[논문]유량제어밸브 인가신호 형태가 선형펌프 방식 수중사출 시스템의 성능에 미치는 영향에 관한 수치적 연구

이선주; 최원식

doi:10.9766/kimst.2021.24.2.219

문제 정의

본 연구에서는 유량제어밸브 인가신호 형태가 선형 펌프 방식 수중사출 시스템의 성능에 미치는 영향에 대해 수치적 연구를 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
유량제어밸브는 밸브에 인가되는 신호(전압)에 따라 개도 및 유량이 조절되기 때문에, 기존 연구^[4]와 달리 본 연구에서는 밸브의 유효단면적이 아닌, 인가신호 (전압)의 형태가 시스템에 미치는 영향에 대해 연구를 수행하였다.
이를 바탕으로, 수중운동체 사출에 유리한 인가신호 형태를 제시하였다.

가설 설정

▪ 유체 물성치(property)와 각종 계수는 일정하다.

제안 방법

6과 같다. 2단 경사 형태 인가신호 사용 시 성능향상효과를 확인하기 위해 동일 조건(각 CASE 별 이탈속도를 만족하며 최대가속도가 최소)을 만족하는 단일경사형태의 인가 신호도 도출하여 두 경우의 성능을 비교하였다. 각 CASE에서인가 신호를 제외한 나머지 계산조건은 동일하다.
2단경사형태는 5가지 파라메터(Fig. 4의 V1, V2, T1, T12, T2)에 의해 그 형태가 결정되기 때문에, 각 파라메터의 변화에 따라 시스템의 성능이 어떻게 변화하는지 파라메터 연구(parametric study)를 수행하였으며 그 결과는 Fig. 5와 같다. 시스템의 성능은 수중 운동체의 최대가속도와 이탈속도로 나타내었으며, 시스템의 에너지원인 축압기의 초기 압력은 모두 같다.
▪ 2단경사형태의 유량제어밸브 인가신호에 대해 파라메터 연구를 수행하여 2단경사형태를 결정하는 각파라메터들의 변화에 따라 시스템의 성능(수중 운동체의 최대가속도 및 이탈속도)이 어떻게 변화하는지 분석하였다. 이를 바탕으로, 수중운동체 사출에 유리한 인가신호 형태를 제시하였다.
▪ 워터실린더-피스톤 사이 간극으로의 유출유량 모델추가, 유압실린더와 유랑제어밸브 모델의 간략화 및 현실화 등을 통해 개선된 선형펌프 방식 수중 사출 시스템의 수학적 모델을 개발하였으며 실험결과를 이용하여 검증하였다.
개발하였다. 본 시스템은 유량제어밸브를 어떻게 개방하느냐에 의해 시스템의 성능이 결정되기 때문에, 개선된 모델을 이용하여 유량제어밸브에 인가하는 신호의 형태에 따라 시스템의 성능이 어떻게 변화하는지 수치적으로분석하였다.
본 연구에서는 기존 연구^[4]에서 제시한 수학적 모델에서 워터실린더와 피스톤 사이 간극의 유량 유출을 추가하고, 유압실린더(hydraulic cylinder)와 유량제어 밸브 모델을 간략화 및 현실화하는 등 선형펌프 방식 수중 사출 시스템의 개선된 수학적 모델을 개발하였다. 본 시스템은 유량제어밸브를 어떻게 개방하느냐에 의해 시스템의 성능이 결정되기 때문에, 개선된 모델을 이용하여 유량제어밸브에 인가하는 신호의 형태에 따라 시스템의 성능이 어떻게 변화하는지 수치적으로분석하였다.
,e) 의 조절방법을 제시하였다. 이선주^[4]는 박인기와 정찬희^[3]의 모델에 워터실린더(water cylinder) 출구의 단면적과 압력강하를 추가하고 유량제어밸브의 개방 형태가 시스템에 미치는 영향을 분석하였다.
것이 유리함을 확인한 바 있다. 하지만 박인기와 정찬희^[3] 및 기존 연구^[4]에서 언급한 단일경사형태 (single ramp, Fig. 4에서 첫 번째 경사만 존재하는 형태)로는 이를 구현하기가 제한적이기 때문에, 본 연구에서는 Fig. 4와 같이 2단경사형태(double ramps)를 기본 형태로 선정하여 연구를 수행하였다. 단일경사 형태와 달리 2단경사형태는 초반부와 후반부의 기울기를 다르게 설정할 수 있기 때문에 앞서 언급한, 사출에 유리한 형태를 구현하기 수월하다.

