[논문]2D 유한요소 해석을 통한 Water injection pump의 동특성 분석

이종명; 김용휘; 김준호; 최현철; 최병근

2D 유한요소 해석을 통한 Water injection pump의 동특성 분석
Analysis of dynamics characteristics of water injection pump through the 2D finite element 원문보기

이종명 (경상대학교 에너지기계공학과) , 김용휘 (경상대학교 에너지기계공학과) , 김준호 (효성 굿 스프링스 기술연구소 기술연구1팀) , 최현철 (효성 굿 스프링스 기술연구소 기술연구1팀) , 최병근 (경상대학교 에너지기계공학과)

After drilling operations at the offshore plant to production to crude oil to high pressure. After that time the low pressured of pipe inside when the secondary produce so oil recovery is reduced. At that time injection sea water at the pipe inside through water injection pump that the device Increase recovery so to be research and development at many industry. So developing 3-stage water injection pump at the domestic company. A variety of mathematical analysis during the detailed design analysis was not made through the dynamics characteristic. In this paper, a 2D finite element analysis is performed through the dynamics of the present study was the validation of the model.

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문제 정의

Static Unbalance는 가장 위험한 조건에서의 불평형력에 의한 변위를 보고자 함이고 Couple Unbalance 는 Out of phase 통해 2X 성분이 미치는 영향에 대해서 확인 하고자 한다. Static Unbalance 해석 결과 Whirling motion 은 Fig.
따라서, 수학적 동특성 해석을 통하여 개발펌프에 대한 신뢰성을 확보하여야 한다. 그러므로 본 연구는 2D 유한요소 해석⁽²⁾으로 Water injection pump의 동특성해석을 통하여 제품의 신뢰성을 확보하고자 한다.
따라서 이를 국산화 개발 펌프로 대체 한다면 관련 부품 및 소재산업 발전, 국내 해양 플랜트 산업의 경쟁력 강화, 그리고 수입 대체로 인한 경제적 파급 효과가 클 것이라고 예상된다. 본 논문은 국내 한 기업에서 Water injection pump를 개발하고 있으며 개발과정 중 펌프의 구조 및 동특성이 이론적으로 파악되지 못한 상황이다. 일반적으로 회전체는 상세 설계과정에서 다양한 수학적 해석을 필요로 하며 동특성 평가가 이루어지는데 이러한 평가 없이 제작될 경우 불안정한 진동과 소음이 발생할 가능성이 높다.

제안 방법

Gear의 맞물림으로 발생하는 저항으로 인해 발생되는 Torsional Eigenvalue를 4장의 식(6)을 통하여 계산된 강성을 적용하여 연성 해석을 수행하였다. 해석결과 Fig.
구동 속도가 증가할수록 고유진동수가 증가하는 것을 볼 수 있다. 구동속도는 1000rpm에서 10000rpm까지 선정 하였으며, 가진 성분은 구동속도의 1X와 2X 그리고 베인 가진 성분 7X와 14X를 고려하였다. 구동속도 1X는 1차 고유진동수를 4000rpm부근에서 통과되며 2X는 2000rpm에서 1차 고유진동수를 통과한다.
베어링 강성계산에 앞서 해석 모델을 검증하기 위하여 3D해석 프로그램인 Ansys Workbench⁽³⁾와 2D 해석 프로그램인 EZ_rotor를 사용하여 베어링 강성 10⁸ N/m를 적용하여 Fig. 2와 같이 해석을 수행하였다.
불평형 응답해석을 위하여 ISO1940(6)의 규격을 사용하였으며, G2.5의 허용 불평형량을 Fig. 6과7처럼 Rotor 와 Coupling 에 708mm·g을 등분할 하여 적용 하였고, Static Unbalance 와 Couple Unbalance의 응답을 분석 하였다.

대상 데이터

연구 모델의 형상은 Fig. 1과 같으며 단수는 3단이며 총 길이는 2,265mm 이고 중량은 295Kg이다. 운전속도는 6000rpm으로 운전된다.

이론/모형

Gear 의 맞물림에 의해 생기는 저항으로 인한 비틀림 고유치를 산출하기 위하여 Torsional Gear Mesh Stiffness를 참고문헌⁽⁴⁾을 통하여 계산 하였다. 기어의 강성 계산은 기어의 바디 강성, 기어 이의 굽힘에 의한 강성, 기어의 접촉 강성모두를 고려하면 구동 기어의 강성이 산출되며 구동 기어 강성 KDE 는 식(1)과 같다.

