[논문]대면적 표면처리용 광폭 임펠러의 경량 설계 및 구조적 안정성

김태형; 정준형; 차준명; 석태현; 이세창

doi:10.5855/energy.2020.29.3.018

대면적 표면처리용 광폭 임펠러의 경량 설계 및 구조적 안정성
Lightweight Design and Structural Stability of Wide Impeller for Lage-area Surface Treatment 원문보기

에너지공학 = Journal of energy engineering, v.29 no.3, 2020년, pp.18 - 24

김태형 (청주대학교 항공학부 항공기계공학전공) , 정준형 (청주대학교 항공학부 항공기계공학전공) , 차준명 (청주대학교 항공학부 항공기계공학전공) , 석태현 (청주대학교 항공학부 항공기계공학전공) , 이세창 (지엠테크 기술연구소)

초록
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본 연구에서는 유한요소해석을 통해 대면적 표면처리가 가능한 경량 광폭 임펠러를 설계하였으며 구조적 안정성을 확인하였다. 먼저 위상최적화를 통해 경량 브라켓 해석모델을 수립하였으며, 구조해석을 통해 최적의 모델을 선정하였다. 3차원 경량 광폭 임펠러의 굽힘변형 해석을 수행하였으며 허용변형량 범위에 포함되었다. 또한 진동해석을 수행하여 1차 모드 고유진동수를 얻었으며 위험속도식에 대입하여 안전 운전속도(RPM) 기준을 제시하였다. 궁극적으로 본 연구의 해석적 기법이 경량 광폭 임펠러 설계에 유효함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a lightweight wide impeller for large-area surface treatment was designed and structural stability was confirmed based on finite element(FE) analysis. A lightweight bracket FE model was established through topology optimization, and the optimal FE model was selected after structural analysis. The bending deformation FE analysis was performed, and bending deformation was included in the allowable deformation range. In addition, FE modal analysis was performed, and the range of safe speed(RPM) by rotation was suggested. Ultimately, it was confirmed that this analytical technique is effective for design the lightweight wide impeller.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1. The wide impeller model
그림 Fig. 2. 2D FE mesh and boundary conditions
그림 Fig. 3. Convergence of equivalent stress with element size
그림 Fig. 4. Structural analysis result using the 2D FE model
그림 Fig. 5. Design region for topology optimization
표 Table 1. Mass reduction rate(%) of bracket FE model
그림 Fig. 6. Shapes of FE bracket model after topology optimization
그림 Fig. 7. Redesigned FE bracket model after topology optimization
그림 Fig. 8. Distribution of equivalent stress with bracket thickness
그림 Fig. 9. Lightweight FE impeller model
그림 Fig. 10. FE Mesh
그림 Fig. 11. Equivalent stress of the 3D lightweight impeller model
표 Table 2. Equivalent stress with bracket numbers
그림 Fig. 12. Load and boundary conditions
그림 Fig. 13. Equivalent deformation result of 3D light-weight impeller model
표 Table 3. Modal analysis result

