[논문]점 데이터를 이용한 블레이드 곡면 모델링 시스템 개발

김영일

doi:10.14775/ksmpe.2019.18.10.110

점 데이터를 이용한 블레이드 곡면 모델링 시스템 개발
Development of Blade Surface Modeling System Using Point Data 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.18 no.10, 2019년, pp.110 - 115

김영일 (두산중공업 증기터빈설계팀)

Abstract ▼ AI-Helper

Stationary and rotating blades can be found in a steam turbine generator and the airfoil shapes of these blades can be defined by point data from an aerodynamic design system. The main design process of blades is composed of two steps: first, the blade surface is modeled with the point data; and then, the section data is generated which contains composite curves with line segments and arcs for CAE of the blade. The surface is modeled by a curve-net defined by the point data, which may be extended to obtain the section data to model the blade. This paper presents methods for automating the above-mentioned steps, which have been implemented in the commercial CAD/CAM system, Unigraphics, with API functions written in C-language. Finally, the proposed methods have been applied to model the blade of a steam turbine generator.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

그런데 본 연구에서와 같이 에어포일 형상이 점 데이터로 출력될 경우, 많은 점 데이터의 입력과 곡면 생성의 수작업을 대체할 자동 모델링 기능이 요구되며, 강체해석 시스템에 입력하는 에어포일의 단면 정보 생성 역시 수작업에 의한 처리가 힘들다. 따라서 본 연구에서는 터빈발전기 내에서 중요한 역할을 담당하고 있는 두 종류의 블레이드의 에어포일 형상인 파티션과 베인 곡면을 자동으로 모델링하고, 강체해석 시스템의 입력 데이터를 생성하는 시스템을 개발하였다. 이시스템은 상용 CAD/CAM 시스템인 Unigraphics 기반으로 API와 C 언어를 이용하여 구현하였다^[4].
본 연구에서는 점 데이터를 이용한 곡면 생성 및 연장 기능 등을 활용하여 터빈발전기의 블레이드 곡면용 모델링 시스템을 개발하였다. 터빈발전기의 성능에 직접적인 영향을 끼치는 파티션과 버켓은 한 대의 터빈발전기 내에 20종 이상이 필요하다.
두 번째는 연장된 면을 포함하는 블레이드 곡면의 최종 형상을 완성하는 기능이다. 입력 데이터를 반영하는 점들 및 곡면 생성에 사용된 각종 곡선을 그대로 유지하여 곡면 생성 과정에 대한 검증이 가능하도록 하였다.

제안 방법

시스템에 의해 생성된 XYR 데이터를 화면상에 그려 주는 기능이다. XYR 데이터의 포맷 및 생성된 원호와 선분에 대한 검증을 수행한다. 또한, 각 단면 곡선의 시작 부분을 다른 색깔로 도시하여, Fig.
터빈발전기의 성능에 직접적인 영향을 끼치는 파티션과 버켓은 한 대의 터빈발전기 내에 20종 이상이 필요하다. 기본 곡면 생성과 강체해석을 위한 곡면의 연장 및 단면 정보 생성 과정은 수작업으로 진행됨으로써 상당히 많은 시간이 소요되어 이것을 자동화할 수 있는 시스템의 필요성이 절실했으며, 본 연구에서는 상용 CAD/CAM 시스템인 Unigraphics 기반에서 C 언어와 API를 이용하여 시스템을 구현하였다.
따라서 양방향의 곡선을 이용한 곡면을 생성하는 본 연구에서는 높이 방향의 곡선들을 결정된 길이만큼 연장한 곡선으로 곡면을 생성하는 것이 자연스럽다고 판단하였고, 이것을 위해 Unigraphics의 “curve length” 기능을 사용하였다.
본 연구에서는 “through curve mesh”에서 지원하는 cross string 개수의 제약과 모델링의 효율성을 고려하여 각 프로파일에서 Fig. 4의 B zone의 중간 점과 D zone의 양 끝점과 지나는 점들만을 보간하여 3개의 cross string만을 이용하였다.
본 연구에서는 Unigraphics API에서 제공하는 곡면 생성기능 중에서 “through curve mesh” 기능을 이용하였다.
본 연구에서는 각 프로파일의 점들을 지나는 곡선(primary string)과 각 프로파일의 i번째 점들을 지나는 곡선(cross string)을 만들었으며, 이들을 이용하여 블레이드 곡면을 완성하였다. Fig.
제안된 방법을 바탕으로 터빈발전기 블레이드 곡면 모델링 시스템을 개발하였다. Fig.