성능/효과

베어링 강성 선정 을 위하여 Critical speed map을 확인한 결과 정적 해석을 근거로 설계된 베어링의 강성이 약 10⁸ N/m에 존재하였으며 그 이하의 강성은 강체모드를 가지는 것으로 나타났다.
Campbell diagram 확인 결과 1x 가진 성분이 4000rpm 부근에서 통과하여 6000rpm에서 운전이 되며 운전속도와 1차고유진동수는 공진분리 여유가 충분하다. 하지만 7X 가진 성분은 4차 고유진동수와 공진분리 여유가 거의 없기 때문에 공진 영역 560Hz~840Hz을 API684 규격의 근거로 Q-Factor를 확인 하였으며, 위험속도인 6214rpm에서 Q-Factor는 3.741로 3.55보다 다소 높은 값을 가지는 것으로 확인이 되었다. 따라서 7x 가진 성분에 대한 Q-Factor는 위험속도가 발생할 가능성이 있는 것으로 사료된다.

후속연구

55보다 크므로 15~21% 분리여유가 요규가 된다. 따라서 4차 고유진동수는 공진분리 여유가 부족하며 위험속도가 발생할 가능성은 검토가 되어야 할 것으로 사료된다.
현재 국내 한 기업에서 부유식 해양플랜트 건조를 사실상 독점하고 있지만, Water injection pump는 해외 일부 선진 업체가 독점하고 있어 전량 고가로 수입되고 있다. 따라서 이를 국산화 개발 펌프로 대체 한다면 관련 부품 및 소재산업 발전, 국내 해양 플랜트 산업의 경쟁력 강화, 그리고 수입 대체로 인한 경제적 파급 효과가 클 것이라고 예상된다. 본 논문은 국내 한 기업에서 Water injection pump를 개발하고 있으며 개발과정 중 펌프의 구조 및 동특성이 이론적으로 파악되지 못한 상황이다.
3 는 강성의 변화에 따라 변화되는 고유진동수를 보기위한 그래프 이며 점섬 사각 박사는 현재 베어링 강성구간 이다. 본 연구 모델의 경우 1차 고유 진동수를 제외하고 10⁸ N/m부터 고유치가 변화되기 쉬운 민감한 부분에 위치하고 있기 때문에 강성의 변화는 신중하게 고려할 필요가 있다고 사료된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

해양플랜트에서 어떻게 원유를 추출하는가?

해양플랜트에서 심해 유정의 시추 작업 후 관내의 높은 압력으로 원유를 추출 하게 된다. 하지만 1차 추출 후 관내의 압력이 낮아져서 지상으로 생산이 불가능하거나 회수율이 낮을 때 Water injection pump가 관내에 해수를 주입하여 회수율 및 생산량을 높여 준다.

Water injection pump의 중요성이 대두되는 이유는?

해양플랜트에서 심해 유정의 시추 작업 후 관내의 높은 압력으로 원유를 추출 하게 된다. 하지만 1차 추출 후 관내의 압력이 낮아져서 지상으로 생산이 불가능하거나 회수율이 낮을 때 Water injection pump가 관내에 해수를 주입하여 회수율 및 생산량을 높여 준다. 따라서 Improved Oil Recovery 시장의 등장과 함께 회수율 향상의 핵심 기자재인 Water injection pump의 중요성이 증가하고 있다.

Water injection pump를 국산화 개발 펌프로 대체할 때 기대효과는?

현재 국내 한 기업에서 부유식 해양플랜트 건조를 사실상 독점하고 있지만, Water injection pump는 해외 일부 선진 업체가 독점하고 있어 전량 고가로 수입되고 있다. 따라서 이를 국산화 개발 펌프로 대체 한다면 관련 부품 및 소재산업 발전, 국내 해양 플랜트 산업의 경쟁력 강화, 그리고 수입 대체로 인한 경제적 파급 효과가 클 것이라고 예상된다. 본 논문은 국내 한 기업에서 Water injection pump를 개발하고 있으며 개발과정 중 펌프의 구조 및 동특성이 이론적으로 파악되지 못한 상황이다.

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