AI 본문요약
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문제 정의

⁽⁵⁾ 그러나 일반적으로 임펠러 블레이드는 그 폭이 좁아 발전설비용 부품과 같이 대면적 표면처리를 위해서는 공정시간이 상당히 소요되며 임펠러 폭 만큼 표면처리 후 부품을 이동시켜 미처리된 부위를 표면처리 하는데 이때 중첩된 표면처리 부위에서 불규칙한 줄무늬를 발생시키고 균질하지 못한 표면상태를 만든다.⁽⁶⁾ 이와 같은 이유로 본 연구에서는 면적이 넓은 부품 및 소재의 표면처리를 위한 광폭 임펠러를 개발하고자 한다. 기존 폭이 좁은 임펠러와 달리 폭이 넓은 임펠러의 경우 그만큼 무게가 증가하고 임펠러 축의 길이가 상대적으로 증가한다.
기존 폭이 좁은 임펠러와 달리 폭이 넓은 임펠러의 경우 그만큼 무게가 증가하고 임펠러 축의 길이가 상대적으로 증가한다. 따라서 본 연구에서는 임펠러의 무게 경감과 회전에 의한 진동 및 위험속도를 모두 고려한 최적의 경량설계 및 구조적 안정성 검토가 반영되었다. 임펠러 경량 설계 시 위상최적화 설계 기법을 적용하였으며⁽⁷⁾, 임펠러 회전에 의한 진동 및 위험속도 분석을 위해 유한요소 진동해석을 수행하였다.
본 연구에서는 유한요소해석을 통해 발전설비용 대면적 부품들의 표면처리가 가능한 경량 광폭 임펠러를 설계하였으며 결과는 다음과 같다.
통상적으로 회전체 축의 휨 경사각이 과도하게 큰 경우 축을 지지하는 베어링 체결 부위에서 굽힘모멘트가 크게 발생되며 베어링의 수명을 급격히 감소시켜 결국 진동이 커지면서 축 및 기계파손으로 이어진다^[8]. 이에 본 연구에서는 유한요소해석을 수행하여 경량 임펠러 해석 모델의 굽힘변형량을 확인한 후 구조적 안정성을 검토하였다. 통상적으로 등분포 하중을 받는 전동축의 경우 식 (1)과 같이 단위 길이 1m당 처짐량이 0.
이와 같은 이유로 본 연구에서는 경량 임펠러 해석모델의 진동해석을 통해 고유진동수를 얻은 후 위험속도와의 관계를 살펴보았다. Table 3은 진동 해석 후 해석모델의 1차 모드부터 10차 모드의 고유진동수를 보여준다.

