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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.14 No.5 pp.60-67
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2015.14.5.060

Analytical Study on the Structural Strength of an Air Compressor for Main Engine Starting of 22000TEU Class Container Ships

Soon-Kyoung Kim*, Jin-Woo Lee**#
*Department of Automobile, Dong-Eui Institute of Technology

**Department of Material Engineering, Korea Maritime and Ocean University
Corresponding Author : zenith1179@naver.com
June 16, 2015 July 28, 2015 August 5, 2015

Abstract

The compressor is used for many fields not only in the industrial sector, but also as a general household product. The energy consumption required for the compressor operation is very large. The reciprocation compressor is widely used as an air compressor. Regarding the reciprocating air compressor, the discharge of the gas compacted by the method of compressing the gas by using the oscillation of the piston is generated by the piston reciprocation 1 church 1 number. When compressing after compressing the air by the oscillation of the piston, the marine reciprocating air compressor is the vibration generated in the compressor and surrounding structure due to the energy of the generated inertia. If the effect of these harmful elements can be reduced, it supports the service of the vessel. In addition, accidents generated by the noise of the vibration can be prevented. Therefore, in this research, firstly, the structural analysis of the piston part was performed, the safety factor in all results was drawn based upon this, and the reliability of the interpretation was examined in order to create the optimal design for the air compressor.


22000TEU급 컨테이너선박의 메인 엔진 시동용 공기압축기의 구조 강도 해석에 관한 연구

김 순경*, 이 진우**#
*동의과학대학교 자동차학과

**한국해양대학교 재료공학과

초록


    1. 서 론

    일반적으로 기체를 압축시켜 그 압력을 높이는 기계적 장치를 압축기라 하며, 공기를 압축하는 것이 공기 압축기이다. 압축기는 산업용뿐만 아니라 일반 가정용 제품까지 여러 분야에 다수 이용되고 있으며, 압축기 가동에 소요되는 에너지 소비량은 공장이나 제품 원가를 차지하는 비중이 막대할 것으로 추정된다. 이러한 압축기를 사용하여 생산하는 압축공기는 오늘날 거의 모든 공장에서 사용하고 있는 중요한 에너지 매개체이고 선박, 공장, 사업장외에도 그 사용 범위가 점차 증가되고 있다. 공기 압축기로 가장 널리 사용되고 있는 왕복동식 압축기는 피스톤의 왕복운동을 이용하여 가스를 압축하는 방식으로 압축된 가스의 토출이 피스톤 왕복운동 1회당 1번 발생한다. 이러한 간헐적인 토출특성으로 인해 가스의 맥동과 소음이 수반되며, 모터와 연결된 회전축의 회전운동을 피스톤의 왕복운동으로 바꾸어 주는 과정에서의 불균형력이 발생하므로 진동을 피할 수 없다[1].

    선박용 왕복동식 공기압축기는 피스톤의 왕복운동에 의해 공기를 압축하므로 압축 시 발생하는 관성의 힘 때문에 압축기 및 주위 구조물에 진동을 전파한다. 하지만 이런 유해 요소들이 미치는 영향을 조금이나마 줄일 수 있다면 선박의 운항에 도움이 될 뿐만 아니라 소음과 진동으로 발생하는 사고를 미연에 방지할 수 있으며 압축기 자체의 내구성 향상 및 정기 정비 시간도 향상 시킬 수 있으며 주위의 구조물에 미치는 유해 요소를 줄임으로써 누적 피로를 저감 할 수 있을 것이다[2]. 왕복동형 압축기는 회전형에 비해 불연속적인 회전 및 왕복 운동을 하여 압축과정에서 축에 작용하는 토크 변동이 커 동적으로 불안정한 상태에서 운전하며 이로 인해 대부분의 파손이 토크가 많이 걸리는 크랭크 죽에서 이루어진다[3].

    최근 고유가에 따른 물류비용의 증대로 각종 상선들이 에너지 절감을 위해 점차 대형화 되고 있으며 현재 운행 중인 최대급의 컨테이너 선박의 경우 약 16,500 TEU급인, 20,000 TEU급 혹은 그 이상의 컨테이너선도 곧 취항하게 되어 이에 따른 대용량의 공기압축기 또한 그 수요가 늘어갈 전망이다.

