2종류 피치조정 Composite Propeller 개발 및 대량 생산용 가변몰드 시스템 최적화원문보기
보고서 정보
주관연구기관
(주)대성마린텍
연구책임자
박명식
참여연구자
마용규
,
김필권
,
김수은
보고서유형
최종보고서
발행국가
대한민국
언어
한국어
발행년월
2011-07
과제시작연도
2010
주관부처
산업통상자원부
사업 관리 기관
한국산업단지공단
등록번호
TRKO201300022777
과제고유번호
1415110580
사업명
산업집적지경쟁력강화사업
DB 구축일자
2013-10-05
키워드
프로펠러.복합재료.유동해석.진공적층공법.
초록▼
1. 최종목표 현재의 프로펠러는 대부분 재질이 인청동, 고장력청동, 알루미늄청동, 니켈,알루미늄, 청동이 쓰이고 있으나 이러한 플로펠러를 composite로 생산한다면 가볍고 강하면서 경제성 면에서도 기존의 프로펠러보다 저렴한 composite 플로펠러의 대량생산이 가능해진다. 플로페럴의 출력별, 외경별로 시리즈화하여 일정 사이즈별로 대량생산할 수 있는 시스템 개발을 최종목표로 한다. 가. 보강재(Reinforcement)와 기지재(Matrix)의 배합조성 최적비 도출 나. 250PS급,500PS급 플로펠러 가
1. 최종목표 현재의 프로펠러는 대부분 재질이 인청동, 고장력청동, 알루미늄청동, 니켈,알루미늄, 청동이 쓰이고 있으나 이러한 플로펠러를 composite로 생산한다면 가볍고 강하면서 경제성 면에서도 기존의 프로펠러보다 저렴한 composite 플로펠러의 대량생산이 가능해진다. 플로페럴의 출력별, 외경별로 시리즈화하여 일정 사이즈별로 대량생산할 수 있는 시스템 개발을 최종목표로 한다. 가. 보강재(Reinforcement)와 기지재(Matrix)의 배합조성 최적비 도출 나. 250PS급,500PS급 플로펠러 가변성능 및 가변한계 도출 다. 250PS급,500PS급 피치가변 몰드 시스템 개발 라. 250PS급,500PS급 피치가변 프로펠러 시제품 제작 2. 기술내용 및 결과 가. 기지재 composite 배합 조성 최적비 도출 1) 기존 공법인 도포공법과 병행하며 내마모성, 방오성, 충격성을 흡수하는데 주력하고 현존하는 기지재료(EPOXY, POLYESTER, VYNILESTER)를 시료로 프로펠러의 기능과 특성 분석 및 적용 연구를 통하여 최적화한다. 2) Composite는 카본 그라파이트 산화동분말, 산화아연분말 등의 최적배합비 도출하여 표준화하였다. (RTM, VIMP) 나. CAF RP(카본+아라미드+유리섬유) 보강재 최적 조성비 도출 1) VIMP은 진공 압일몰드 성형법으로 250마력급 이하의 소형에 적용하였으며, RTM은 저회전 고출력 프로펠러인 500마력급에 적용하였다. 2) 이와 관련된 공정의 조성최적비 도출, 조직내의 보강 섬유 결속 확인 기법의 최적화, 기지재료 내의 공극을 없애기 위한 최적 검사 기법 연구등을 병행하였다. 3) 강성특성이 필요한 유리섬유의 방향성이 고려된 후 강한 인장력과 강력한 결솔력(합포)을 카본 섬유와 아라미드에 적절히 배분하는 (일방성, 교방성)기법을 최적화 하여 "X","Y","Z"의 보강 연구개발을 최적화하였다. 4) 섬유강화플라스틱의 치명적 약점인 취성파괴거동을 원천봉쇄하고 보편화기술인 적층(liminating)기술을 업그레이드하였다. 다. 250PS급, 500PS급 프로펠러 설계, 가변성능 및 가변한계 도출 1) 250PS급,500PS급 프로펠러의 가변한계는 -5°~ +5°로 피치가 변할 경우 기준프로펠러의 출력 -30% ~ +20% 범위에서 사용할 수 있음 3) 500PS급 프로펠러 (0°)를 -5° ~ +5°로 피치가 변할 경우 기준프로펠러의 출력 -40% ~ +80% 범위에서 사용할 수 있음 라. 250PS급, 500PS급 피치가변 몰드 시스템 개발 1) 허브 조립 부위가 섬유함량, 함침성, 표면의 미려함 등 내구성과 연결부위가 약하여 상부, 하부, 측면 몰드를 개발, 프로펠러 날개를 생산하고 허브는 금속으로 제작하여 가변된 프로펠러를 생산할 수 있는 몰드 시스템을 개발함 2) 몰드비가 약 1/4가량 절감되어 소비자들의 다양한 욕구 충족 3) 특허 출원 ("선박용 프로펠러의 패턴") 3. 