이론/모형

본 연구에서는 MATLAB SIMULINK를 이용하여 Fig. 2와 같이 수학적 모델을 구현하였다. 모델의 검증을 위해 계산결과와 실험결과를 비교하였으며 그 결과는 Fig.

성능/효과

(a)와 (b)), V1이 증가할수록 수중운동체의 최대가속도는 커지지만 이탈속도는 거의 변화가 없다. 본 시스템의 특성상 초반부에 최대가속도가 발생하는데^[4], V1 이 커지면 초반부의 유량제어밸브의 유량이 증가하여 더 많은 에너지가 사용되고 결과적으로 최대가속도가 증가한다.
5 (c)와 (d)), T12이 증가할수록 이탈속도는 감소하고 최대가속도와는 무관하다. 앞서 언급했듯이 최대가속도가 초반부, 즉 T1 구간에서 발생하기 때문에 T12와 최대가속도는 무관한 것이고, T12가 증가할수록 이탈속도가 결정되는 후반부, 즉 T2 구간에서 사용할 수 있는 에너지가 줄어들기 때문에 이탈속도가 감소하는 것이다.
2단경사형태 인가신호에 대한 파라메터 연구의 결과를 바탕으로 하여, 수중운동체의 이탈속도가 0.375 (CASE 1), 0.5(CASE 2), 0.625(CASE 3)를 만족하며 최대가속도를 최소로 하는 2단경사형태 인가신호를 각각 도출하였으며 그 결과는 Fig. 6과 같다. 2단 경사 형태 인가신호 사용 시 성능향상효과를 확인하기 위해 동일 조건(각 CASE 별 이탈속도를 만족하며 최대가속도가 최소)을 만족하는 단일경사형태의 인가 신호도 도출하여 두 경우의 성능을 비교하였다.
▪ 단일경사형태와 2단경사형태의 인가신호에 대해 시스템의 성능을 비교하였으며, 2단경사형태 인가 신호사용 시 단일경사형태 대비 이탈속도는 동일하면서 최대가속도가 약 50 % 감소하였고, 사출관 내부 최대 압력은 약 16~27 % 감소하였다.
3에서 볼 수 있듯이 수중운동체의 최대가속도와 이탈속도 모두 계산결과와 실험결과가 거의 유사하다. 따라서 본 연구에서 개발한 선형펌프 방식 수중 사출 시스템의 수학적 모델은 검증되었음을 알 수 있다.
5 (a)와 (b)), V1이 증가할수록 수중운동체의 최대가속도는 커지지만 이탈속도는 거의 변화가 없다. 본 시스템의 특성상 초반부에 최대가속도가 발생하는데^[4], V1 이 커지면 초반부의 유량제어밸브의 유량이 증가하여 더 많은 에너지가 사용되고 결과적으로 최대가속도가 증가한다. 반면 이탈속도는 마지막 순간의 속도이므로 초반부 전압인 V1과는 무관하다.
7과 같다. 비교결과, CASE 1~3 모두, 단일경사형태 인가신호를 사용했을 때와 비교하여 2단경사형태 인가신호 사용 시 이탈속도는 거의 같으면서 최대가속도는 약 50 % 감소하였다.
수중운동체의 사출관 이탈 이후 관성력 확보를 위해 이탈속도는 빠를수록 좋고, 사출 중 수중운동체의 파손방지를 위해 최대가속도는 낮을수록 좋다. 이를 고려하였을 때 파라메터 연구결과를 종합하면 V1은 작게, T1은 이탈속도가 너무 느려지지 않는 한에서 크게 설정하는 것이 유리하며, T12는 없는 것이 유리하다.
위해 최대가속도는 낮을수록 좋다. 이를 고려하였을 때 파라메터 연구결과를 종합하면 V1은 작게, T1은 이탈속도가 너무 느려지지 않는 한에서 크게 설정하는 것이 유리하며, T12는 없는 것이 유리하다. 또한 V2는 가능한 크게 설정하고, T2는 크게 하는 것이 좋지만 어느 이상 커지면 최대가속도는 줄어들지 않고 이탈속도만 느려지기 때문에 주의해야 한다.

후속연구

3 참고)를 발생시키는 가장 큰 원인으로 추측된다. 본 시스템에 적용하기 적합한 마찰력 관련 경험 식이 부재하기 때문에, 향후 추가 연구를 통해 실험적으로 마찰력을 도출하여 모델에 반영할 예정이다.

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