제안 방법

(1) 임펠러를 구성하는 브라켓 부속품에 대한 2차원 해석모델을 수립하여 위상최적화 옵션을 적용한 후 광폭 임펠러의 경량 설계를 수행하였다. 해석 후 브라켓의 질량이 90%, 80%, 70%가 되는 해석모델들을 1차 유효 경량모델로 선정하였다.
(3) 2차 유효 경량모델을 이용하여 축에 설치할 수 있는 최적의 유효 브라켓 개수를 결정하고자 구조해석을 수행하였으며, 해석 후 브라켓 개수가 6개이고 폭이 18mm인 광폭 임펠러를 최종 최적의 경량 모델로 선정하였다.
(5) 고속회전에 의한 경량 임펠러 모델의 운전속도(RPM) 기준을 정하기 위해 진동해석을 수행하였다. 해석 후 1차 모드 고유진동수 153.
Fig. 3의 (a)는 유한요소망을 보여준 것으로 브라켓 돌출부의 고정단은 Vertex Sizing 옵션을 이용하여 조밀하게(요소 크기 Le=0.1mm) 구성하였으며 그 외의 영역은 Face Sizing 옵션을 이용하여 조대하게(요소크기 Le=1mm)구성하였다. Fig.
1차 경량 모델로 선정한 세 브라켓 해석모델들의 구조적 안정성을 검토하기 위해 구조해석을 수행하였다. 이때 해석모델은 내부 면적이 제거된 부위가 불규칙하고 거칠기 때문에 Fig.
식 (2)에 진동해석 후 얻은 1차 모드 고유진동수를 대입하면 위험속도를 알 수 있으며, 이로부터 ±25% 이상의 회전수로 회전시키면 안정된 운전이 가능하다. 경량 임펠러의 투사성능을 고려하여 본 연구에서는 1차 고유진동수의 125% 이상이 되는 고유진동수를 반영하였다. 임펠러의 1차 고유진동수가 153.
임펠러 축 길이는 1580mm이며 축의 원활한 회전을 위해 양단에 베어링이 삽입된다. 베어링과 베어링 사이의 축을 동일한 간격으로 5등분 하여 블레이드를 체결할 수 있도록 6개의 브라켓을 설치하였으며 중심은 축과 용접됨을 고려하여 일체형으로 모델링 하였다. 브라켓은 6개의 블레이드를 체결할 수 있도록 외팔보 형상으로 돌출되어 있으며 두께는 20mm이다.
5는 유한요소해석에 기초한 경량 설계를 위해 위상최적화 옵션을 적용하기 위한 방법을 보여준다. 블레이드를 제외하고 브라켓 중심의 곡면이 포함된 면적과 직사각형 모양의 돌출부 면적으로 구분되고, 이를 외곽으로부터 6mm씩 안쪽으로 간격 이동(offset)시켜 닮은꼴 형상의 작은 면적들로 영역을 구분하였다. 이들 안쪽 면적들을 위상최적화 영역으로 지정하였으며 해석 후 제거된 면적을 계산하여 브라켓의 경감된 무게를 산출하였다.
9는 2차 선정 유효 경량 브라켓 모델을 포함한 3차원 광폭 임펠러 부품의 해석모델을 보여준다. 이 경량 모델을 이용하여 광폭 임펠러의 무게 감소로 인한 구조적 안정성을 확인하고자 구조해석을 수행하였다. 해석모델은 실제 블라스팅 장비의 최대 회전수를 고려하여 3000 RPM을 입력하였으며, 경계조건으로써 축 양단 원통면에 Cylindrical Support를 적용하여 원주방향으로 변위를 구속하였고 축의 양 끝단은 축 방향 변위를 구속하였다.
블레이드를 제외하고 브라켓 중심의 곡면이 포함된 면적과 직사각형 모양의 돌출부 면적으로 구분되고, 이를 외곽으로부터 6mm씩 안쪽으로 간격 이동(offset)시켜 닮은꼴 형상의 작은 면적들로 영역을 구분하였다. 이들 안쪽 면적들을 위상최적화 영역으로 지정하였으며 해석 후 제거된 면적을 계산하여 브라켓의 경감된 무게를 산출하였다. Table 1은 위상최적화 해석 후 질량 감소율에 따른 브라켓 해석모델의 질량 변화를 보여주며, Fig.
1차 경량 모델로 선정한 세 브라켓 해석모델들의 구조적 안정성을 검토하기 위해 구조해석을 수행하였다. 이때 해석모델은 내부 면적이 제거된 부위가 불규칙하고 거칠기 때문에 Fig. 7과 같이 곡선과 직선으로 매끄럽게 리모델링 되었으며 브라켓 모델의두께를 20mm-12mm까지 2mm씩 감소시켜가며 해석을 수행하였다. Fig.
따라서 본 연구에서는 임펠러의 무게 경감과 회전에 의한 진동 및 위험속도를 모두 고려한 최적의 경량설계 및 구조적 안정성 검토가 반영되었다. 임펠러 경량 설계 시 위상최적화 설계 기법을 적용하였으며⁽⁷⁾, 임펠러 회전에 의한 진동 및 위험속도 분석을 위해 유한요소 진동해석을 수행하였다. 이로부터 광폭 임펠러 부품의 경량 설계를 위한 유한요소해석 기법이 유효함을 확인하였다.
(1) 임펠러를 구성하는 브라켓 부속품에 대한 2차원 해석모델을 수립하여 위상최적화 옵션을 적용한 후 광폭 임펠러의 경량 설계를 수행하였다. 해석 후 브라켓의 질량이 90%, 80%, 70%가 되는 해석모델들을 1차 유효 경량모델로 선정하였다.
이와 같이 보수적으로 설계하면 임펠러의 회전에 대해 더욱 안전할 수 있다. 해석모델에 자중 효과를 반영하기 위해 Standard Earth Gravity 옵션을 적용하였으며 임펠러의 회전수 0 및 3000RPM을 적용하였다. Fig.
이 경량 모델을 이용하여 광폭 임펠러의 무게 감소로 인한 구조적 안정성을 확인하고자 구조해석을 수행하였다. 해석모델은 실제 블라스팅 장비의 최대 회전수를 고려하여 3000 RPM을 입력하였으며, 경계조건으로써 축 양단 원통면에 Cylindrical Support를 적용하여 원주방향으로 변위를 구속하였고 축의 양 끝단은 축 방향 변위를 구속하였다.

