[논문]극저온용 액중펌프 구조해석에 관한 연구

진도훈; 이중섭

doi:10.21289/ksic.2020.23.5.727

[국내논문] 극저온용 액중펌프 구조해석에 관한 연구
A Study on the Structural Analysis of Cryogenic Submerged Pump 원문보기

한국산업융합학회 논문집 = Journal of the Korean Society of Industry Convergence, v.23 no.5, 2020년, pp.727 - 733

진도훈 (부산가톨릭대학교 산업보건학과) , 이중섭 (한국승강기대학교)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, reciprocating cryogenic pumps are mainly developed for small-and-mid sized fuel supply systems. Centrifugal type pumps are not actively developed. Most cryogenic submerged pumps are imported. For transportation, cryogenic liquefied natural gas requires the liquid pump technology that can works in extreme evironments. In order to transport liquefied natural gas, it is necessary to apply pump technology. This is the fundamental research for developing the submerged pump technology applicable to the transportation and storage system equipment of cryogenic liquefied system. It tries to secure basic design materials through reverse-engineering in the cryogenic submerged pump development. Regarding materials, STS-304 and STS-431 which are stainless materials widely used in the cryogenic area are applied. Aluminum alloy is applied to impeller and upper manifolder and the pump rotates at the high speed of 6,000rpm.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1 Applications for small scale LNG filling system
그림 Fig. 2 Configurations of cryogenic submerged pump
그림 Fig. 3 Working fluid movement path
표 Table 1. Specification of cryogenic submerged pump
그림 Fig. 4 Result of structural analysis at impeller and shaft
그림 Fig. 5 Boundary and load conditions
그림 Fig. 6 Results of structural analysis at pump housing
표 Table 2. Properties of material
표 Table 3. Bearing load at bearing point 1 and 2
그림 Fig. 7 Result of principal stress at impeller and key slot
그림 Fig. 8 Boundary condition of loading sequence at impeller
그림 Fig. 9 Result of damage distribution at key slot
표 Table 4. Results of fatigue life

AI 본문요약
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문제 정의

액화천연가스의 이송을 위해 펌프기술의 적용이 필요한 실정이다. 따라서본 연구는 Fig. 1과 같이 극저온 액체시스템의 이송 및 저장장치에 적용할 수 있는 액중펌프 기술 개발을 위한 기초연구로서 극저온용 액중펌프 개발에 따른 기초설계 자료를 확보하고자 한다.[6-11]
본 연구에서는 LNG 펌프가 운전중 발생되는 하중이 베어링이 고정된 각각의 매니폴드 및 하우징에 어떠한 영향을 미치는지 구조해석을 통해 설계의 타당성을 살펴보고자 한다.
LNG 펌프는 회전운동을 하는 모터로부터 토크를 전달받아 임펠러를 회전시키고 그로 인해 흡입력을 발생시키는 구조로 구성되어 있다. 본 연구에서는 액중펌프의 임펠러 및 축에 대한 구조해석을 통해 발생되는 응력 및 변형량을 분석하고 축에 위치하고 있는 두 개의 베어링에서 발생되는 반력을 도출하고자 한다. 임펠러와 샤프트의 물성치는 Table 2와 같다.

가설 설정

연구과정은 첫 번째로 임펠러 추력계산을 수행하였으며 이는 흡입되는 유체의 유량에 의해 발생 되는 하중을 가정하여 도출하였다. 두 번째로 임펠러 및 축에 대한 구조해석을 수행하였으며, 모터의 최대토크와 임펠러에 발생하는 하중을 경계 조건으로 선정하고 이때 발생되는 베어링 하중을도출하였다.
작동유체는 -161℃의 LNG로 비압축성 유체로 가정하고, 펌프 내부에서 발생하는 손실은 “0”으로 가정하였다.