대상 데이터

설계 데이터는 입력된 점 데이터 중에서 높이가 같은 프로파일에 해당하는 높이에서 구한 단면 곡선 정보로서 실제 입력된 형상을 곡면이 그대로 반영하고 있는지를 검증하는 데 사용된다. 보간 데이터는 프로파일들 사이에서 구한 단면 데이터로써 단면 형상 확인뿐만 아니라 다이아 프람의 부품별 조립성 검증과 버켓 구조설계의 참고 데이터로 사용된다.
XYR 데이터는 설계 데이터와 보간 데이터로 구분된다. 설계 데이터는 입력된 점 데이터 중에서 높이가 같은 프로파일에 해당하는 높이에서 구한 단면 곡선 정보로서 실제 입력된 형상을 곡면이 그대로 반영하고 있는지를 검증하는 데 사용된다. 보간 데이터는 프로파일들 사이에서 구한 단면 데이터로써 단면 형상 확인뿐만 아니라 다이아 프람의 부품별 조립성 검증과 버켓 구조설계의 참고 데이터로 사용된다.
파티션과 베인용 점 데이터는 같은 파일에 저장되며, 각각 +z 방향으로 나열된 7개의 프로파일(profile)로 정의된다. 한 개의 프로파일은 Fig.4와 같이 에어포일 형상의 역할에 따라 4개로 구분된 영역에서 추출된 719개의 점 데이터로 구성되며, 시작점과 끝점은 같고 프로파일 내의 점들의 높이가 서로 다른 경우도 있다.

이론/모형

따라서 본 연구에서는 터빈발전기 내에서 중요한 역할을 담당하고 있는 두 종류의 블레이드의 에어포일 형상인 파티션과 베인 곡면을 자동으로 모델링하고, 강체해석 시스템의 입력 데이터를 생성하는 시스템을 개발하였다. 이시스템은 상용 CAD/CAM 시스템인 Unigraphics 기반으로 API와 C 언어를 이용하여 구현하였다^[4].

