다양한 축 길이로 연결된 수직형 장축 소방펌프의 로터 강도 및 임계속도 분석

Jun 24, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 9351(2022) 이 기사 인용

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수직형 장축소방펌프(VLSFP)는 육지에서 멀리 떨어져 있고 물 공급량이 많지 않은 소방 장소에 주로 사용된다. 논문에서는 VLSFP의 XBC18-178-240LC3 모델을 연구 대상으로 선정했습니다. 먼저, 단일 VLSFP의 실험-수치적 수력성능을 수행한 후, 단일 VLSFP와 동일한 수치모사 방법을 사용하여 다중 VLSFP의 수력성능을 분석하였다. 이후, 모델링 소프트웨어를 통해 3개의 로터 모델(Z4 모델, Z5 모델-원본 모델, Z6 모델)을 설계하고, 동일한 중간 샤프트 길이 하에 샤프트 단면의 길이와 개수를 달리하여 연결하였다. 마지막으로 CFD 시뮬레이션과 Workbench 소프트웨어를 통해 세 모델의 로터 강도와 임계 속도를 분석하고 확인했습니다. 연구의 주요 내용은 다음과 같습니다. (1) 임펠러의 강도 검사를 통해 세 가지 모델의 최대 등가 응력이 로터 재료의 허용 응력보다 작았으며 이는 해당 모델의 구조 설계가 안전 요구 사항을 충족했음을 나타냅니다. (2) 샤프팅 로터의 임계 속도 확인을 통해 VLSFP의 작동 속도는 세 가지 모델의 1차 임계 속도의 0.8배 미만으로 로터가 공진을 피할 수 있음을 나타내며 세 모델의 구조 역동적인 디자인 요구 사항을 충족했습니다. 임펠러의 응력 점검과 샤프팅 로터의 임계 속도 점검에 따라 시험 또는 작동 전후에 VLSFP를 여러 번 설치하고 분해할 때의 시간과 인건비를 종합하여 논문에서는 Z4 모델을 최적의 모델로 선정했습니다. 이는 수직형 장축 소방펌프의 후속 구조 설계 최적화에 대한 이론적 지원을 제공할 수 있는 최적 모델입니다.

수직형 장축소방펌프(VLSFP)는 해상플랫폼, 부두 등 육상에서 멀리 떨어져 있고 물공급량이 많지 않은 소방장소에 주로 사용되는 수직형 장축소방펌프(VLSFP)는 해수를 소방용수원으로 하여 작동된다. 작은 설치 공간, 큰 흐름, 높은 리프트, 빠른 시작이라는 장점이 있습니다. 기존 펌프에 비해 VLSFP의 샤프트는 매우 길고 많은 샤프트 섹션으로 구성됩니다. 또한, 구동축의 길이는 해수면에 따라 조절이 가능합니다. 해수면이 펌프 시스템 설치보다 낮을 때 VLSFP는 물을 반전시켜 더 높은 흡입 높이로 인한 물 전환 및 캐비테이션과 같은 문제를 피할 수 있습니다. 대형 수직형 회전기계로서 로터 시스템의 안정성이 펌프 시스템의 안전성의 핵심입니다. 펌프의 작동 속도가 임계 속도를 초과하거나 접근하면 로터 시스템이 진동합니다1,2.

로터 동역학 해석 방법은 주로 전달 행렬법과 유한 요소법을 기반으로 합니다. 전달 매트릭스 방법은 Prohl3에 의해 제안되었으며 이후 Horner와 Pilkey4에 의해 개선되었습니다. 그 이후로 이에 대한 광범위한 연구가 수행되었습니다5,6,7,8. 그러나 전달 행렬 방식에 의한 회전자에 대한 과도한 단순화로 인해 모델의 계산 정확도를 보장하기가 어렵습니다. 이에 비해 유한요소법은 복잡한 모델과 계산을 처리할 수 있습니다9,10. 따라서 유한요소법은 회전자 동역학 해석에 선호되는 방법이 되었습니다. 또한 실제 프로젝트에서 회전 기계의 블레이드는 장기간 작동 시 균열이 발생하기 쉽습니다. 재료, 구조, 가공 기술, 온도, 압력, 외부 충격 등을 포함한 많은 요인이 블레이드 피로 파손에 영향을 미칩니다11,12,13,14,15.

로터 동역학에서는 모달 해석과 임계 속도도 연구 초점입니다. Chivens와 Nelson16, Heydari와 Khorram17, She et al.18,19은 회전 샤프트-디스크 시스템의 임계 속도와 고유 진동수에 대한 디스크 유연성의 영향을 연구했습니다. Taplak과 Parlak20은 가스 터빈 로터 모델을 구축하고 Dynrot 프로그램을 채택하여 로터의 동적 거동을 조사하기 위한 Campbell 다이어그램과 회전 시스템의 임계 속도를 얻었습니다. Castillo et al.21은 충격 시험이 전기 수중 펌프의 모달 매개변수 식별에 유용한 방법임을 확인했습니다. Minette et al.22는 Least Square Complex Exponential 방법을 사용하여 고유 진동수와 감쇠 매개변수를 식별하여 시험 우물에 설치된 작동 조건에서 전기 수중 펌프의 동적 거동을 조사했습니다. Huang et al.23은 터보 분자 펌프의 로터 블레이드 모드의 모델링 방법을 연구하여 단순화 전후의 질량과 관성 모멘트의 기본 불변 원리를 기반으로 블레이드 수정 모델의 단순화된 방법을 제안했다.