[논문]NIMONIC 86 소재의 소형 선박디젤엔진 배기밸브 적용에 관한 비교 해석

양영준

doi:10.21289/ksic.2023.26.3.411

NIMONIC 86 소재의 소형 선박디젤엔진 배기밸브 적용에 관한 비교 해석
Comparative Analysis on Application of Exhaust Valve of Small-sized Marine Diesel Engine for NIMONIC 86 Material 원문보기

한국산업융합학회 논문집 = Journal of the Korean Society of Industry Convergence, v.26 no.3, 2023년, pp.411 - 419

양영준 (경상국립대학교 미래자동차공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, NIMONIC 86 material was tried to apply to exhaust valve for small-sized marine diesel engine. The both structural stability and thermal resistance in high temperature were needed to use the NIMONIC 86 material as exhaust valve for small-sized marine diesel eng ine. The purpose of this study is to investig ate the application of NIMONIC 86 material to exhaust valve of small-sized marine diesel engine by comparing, respectively, SUH 3 and STS 316 materials. As the results, NIMONIC 86 material has intermediate characteristics between SUH 3 and STS 316 materials in terms of the strength in condition of room temperature. Further NIMONIC 86 material was evaluated to have better characteristics than SUH 3 and STS 316 materials in terms of the thermal conductivity.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1 Location of roto cap in marine diesel engine
그림 Fig. 2 Module of roto cap and exhaust valve
그림 Fig. 3 Modeling of exhaust valve
그림 Fig. 4 Boundary condition
그림 Fig. 5 Mesh
표 Table 1. Mechanical material properties of exhaust valve
그림 Fig. 6 Examples of image of exhaust valve in case of SUH 3 and 100bar
표 Table 2. Thermal material properties of exhaust valve
표 Table 3. Analysis conditions
그림 Fig. 7 Comparative results for 3 materials according to pressure variation
그림 Fig. 8 Images in case of STS 316 and 200bar
그림 Fig. 9 Examples of result according to valve length in case of NIMONIC 86 and 100bar
그림 Fig. 10 Total temp. distribution according to temp. of valve head in case of NIMONIC 86
그림 Fig. 11 Locations of max. and min. heat flux in case of NIMONIC 86 and 800℃ of valve head
그림 Fig. 12 Comparison for max. heat flux of 3 materials according to temp. of valve head

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 NIMONIC 86 소재의 소형 선박디젤 엔진 배기밸브로의 적용 가능성 조사를 목적으로 한다. 즉 흡·배기밸브용으로 현재 일반적으로 사 용되어지고 있는 SUH 3 소재와, 산업분야에서 폭 넓게 사용되어지고 있는 STS 316 소재와의 해석적 비교를 통해 NIMONIC 86 소재의 배기밸브로 의 적용 가능성을 파악하고자 하였다.
즉 흡·배기밸브용으로 현재 일반적으로 사 용되어지고 있는 SUH 3 소재와, 산업분야에서 폭 넓게 사용되어지고 있는 STS 316 소재와의 해석적 비교를 통해 NIMONIC 86 소재의 배기밸브로 의 적용 가능성을 파악하고자 하였다.

제안 방법

NIMONIC 86 소재의 소형 선박디젤엔진 배기 밸브의 적용 가능성을 알아보기 위해 구조강도 및 열 측면에서 비교 해석을 수행하였다. 그 결과 다 음과 같은 결론을 얻었다.
내열합금은 열전도율이 낮고 고온에서 고강도를 유지해야 하는 관점에서 고찰하면, 본 해석 대상 의 NIMONIC 86 소재는 구조적 강도 측면에서 상온에서 SUH 3과 STS 316의 중간정도의 특성 을 가지며, 열적 측면에서는 SUH 3와 STS 316보 다 양호한 특성을 가지는 것으로 판단된다. 본 해 석에서는 NIMONIC 86에 대해 구조적 강도 측면 에서 상온 조건에서 해석을 수행하였다. 그러나 보다 엄밀한 결과를 얻기 위해서는 고온의 경우에 대한 강도 조사도 필요할 것으로 판단된다.