성능/효과

3) 상단과 하단 프로파일을 이루는 점들의 높이가서로 다르거나 설계자의 필요에 따라 곡면을 연장해야 하면 각 프로파일의 i번째 점들을 보간한 곡선을 입력된 길이만큼 균일하게 연장한다. 이 경우 연장된 곡선의 끝점들을 보간한 새로운 곡선이 “through curve mesh”의 primary string으로 추가된다.
본 시스템은 수년간 현업에 적용되어, 공력설계 시스템에서 생성된 점 데이터를 입력받아 블레이드 곡면과 강체해석용 입력 데이터를 자동 생성함으로써 대부분의 수작업 요소를 제거하는 효과를 보게 되었다. 이를 통해 설계 시간의 대부분을 성능과 구조 개선 등 블레이드 설계의 질적 향상을 위해 투입할 수 있는 환경이 조성되었다.
본 연구에서는 Unigraphics의 “simplify” 기능을 이용하는데 허용오차와 근사할 곡선을 입력하면 원호와 선분을 얻을 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	다이아프람(diaphragm)이란 무엇인가	터빈발전기에는 고정 블레이드와 회전 블레이드가 있으며, 각각 이들을 파티션(partition)과 버켓(bucket)이라고 한다. 에어포일(airfoil) 형상의 파티션은 아우터 링(outer ring)과 이너 링(inner ring) 사이에 원형으로 조립되는데, 이 조립품을 다이아프람(diaphragm)이라고 한다. 버켓은 Fig.
	공력설계시스템에서 에어포일 형상이 점 데이터로 출력될 경우 문제는 무엇인가	공력설계시스템에서 정의된 에어포일 형상은 3차원 모델링 이후, 강체해석을 통하여 최종 형상이 결정된다. 그런데 본 연구에서와 같이 에어포일 형상이 점 데이터로 출력될 경우, 많은 점 데이터의 입력과 곡면 생성의 수작업을 대체할 자동 모델링 기능이 요구되며, 강체해석 시스템에 입력하는 에어포일의 단면 정보 생성 역시 수작업에 의한 처리가 힘들다. 따라서 본 연구에서는 터빈발전기 내에서 중요한 역할을 담당하고 있는 두 종류의 블레이드의 에어포일 형상인 파티션과 베인 곡면을 자동으로 모델링하고, 강체해석 시스템의 입력 데이터를 생성하는 시스템을 개발하였다.
	터빈발전기의 종류 두가지는 무엇인가	터빈발전기에는 고정 블레이드와 회전 블레이드가 있으며, 각각 이들을 파티션(partition)과 버켓(bucket)이라고 한다. 에어포일(airfoil) 형상의 파티션은 아우터 링(outer ring)과 이너 링(inner ring) 사이에 원형으로 조립되는데, 이 조립품을 다이아프람(diaphragm)이라고 한다.

참고문헌 (10)

Kim, Y. I., Kim, L. R. and Jun C. S., "Parametric design of a part with free-from surfaces", Journal of Zhejiang of University SCIENCE A, Vol. 7, No. 9, pp. 1530-1534, 2006.

상세보기
Kim, Y. I., Kim, D. S. and Jun, C. S., "A CAD/CAM System for Steam Paths of Turbine Generators", Korean Journal of Computational Design and Engineering, Vol. 10, No. 4, pp. 254-261, 2005.
Cotton, K. S., "Evaluation and improving steam turbine performance", Cotton Fact Inc., pp. 37-67, 1993.
Unigraphics, Open/API Reference Guide NX11, EDS, pp. 1-205, 2017.
Choi, B. K. et al., "CAD/CAM System and CNC machining", SciTech, pp. 402-403, 2001.
Jun, C. S., Ju, S. Y. and Jeon, M. G., " $VC^2$ Chord-Length Spline Surface Using Hermite Interpolant", Journal of the Korean Institute of Industrial Engineers, Vol. 20, No. 1, pp. 87-98, 1994.
Lee, J. H. and Lee, C. S., "A Study on Geometric Modeling and Generation of 4-axis NC Data for Single Setup of Small Marine Propeller", Korean Journal of Computational Design and Engineering, Vol. 7, No. 4, pp. 254-261, 2002.
Piegl. L. and Tiller. W., "The NURBS book". Springer-Verlag, pp. 5-35, 1997.
Shetty S. and White PR., "Curvature-continuous extensions for rational B-spline curves and surfaces", Computer-Aided Design, Vol. 23, No. 7, pp. 484-491, 1991.

상세보기
Hu. S. M., Tai. C. L. and Zhang. S. H., "An extension algorithm for B-splines by curve unclamping", Computer-Aided Design, Vol. 34, pp. 415-419, 2002.

상세보기

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

점 데이터를 이용한 블레이드 곡면 모델링 시스템 개발
Development of Blade Surface Modeling System Using Point Data 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

질의응답

참고문헌 (10)

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

점 데이터를 이용한 블레이드 곡면 모델링 시스템 개발 Development of Blade Surface Modeling System Using Point Data 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

질의응답

참고문헌 (10)

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

점 데이터를 이용한 블레이드 곡면 모델링 시스템 개발
Development of Blade Surface Modeling System Using Point Data 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper