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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 조병관
- 발행연도
- 2021
- 저작권
- 한국기술교육대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수4
이 논문의 연구 히스토리 (4)
2021
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본 연구는 주로 산업 및 터널용으로 사용하는 축류형 송풍기를 대상으로 송풍기의 공력성능과 소음 연구에 치중되어 있는 현실에 대해 송풍기의 구조역학과 관련된 연구를 통해 임펠러의 구성부품에 대한 구조안전성을 예측하고 이를 바탕으로 새로운 송풍기의 설계 및 개발에 고려해야 하는 특성에 대해 제안하였다.
축류형 송풍기는 소형, 중형 및 대형으로 구분되고 연구를 진행한 송풍 기는 중대형에 속하는 제품이다. 운전속도는 1185rpm으로 회전체의 길이를 고려하면 날개 끝 속도가 110 m/s로 회전체에 의한 안전사고가 발생 하게 되면 대형사고로 이어지는 구조안전성에 대해 매우 중요하게 연구가 되어야 한다. 이를 위해 설계 초기 단계인 날개 및 허브의 설계 단계에서 형상과 재료 선정이 매우 중요하여 본 연구는 전산유체역학을 통해 도출된 산업용 및 터털용 송풍기에 대한 여러 가지 형상에 대해 구조해석을 실시하였다.
날개 형상에 대한 최대응력의 수치와 분포 경향, 최대 변위를 통한 팁간극의 최적 조건을 얻기 위해 날개만을 이용한 구조해석의 결과를 확인 하였다.
공력성능에 대한 설계에서 필수적으로 필요한 날개 설치각도에 대해 최소 날개 각도와 최대 날개 각도에 대한 범위를 선정하고 이를 반영한 구조해석을 실시하였으며 날개 설치각도에 따른 날개의 질량 중심위치와의 관계를 도출하였다.
송풍기는 운전하면서 유체를 흡입하여 환기하는 목적으로 사용하게 되는데 대량의 유체를 흡입함으로써 발생하는 유체압력에 대해 임펠러가 받는 영향에 대해 검증하였고 회전에 의한 원심력이 구조에 미치는 영향에 비해 미미한 영향을 끼치는 것을 확인하였다.
환기 목적으로 사용할 경우의 송풍기의 회전방향과 긴급 시 배연과 열배출을 목적으로 하는 경우 회전 방향이 반대로 작동해야 하며 이로 인해 발생하는 운전속도에 변화에 대해 구조해석을 수행하여 파손 가능성을 예측하였다.
본 연구 대상 송풍기는 75kW 모델과 190kW 모델은 날개의 크기와 소요 동력에 따라 구분하며 각 모델의 운전모드에 대한 임계속도에서의 파손여부를 예측하기 위해 구조해석을 수행하였다. 응력의 위치와 결과를반영하여 연성과 취성의 재료 성질에 따라 임계속도를 확인하였다.
임계속도에 대한 검증을 통해 확인된 모델에 대해 과속도 시험을 실시 하였으며, 75kW 모델의 경우는 예측된 임계속도보다 높은 속도에서 파손이 발생하지 않았다. 이는 과속도 챔버의 온도가 상승하게 되고 재료의성질이 취성에서 연성으로 바뀌게 되는 영향과 파손이 발생하는 극한응력이 온도와의 연관관계로 인해 파손이 발생하지 않은 것으로 예측하였다.
190kW 모델은 구조해석으로 도출된 결과와 유사한 임계속도에서 파괴가발생하였다.
본 연구를 통해 날개 형상에 대한 설계 기준과 방법론에 대해 제안할수 있었으며, 190kW 모델의 임펠러의 임계속도를 예측함으로써 파손을예측하였다. 각 모델에 대한 임계속도를 계산하기 위해 임펠러의 재질에대해 연성과 취성에 대한 기준을 제시하였다.
축류형 송풍기는 소형, 중형 및 대형으로 구분되고 연구를 진행한 송풍 기는 중대형에 속하는 제품이다. 운전속도는 1185rpm으로 회전체의 길이를 고려하면 날개 끝 속도가 110 m/s로 회전체에 의한 안전사고가 발생 하게 되면 대형사고로 이어지는 구조안전성에 대해 매우 중요하게 연구가 되어야 한다. 이를 위해 설계 초기 단계인 날개 및 허브의 설계 단계에서 형상과 재료 선정이 매우 중요하여 본 연구는 전산유체역학을 통해 도출된 산업용 및 터털용 송풍기에 대한 여러 가지 형상에 대해 구조해석을 실시하였다.
날개 형상에 대한 최대응력의 수치와 분포 경향, 최대 변위를 통한 팁간극의 최적 조건을 얻기 위해 날개만을 이용한 구조해석의 결과를 확인 하였다.
공력성능에 대한 설계에서 필수적으로 필요한 날개 설치각도에 대해 최소 날개 각도와 최대 날개 각도에 대한 범위를 선정하고 이를 반영한 구조해석을 실시하였으며 날개 설치각도에 따른 날개의 질량 중심위치와의 관계를 도출하였다.
송풍기는 운전하면서 유체를 흡입하여 환기하는 목적으로 사용하게 되는데 대량의 유체를 흡입함으로써 발생하는 유체압력에 대해 임펠러가 받는 영향에 대해 검증하였고 회전에 의한 원심력이 구조에 미치는 영향에 비해 미미한 영향을 끼치는 것을 확인하였다.
환기 목적으로 사용할 경우의 송풍기의 회전방향과 긴급 시 배연과 열배출을 목적으로 하는 경우 회전 방향이 반대로 작동해야 하며 이로 인해 발생하는 운전속도에 변화에 대해 구조해석을 수행하여 파손 가능성을 예측하였다.
본 연구 대상 송풍기는 75kW 모델과 190kW 모델은 날개의 크기와 소요 동력에 따라 구분하며 각 모델의 운전모드에 대한 임계속도에서의 파손여부를 예측하기 위해 구조해석을 수행하였다. 응력의 위치와 결과를반영하여 연성과 취성의 재료 성질에 따라 임계속도를 확인하였다.
임계속도에 대한 검증을 통해 확인된 모델에 대해 과속도 시험을 실시 하였으며, 75kW 모델의 경우는 예측된 임계속도보다 높은 속도에서 파손이 발생하지 않았다. 이는 과속도 챔버의 온도가 상승하게 되고 재료의성질이 취성에서 연성으로 바뀌게 되는 영향과 파손이 발생하는 극한응력이 온도와의 연관관계로 인해 파손이 발생하지 않은 것으로 예측하였다.
190kW 모델은 구조해석으로 도출된 결과와 유사한 임계속도에서 파괴가발생하였다.
본 연구를 통해 날개 형상에 대한 설계 기준과 방법론에 대해 제안할수 있었으며, 190kW 모델의 임펠러의 임계속도를 예측함으로써 파손을예측하였다. 각 모델에 대한 임계속도를 계산하기 위해 임펠러의 재질에대해 연성과 취성에 대한 기준을 제시하였다.
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