제안 방법

연구과정은 첫 번째로 임펠러 추력계산을 수행하였으며 이는 흡입되는 유체의 유량에 의해 발생 되는 하중을 가정하여 도출하였다. 두 번째로 임펠러 및 축에 대한 구조해석을 수행하였으며, 모터의 최대토크와 임펠러에 발생하는 하중을 경계 조건으로 선정하고 이때 발생되는 베어링 하중을도출하였다. 마지막으로 메니폴더 및 하우징 구조 해석을 수행하였고, 임펠러 및 축의 구조해석을 통해 도출된 베어링 하중을 베어링이 고정되는 지점에 적용하였다.
두 번째로 임펠러 및 축에 대한 구조해석을 수행하였으며, 모터의 최대토크와 임펠러에 발생하는 하중을 경계 조건으로 선정하고 이때 발생되는 베어링 하중을도출하였다. 마지막으로 메니폴더 및 하우징 구조 해석을 수행하였고, 임펠러 및 축의 구조해석을 통해 도출된 베어링 하중을 베어링이 고정되는 지점에 적용하였다.
따라서 저주기 내구피로수명평가를 위한 임계 평면방법은 다축 상태의 응력조건의 구조물의 저 주기 내구피로손상을 비교적 정확한 수명평가가 가능하다. 본 연구에서는 Fig. 7의 결과에서 임펠러 응력집중부위에 다축응력상태가 확인됨에 따라 임계 평면법을 사용한 저주기피로수명평가를 수행하였다.
임펠러에 발생되는 추력을 구하는 가장 좋은 방법은 시험을 통해 측정하는 것이다. 하지만 현재 개발단계에서 시험을 통해 임펠러의 추력을 측정하기 어려움으로 아래와 같은 가정하에 임펠러에서 발생되는 추력을 계산하여 도출하고자 한다. 작동유체는 -161℃의 LNG로 비압축성 유체로 가정하고, 펌프 내부에서 발생하는 손실은 “0”으로 가정하였다.

대상 데이터

그 외 작동원리는 일반적인 액 중펌프와 동일하다. 재질은 대부분 극저온 분야에서 널리 이용되고 있는 스테인리스 316L 계열 대신 알루미늄 합금을 적용하고 있었다. 본 연구 대상인 극저온 액중펌프의 성능은 Table.

성능/효과

1) 액중펌프에서 발생되는 반력은 약 282N이고, 각각의 임펠러에 약 141N의 축방향 추력이 발생되는 것을 확인하였다.
2) 액중펌프의 임펠러와 샤프트에 대한 구조해석을 수행한 결과 14.6MPa의 응력이 샤프트에서 발생하였고, 전체변형량은 약 0.002mm였다.
3) 액중펌프 하우징의 베어링 지점에 대한 경계 조건을 부여하기 위하여 베어링하중을 도출한 결과 베어링 1지점에서 최대 281N과 베어링 2지점에서 약 0.4N의 베어링 하중이 발생할 때 하우징에서 약 0.65MPa의 응력이 발생함을 확인할 수 있었다.
4) 임펠러에 대한 수명을 예측하기 위하여 다축 저 주기 내부피로수명 평가를 수행한 결과 4.292×10⁷ cycle의 내구피로수명이 예측되었다.
Fig. 6과 같이 구조해석 결과를 살펴보면 매니 폴더 및 모터하우징에 발생되는 최대등가응력은약 0.65 MPa 발생하며, 전체 변형량은 베어링이 결합되는 부위에서 약 0.0007mm 발생됨을 확인할 수 있다.
압축성분이 내구 피로수명에 좋은 효과를 나타내는 것으로 반영하기 위하여 주응력을 등가응력으로 정의할 수 있다. 결론적으로 Fig. 7과 같이 보어 부위의 key slot 부위에서 최대응력이 나타났으며, 원심하중과 토크하중이 동시에 작용하는 실제 운용조건에서 최대응력부위에 27.9MPa 나타남을 확인할 수 있었다.
임계평면법을 사용하여 저주기 내구피로수명을 평가한 결과 key slot 부위에 2.330×10-8의 내구 피로손상이 계산되어 4.292×107cycle의 내구피로수명이 계산되었다.
8과 같이 수명계산을 위한 하중 이력 정의 및 각 계산점에서의 하중성분을 정의하였다. 해석결과 Fig. 9와 같은 결과를 얻을 수 있었고, 토크에 의해 응력집중이 되는 key slot 부위에 가장 큰 피로손상이 발생하지만 손상수준이 미미한 것으로 나타났다.

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