대상 데이터

따라서 여기서는 NIMONIC 86 소 재를 STS 316 및 SUH 3과 비교함에 의해 열적 특성들을 예상해 볼 수 있는 것에 의미가 있다. 내열합금은 열전도율이 낮고 고온에서 고강도를 유지해야 하는 관점에서 고찰하면, 본 해석 대상 의 NIMONIC 86 소재는 구조적 강도 측면에서 상온에서 SUH 3과 STS 316의 중간정도의 특성 을 가지며, 열적 측면에서는 SUH 3와 STS 316보 다 양호한 특성을 가지는 것으로 판단된다. 본 해 석에서는 NIMONIC 86에 대해 구조적 강도 측면 에서 상온 조건에서 해석을 수행하였다.
3에 본 연구의 해석대상인 배기밸브의 모 델링을 나타내었다. 총 길이는 279.2mm, 밸브헤 드의 직경은 61mm 등이다. 또한 상부에 직경 10.

성능/효과

열유속 관점에서 밸 브스템 리테이너 양쪽 가장자리 부분에서 최대, 밸브페이스 부분에서 최소를 나타내었다. 3 소재 를 비교하면 NIMONIC 86 소재는 STS 316과 SUH 3 보다 최대 열유속이 가장 작았다. 즉 열전 도율이 가장 작은 것으로부터 내열 성능을 잘 갖 춘 것으로 평가되었다.
결론적으로 배기밸브는 고강도 구조 및 저열전 도 특성을 갖추어야 한다. NIMONIC 86 소재는 고강도 측면에서 상온에서 SUH 3과 STS 316의 중간 특성을 가지며, 저열전도 측면에서는 SUH 3 과 STS 316보다 양호한 특성을 갖춘 것으로 평가 되었다. 고강도에 관한 정확한 결과를 얻기 위해 서는 상온이 아닌 고온 상태에서의 강도 조사도 필요하다.
결론적으로 배기밸브는 고강도 구조 및 저열전 도 특성을 갖추어야 한다. NIMONIC 86 소재는 고강도 측면에서 상온에서 SUH 3과 STS 316의 중간 특성을 가지며, 저열전도 측면에서는 SUH 3 과 STS 316보다 양호한 특성을 갖춘 것으로 평가 되었다.
구조적 강도 측면에서 본 해석대상의 배기밸브 는 벨브헤드에 압력이 가해질 경우 밸브스템 리테 이너의 양쪽 가장자리 부분부터 파손될 가능성이 가장 높았다. 또한 NIMONIC 86 소재는 STS 316 및 SUH 3와 비교하여 최대등가응력은 거의 동일함에도 불구하고 변형량이 가장 작은 것으로 부터 배기밸브의 적용 가능성은 비교적 높은 것으 로 예상되었다.
구조적 안전성 측면에서 NIMONIC 86 소재는 흡·배기밸브로 가장 일반적 으로 사용되는 SUH 3 보다 좋지 못하였으나 STS 316 보다는 양호하였다.
구조적 강도 측면에서 본 해석대상의 배기밸브 는 벨브헤드에 압력이 가해질 경우 밸브스템 리테 이너의 양쪽 가장자리 부분부터 파손될 가능성이 가장 높았다. 또한 NIMONIC 86 소재는 STS 316 및 SUH 3와 비교하여 최대등가응력은 거의 동일함에도 불구하고 변형량이 가장 작은 것으로 부터 배기밸브의 적용 가능성은 비교적 높은 것으 로 예상되었다. 구조적 안전성 측면에서 NIMONIC 86 소재는 흡·배기밸브로 가장 일반적 으로 사용되는 SUH 3 보다 좋지 못하였으나 STS 316 보다는 양호하였다.
열적 측면에서 본 해석대상의 배기밸브는 열이 가해지는 밸브헤드에서 밸브스템엔드부로 거의 선 형적으로 온도가 감소하였다. 열유속 관점에서 밸 브스템 리테이너 양쪽 가장자리 부분에서 최대, 밸브페이스 부분에서 최소를 나타내었다. 3 소재 를 비교하면 NIMONIC 86 소재는 STS 316과 SUH 3 보다 최대 열유속이 가장 작았다.
열적 측면에서 본 해석대상의 배기밸브는 열이 가해지는 밸브헤드에서 밸브스템엔드부로 거의 선 형적으로 온도가 감소하였다. 열유속 관점에서 밸 브스템 리테이너 양쪽 가장자리 부분에서 최대, 밸브페이스 부분에서 최소를 나타내었다.
3 소재 를 비교하면 NIMONIC 86 소재는 STS 316과 SUH 3 보다 최대 열유속이 가장 작았다. 즉 열전 도율이 가장 작은 것으로부터 내열 성능을 잘 갖 춘 것으로 평가되었다.

후속연구

NIMONIC 86 소재는 고강도 측면에서 상온에서 SUH 3과 STS 316의 중간 특성을 가지며, 저열전도 측면에서는 SUH 3 과 STS 316보다 양호한 특성을 갖춘 것으로 평가 되었다. 고강도에 관한 정확한 결과를 얻기 위해 서는 상온이 아닌 고온 상태에서의 강도 조사도 필요하다.
본 해 석에서는 NIMONIC 86에 대해 구조적 강도 측면 에서 상온 조건에서 해석을 수행하였다. 그러나 보다 엄밀한 결과를 얻기 위해서는 고온의 경우에 대한 강도 조사도 필요할 것으로 판단된다.

참고문헌 (10)

G. D. Park, S. K. Cho and J. M. Lee, "Improved Precision of Sensor for Pressure Measurement Inside Cylinder using Fast Median Algorithm," Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers, vol. 58, no. 3, pp. 29-34, (2021).

상세보기
M. K. Song, S. H. Park and J. D. Kim, "A Study on the Hard-facing of Exhaust Valve Face for Marine Engine using Diode Laser(I)," Transaction of the Korean Society of Mechanical Engineers A, vol. 42, no. 12, pp. 1159-1164, (2018).
K. M. Kim and W. C. Kim, "Thermophysical Properties of Nickel-based Superalloy CM247LC," Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B, vol. 44, no. 10, pp. 619-625, (2020).

상세보기
M. H. Cho, "The Creep Behavior of Heat Treated and Carburized Nimonic 86," Journal of the Korean Institute of Metals, vol. 24, no. 8, pp. 862-869, (1986).
N. Y. Chung and C. H. Park, "Analysis of Residual Stress Singularities on Interfaces of Friction Welded SUH35/SUH3," Transaction of the Korean Society of Automotive Engineers, vol. 13, no. 5, pp. 104-111, (2005).
N. Y. Chung and C. H. Park, "Strength Evaluation of Friction Welded SUH35/SUH3 Considering Stress Singularity," Transaction of the Korean Society of Automotive Engineers, vol. 14, no. 3, pp. 59-67, (2006).
Y. S. Kim, S. Y. Lee, J. Y. Do, S. H. Ahn and K. W. Nam, "Mechanical Properties and Immersion Characteristics of Sensitinized STS310S, STS316L and STS347H in the Range of 480~720℃," Journal of the Korean Society for Power System Engineering, vol. 20, no. 3, pp. 43-50, (2016).
C. Y. Park, K. H. Gu and K. W. Nam, "Reliability Improvement for Fatigue Characteristics of STS316L Steel using Surface Crack Non-damaging Technology," Transaction of the Korean Society of Mechanical Engineers A, vol. 45, no. 9, pp. 741-749, (2021).

상세보기
J. H. Kim, Y. T. Oh, H. B. Park, D. H. Lee, H. J. Kim, U. J. Kim and D. S. Shim, "Surface Quality and Corrosion of Additively Manufactured STS316L Treated by Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, vol. 19, no. 8, pp. 94-103, (2020).
H. Yoo and Y. J. Yang, "Study on Structural Analys is of Roto Cap for Dies el Engine of Ship," Journal of the Korean Society of Mechanical Technology, vol. 23, no. 2, pp. 173-180, (2021).

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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