대상 데이터

(2) 1차 선정 브라켓 모델을 이용하여 구조해석을 수행하였으며 해석 후 소재의 항복강도 343MPa를 기준으로 질량이 최대로 감소되면서 구조적으로 안정된 두께 18mm 및 16mm의 질량 70% 해석모델을 2차 유효 경량모델로 선정하였다.
블레이드는 넓고 긴 폭을 갖는 판재 형상이며 가로, 세로, 폭이 각각 1390mm, 79mm, 6mm이다. 기본 광폭 임펠러의 재질은 기계구조용 탄소강재 SM45C이며, 탄성계수 200GPa, 푸아송의 비 0.3, 항복강도 343MPa, 인장강도 569MPa을 적용하였다.
이와 달리 두께가 18mm인 경우, 브라켓 개수가 6개, 8개, 10개 모두 유효응력이 항복강도보다 작아 만족한 범위에 포함되나 이들 중 가장 무게를 경감시킬 수 있는 브라켓 개수는 6개이다. 따라서 본 연구에서는 브라켓의 폭이 18mm이면서 축에 6개가 장착된 광폭 임펠러를 최종 최적의 경량 모델로 선정하였다. Fig.
8은 브라켓 두께(t) 변화에 따른 질량 100%, 90%, 80%, 70% 경량 모델들의 최대 유효응력을 보여준다. 본 연구에 사용된 SM45C 소재의 항복강도 343MPa를 기준으로 최대의 질량감소 및 구조적 안정성이 양호한 두께 18mm 및 16mm의 질량 70% 해석모델을 2차 유효모델로 선정하였다.
6는 해석 후 기본 브라켓의 질량에 해당하는 해석모델의 면적밀도(A_f, Area fraction, %) 및 형상들을 보여준다. 본 연구에서는 브라켓의 질량(=면적밀도)이 약 2.5kg(A_f=90%), 2.23kg(A_f=80%), 2.0kg(A_f=70%)가 되는 해석모델들을 1차 경량 브라켓 형상으로 선정 하였다.
10은 해석모델의 유한요소망을 보여준다. 유한요소망은 4면체 요소를 사용하여 구성하였으며 사용된 절점의 개수는 2,581,967개, 요소의 개수는 1,724,832개이다. 2차원 브라켓 구조해석으로부터 브라켓 돌출부 고정단에서의 최대 응력을 고려하여 3차원 해석모델에서도 동일한 조건으로 고정단은 조밀하게, 기타 영역은 조대하게 구성하였다.
1mm이하에서 유효응력이 220MPa로 수렴된다. 이로부터 브라켓의 경량 설계를 위한 해석모델의 최소 요소 크기를 0.1mm로 선정하였다. Fig.
따라서 축에 설치할 수 있는 최적의 유효 브라켓 개수를 결정할 필요가 있다. 이에 본 연구에서는 두께 t가 각각 16mm일 때와 18mm일 때 브라켓의 개수를 4개, 5개, 6개, 8개, 10개가 설치된 임펠러 해석모델을 수립하였다. Table 2는 해석 후 최대 유효응력 값들을 보여준 것으로 재료의 항복강도를 기준으로 구조적 안정성을 살펴 보았다.
1은 3차원 광폭 임펠러 기본 형상을 보여준다. 임펠러 축 길이는 1580mm이며 축의 원활한 회전을 위해 양단에 베어링이 삽입된다. 베어링과 베어링 사이의 축을 동일한 간격으로 5등분 하여 블레이드를 체결할 수 있도록 6개의 브라켓을 설치하였으며 중심은 축과 용접됨을 고려하여 일체형으로 모델링 하였다.

이론/모형

2는 광폭 임펠러의 무게 경감을 위한 2차원 1/6 대칭의 브라켓 유한요소 모델을 보여준다. 본 연구에서는 상용 유한요소해석 소프트웨어인 Ansys Workbench 2019 버전을 사용하였다. Fig.