기대효과(기술적 및 경제적 효과) 가. 기술적 기대효과 1) Composite 소재 최적화 및 Propeller 국산화 2) 펌프, 하이드로릭 터빈,가스 터빈 등 유체기계산업 전반에 적용 가능 3) 성능시험 기법 향상 도모 나. 산업적 기대효과 1) 외화절감 : 수입재료인 기존 프로펠러재료 (구리,알미늄 합금재료)를 국산으로 대체 2) 탄소세 절감 : 연료 소모량 경감, 선박 운항비 절감 3) 선가 감소효과 : 상선의 경우 기존 프로펠러의 70% 중량감소, 가격 약 30% 감소 4) 동업종(풍력 발전 분야 등) 동반 상승 효과-신기술 고급인력 양산 기대 4. 적용 분야 가. 소형 연안용 선박 이외에 중,소형 노후 선박의 교체 시에 발생하게 될 기존 프로펠러의 대체품으로 중,소형 어선의 선단 개선 나. 미래 복합재료 분야에 핵심 재료인 탄소, 아라미드 섬유를 이용한 진공적 층공법을 이용하여 다양한 해양레져관련 용품에 적용을 위한 기반기술로 활용 다. 스티어링 휠과 선체 적층에도 적용 가능하여 소형선박 업체의 사업 다각화를 통한 기술 접목에 활용
목차 Contents
표지 ... 1
생산기술사업화 지원사업(현장맞춤형 기술개발) 최종보고서 요약서 ... 2
제출문 ... 6
목차 ... 8
표 목차 ... 11
그림 목차 ... 12
제1장 서론 ... 16
제1절 연구개발의 목적과 배경 ... 16
1. 연구 목적 및 배경 ... 16
2. 국내외 기술개발 현황 ... 19
제2절 연구개발 내용 및 범위 ... 22
1. 연구개발 내용 및 범위 ... 22
제2장 CAF RP 기지재 Composite 배합 최적비 도출 ... 23
제1절 합성수지의 종류 ... 23
1. 불포화 폴리에스테르 수지 ... 23
2. 비닐 에스테르 수지 ... 24
3. 에폭시 수지 ... 24
제2절 기지재 최적비 시편 제작 ... 25
1. 불포화 폴리에스테르 수지(함량 측정) ... 25
2. 비닐에스테르 수지(함량 측정) ... 26
3. 에폭시 수지(함량 측정) ... 30
제3장 CAF 보강재 최적 조성비 도출 ... 31
제1절 복합재료의 특성 ... 31
1. 유리섬유의 종류 및 특성 ... 31
2. 탄소섬유의 특성 ... 34
3. 아라미드의 특성 ... 36
4. 아라미드 카본 혼합 섬유 ... 39
5. 카본 유리섬유 혼합 섬유 ... 39
제2절 보강재 최적 조성비 도출 ... 40
1. 복합재료의 인장강도 ... 40
2. 복합재료의 인장탄성계수 ... 42
3. 복합재료의 굽힘강도 ... 43
4. 복합재료의 굽힘탄성계수 ... 45
제4장 복합재료의 성형과 시편제작 ... 46
제1절 성형방법 ... 46
1. Hand Lay-Up ... 46
2. Spay-Up ... 46
3. RTM (Resin Transfer Molding) ... 47
4. Vacuum Bagging ... 48
5. VARTM ... 48
제2절 시험편 제작 ... 49
1. 진공적층에 의한 시험편 제작 ... 49
2. 수적층에 의한 시험편 제작 ... 60
3. 시험편 가공 ... 61
4. 완성복합재료 시험편 ... 61
제5장 소형 프로펠러 모형실험과 CFD를 통한 피치가변 특성 ... 62
제1절 프로펠러 이론 ... 62
1. 프로펠러 날개 단면의 용어 ... 62
2. 프로펠러의 기본용어 ... 63
3. 프로펠러 계산과 관련된 공식 ... 66
제2절 소형 고정 프로펠러의 CFD해석 ... 68
1. CFD에 의한 screw 프로펠러의 성능해석(7,8 pitch propeller) ... 68
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