진회피 설계를 위해서는 접수 진동해석이 필요하고 또한 개선방안이 필요하다.

참고문헌 (31)

Amabili, M., 1995. Free vibration of a fluid-filled circular cylindrical shell with lumped masses attached, using the receptance method. Shock and Vibration, 3(3), pp.159-167.
API, 2000. Standard 610, centrifugal pumps for petrochemical and natural gas industries. American Petroleum Institute.
Bae, C.H., Cho, C.W., Kim, S.H. & Park, Y.P., 2001. Modal analysis in the dynamic behavior identification of the fluid-structure coupled vertical pump. The 2001 Fall Conference of The Korean Society for Noise and Vibration Engineering, PyeongChang, Republic of Korea, 14-16 November 2011.
Bae, C.H., Cho, C.W., Kim, Y.W. & Yang, K.H., 2006. Vibration characteristics of the vertical pump in a nuclear power plant. The 2006 Fall Conference of The Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Hwasun, Republic of Korea, 16-17 November 2006.
Bae, C.H., Kwak, M.K. & Koo, J.R., 2012. Free vibration analysis of a hanged clamped-free cylindrical shell partially submerged in fluid: The effect of external wall, internal shaft, and flat bottom. Journal of Sound and Vibration, 331, pp.4072-4092.

상세보기
Bae, S.Y., 2003. A study on vibration characteristics in water tank structure. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 40(4), pp.46-52.

원문보기 상세보기
Choi, B.K., Lee, J.H. & Kim, Y.J., 2013, Topology, shape, and sizing optimization of the jig supporting high voltage pothead, Journal of the Computational Structural Eng. Institute of Korea, 26(5), pp.351-357.

원문보기 상세보기
Goncalves, P.B.G., Silva, F.M.A. & Prado, Z.J.G., 2006. transient stability of empty and fluid-filled cylindrical shells. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Science & Engineering, 18(3), pp.331-338.
Ha, Y.D., Kim, M.G., Cho, H.G. & Cho, S.H., 2007. Shape design optimization of fluid-structure interaction problems. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 44(2), pp.130-138.

원문보기 상세보기
Han, R.P.S. & Xu, H., 1996. A simple and accurate added mass model for hydrodynamic fluid-structure interaction analysis. Journal Franklin Institute, 333(6), pp.929-945.

상세보기
Jang, Y., Kim, K., Kim, D., Bae, C., Yang, K. & An N., Y., 2013. Study on Cause for vibration of large vertical pump in power plan. The 2013 Spring Conference of The Korean Society for Noise and Vibration Engineering, pp.674-675.
Jeong, K.H. & Kim, J.W., 2008. Hydroelastic vibration analysis of two flexible rectangular plates partially coupled with a liquid. Nuclear Engineering and Technology, 141(3). pp.335-346.
Jeong, K.H. & Kim, J.W., 2015. Hydroelastic vibration of a rectangular tank partially surrounding with a liquid. Trans. Korean Society for Noise and Vibration Eng., 25(3), pp.207-215.

원문보기 상세보기
Kim, K.C., 1976. The vibration of an elastic rectangular plate in a fluid. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 13(4). pp.
Kim, K.C., Kim, J.S. & Lee, H.Y., 1979. An experimental study on the elastic vibration of plates in contact with water. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 16(2). pp. 1-7.
Kim, S.H., Ahn, H.T., Ryue, J.S., Shin, H.K., Kwon, O.J. & Seo, H.S., 2012. Fluid-structure interaction analysis for vortex-induced vibration of circular cylinder. Journal of Computational Fluids Engineering, 17(1), pp.29-35.

원문보기 상세보기
Kim, W., Song, W. & Chagn Y., 2011. A Study on the vibration improvement of plant pump, The 2011 Fall Conference of The Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Hwasun, Republic of Korea, pp.697-698.
Kim, Y.B. & Choi, M.G., 2011. Global ship vibration analysis by using distributed fluid added mass at grid point. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 48(4), pp.368-374.

원문보기 상세보기
Kwon, W., Hwang, T.G. & Kim, J.H., 2014. Study of vibration characteristics in operation of vertical pump at power plant. The 2014 Winter Conference of Korean Society For Fluid Machinery, November 2014. pp.26-28.
Lee, C.S., Cho, J.R., Kim, W.S., Noh, B.J., Kim, M.H. & Lee, J.M., 2013. Evaluation of sloshing resistance performance for LNG carrier insulation system based on fluid-structure interaction analysis. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, 5(1), pp.1-20.

원문보기 상세보기
Lee, J.H., Huh, Y.J., Joung, T.H. & Lee, J.M., 2004. Optimal design of the deep-sea unmanned vehicle feame design using design sensitivity. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 41(3), pp.28-34.
Oh, J.H., Choi, J.B. & Ryu, J.S. 2013. Dynamic characteristic of a structure affected of fluid-structure interaction. The 2013 Fall Conference of The Korean Society for Noise and Vibration Engineering, pp.289-290.
Olson, L. & Vandini, T., 1989. Eigen problems from finite element analysis of fluid-structure interactions. Computers & Structures, 33(3), pp.679-687.

상세보기
Rahman, M. & Bhatta, D.D., 1993. Evaluation of added mass and damping coefficient of an oscillating circular cylinder. Applied Mathematical Modeling, 17(2), pp. 70-79.

상세보기
Seo, M.K., Seok, H.I. & Lee, C.W., 2013. Study on vibration characteristics of fluid tank structure for ship. Special Issue of the Society of Naval Architects of Korea, pp.85-89.
Sigrist, J.F., Broc, D. & Laine, C., 2006. Dynamic analysis of a nuclear reactor with fluid-structure interaction Part2: shock loading, influence of fluid compressibility. Journal of Elsevier, Nuclear Engineering and Design, 237(2007) pp.289-299.
Sigrist, J.F. & Broc, D., 2008. Homogenisation method for the dynamic analysis of a complete nuclear steam generator with fluid-structure interaction. Journal of Elsevier, Nuclear Engineering and Design, 238, pp. 2261-2271.

상세보기
Son, C.Y., Kim, K.S. & Byun, H.I., 2001. A study on the vibration characteristics of 3-dimension submerged vehicle in consideration of fluid-structure interaction. Journal of Ocean Engineering and Technology, 15(1), pp.19-25.
Thinh, T.I., Cuong, N.M. & Hien, Q.H., 2015. Dynamaic stiffness method for vibrations analysis of partial fluid-filled orthotropic circular cylindrical shells. Vietnam Journal of Mechanics, Vast, 37(1), pp.43-53.

상세보기
Yoo, M.S., Oh, S.T., Ji, Y.H., Lee, J.W., Roh, C.W. & Park, G.H., 2014. Experimental modal analysis of submerged vertical pump. 2017 Joint Conference by KSNVE, ASK and KSME(DC), Gwangju, Republic of Korea, 26-28 April 2017.
Zienkiewicz, O.C. & Taylor, R.L., 2014. Finite element method, basic formulation and linear problems. 7th ed. Elsevier.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증