성능/효과

(4) 경량 임펠러 모델에 중력과 회전수를 반영하여 해석 후 최대변형량 및 중력 방향 변형량 모두 설계 허용변형량 0.474mm보다 작아 구조적으로 안정됨을 확인하였다.
임펠러 경량 설계 시 위상최적화 설계 기법을 적용하였으며⁽⁷⁾, 임펠러 회전에 의한 진동 및 위험속도 분석을 위해 유한요소 진동해석을 수행하였다. 이로부터 광폭 임펠러 부품의 경량 설계를 위한 유한요소해석 기법이 유효함을 확인하였다.
(5) 고속회전에 의한 경량 임펠러 모델의 운전속도(RPM) 기준을 정하기 위해 진동해석을 수행하였다. 해석 후 1차 모드 고유진동수 153.21 Hz보다 25% 높은 191.5 Hz를 얻었고 고유진동수와 위험속도의 관계식에 대입하여 유효 운전속도(RPM)를1829.7 RPM 이상으로 제안하였다.
Table 2는 해석 후 최대 유효응력 값들을 보여준 것으로 재료의 항복강도를 기준으로 구조적 안정성을 살펴 보았다. 해석 후 4개 및 5개의 브라켓이 장착된 광폭 임펠러 모델들은 소재의 항복강도 343MPa보다 모두 높은 응력 값을 주어 구조적 안정성을 갖지 못한다. 또한 브라켓 두께가 16mm이고 개수가 6개인 해석모델 역시 유효응력이 크기 때문에 구조적으로 안정되지 못함을 알 수 있다.
13은 해석 후 굽힘변형량을 보여준다. 해석 후 중력 방향으로 임펠러의 굽힘변형을 확인하였으며, 임펠러 축의 중심에서 최대 변형량을 주었다. (a)는 임펠러가 회전하지 않는 경우로써 최대굽힘변형량은 0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	임펠러 블레이드의 문제점은 무엇인가?	이와 같은 임펠러형 블라스팅 공정은 그릿 또는 글래스 비드를 연마재로 사용하며 임펠러의 회전에 의해 발생되는 원심력에 의해 연마재들이 투사되어 제품 표면을 타격해 오염된 부위를 표면처리 할 수 있다.(5) 그러나 일반적으로 임펠러 블레이드는 그 폭이 좁아 발전설비용 부품과 같이 대면적 표면처리를 위해서는 공정시간이 상당히 소요되며 임펠러 폭 만큼 표면처리 후 부품을 이동시켜 미처리된 부위를 표면처리 하는데 이때 중첩된 표면처리 부위에서 불규칙한 줄무늬를 발생시키고 균질하지 못한 표면상태를 만든다.(6) 이와 같은 이유로 본 연구에서는 면적이 넓은 부품 및 소재의 표면처리를 위한 광폭 임펠러를 개발하고자 한다.
	블라스팅 공정은 무엇을 위해 이용되는가?	이들 중 터빈 블레이드나 베인 및 기타 관련 부품들은 형상이 복잡하고 기하학적인 표면을 가지지만 그 외 터빈 축이나 터빈 휠, 하우징 및 케이싱 등은 그 규모가 크고 넓은 면적을 갖는다. 발전소에서 터빈의 반복된 기동 정지 후 정기 유지보수 기간이 도래되면 발전 설비 부품들의 표면에 쌓인 이물질이나 녹 등을 제거해야 한다. 이를 위해 블라스팅 공정이 적용되는데(1-4) 통상적으로 노즐형 블라스팅 공정과 임펠러형 블라스팅 공정이 이용된다.
	블라스팅 공정에는 무엇이 있는가?	발전소에서 터빈의 반복된 기동 정지 후 정기 유지보수 기간이 도래되면 발전 설비 부품들의 표면에 쌓인 이물질이나 녹 등을 제거해야 한다. 이를 위해 블라스팅 공정이 적용되는데(1-4) 통상적으로 노즐형 블라스팅 공정과 임펠러형 블라스팅 공정이 이용된다. 노즐형 블라스팅은 부품들이 작고 협소한 공간에 유용하며 그 외 넓은 면적에는 임펠러를 사용한 블라스팅 공정이 효과적이다.

참고문헌 (9)

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상세보기
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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].

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