    따라서 본 연구에서는 22000 TEU급 컨테이너 선박에 전용으로 사용될 비상용 메인 엔진 시동용 공기압축기에 대한 최적설계를 수행하기에 앞서 기초 설계 자료를 얻기 위한 방편으로 먼저 피스톤 파트에 대한 구조해석을 수행하였고 이를 토대로 일반적으로 사용하는 압력이상인 10 bar에서부터 극한조건인 30 bar까지의 안전 계수를 도출하여 해석의 신뢰성 및 피스톤의 선박용 비상 시동용 공기압축기로의 적용 타당성을 검토하였다.

    2. 극한조건의 상사

    2.1 기계재료에 대한 구조해석 이론

    기계 및 기계구조물의 설계자에게는 설계인자에 대한 변형거동을 해석하거나 기계구조물이 파손될 때 응력과 크기를 결정하는 것이 주요한 과제로 알려져 있다. 일반적으로 설계자들은 어떤 특정한 하중을 받는 구조물의 거동을 분석하는 것과 임의의 하중을 받는 구조물이 얼마의 응력이나 변형에 파손이 되는가를 결정하가를 고려하는 분명한 기준을 가지고 설계해야 한다[4]. 재료의 파손에 대한 이론은 크게 연성파손과 취성파손으로 나눌 수 있는데, 연성파손에서는 연성재료에 대한 파손조건을 명시한 것이며, 일축응력이 항복응력과 같은 값이 되었을 때 그 재료는 파손되며 파손의 기준이 항복응력이 된다. 취성재료에 대한 파손이론은 극한인장강도에서 파손이 발생한다. 그러나 실제로 대부분 기계 및 기계구조물의 요소는 다축 응력을 받기 때문에 재료의 파손 시에 응력 상태를 결정하는 것은 쉽지 않다. 따라서 다축 하중을 받는 부재에 파손에 대한 역학을 고려해야만 인장시험(혹은 압축시험, 비틀림 시험)의 결과를 적용할 수 있다[5].

    2.2 유한요소법의 특징

    유한요소법(Finite Element Method : FEM)의 기본 개념은 구조문제(Structure problems)인 경우, 연속체(혹은 구조전체)를 미소영역(유한요소)의 집합체로 이상화하고, 각 미소영역에서 여러 가지 경계조건을 사용하여 수식을 만들고 이를 이용해 구조물 전체에 대한 연립대수방정식을 만들어 해를 구한다. 유한요소법은 초기에는 복잡한 구조물의 응력해석을 위해 개발되었으나 그 후 발전을 거듭하여 광범위한 분야에서 사용되고 있다[6]. 주어진 문제를 공학적으로 수식화 하는 지배방정식은 FEM에서는 적분방정식으로 표현된다. 따라서 해석학적 방법에서는 FEM 수치계산에 의해 유한개의 점에서의 수치해로 구해진다. 일반적으로 유한요소법의 장점은 (1)기하학적 형상, 하중 및 경계 조건 등에 제한이 없으며 (2)여러 가지 복합재료로 이루어진 연속체에도 적용이 가능하고 (3)응력해석, 좌굴, 진동, 열, 유동해석 등 공학의 모든 분야에 활용이 가능하다는 것이다[7,8].

    3. 왕복동 공기 압축기 해석조건

    구조해석에 사용된 공기 압축기는 3D CAD 상용 프로그램인 CATIA를 이용하여 모델링을 하였고, Fig.1에 피스톤, 크랭크 샤프트, 콘 로드의 세부분으로 나누어 표시하였다. 22000 TEU급 컨테이너 선박에 메인 엔진 시동용 공기 압축기에 대한 피스톤 파트를 구조해석 하였다. 파손이 가장 많이 발생하는 크랭크의 파괴에 가장영향을 주는 크랭크 각에 따라 압축기의 피스톤이 1 사이클 왕복동시 발생하는 각도를 0°, 90°, 180°로 설정하여 구조해석을 수행하였고, 내부 압력은 일반적으로 사용되는 압력보다 조금 높은 10 bar에서 극한조건에 해당하는 최대 30 bar로 설정하여 압력에 따른 응력 및 변형 분포를 파악하였다. 경계조건은 압축기 피스톤이 실린더를 따라 움직이기 때문에 피스톤의 옆면에 원통지지대를 사용하여 축 방향 변위는 자유로 설정하고, 반경 및 접선방향의 변위는 완전고정 조건을 적용하였다. 피스톤에 사용된 재질은 알루미늄 합금을 사용하였고, 사용된 합금의 특성은 Table 1에 표시하였다.

    4. 왕복동 공기 압축기의 구조해석

    4.1 크랭크 각 = 0°

    왕복동 공기 압축기의 구조해석은 크랭크 각 0°에서 피스톤의 상부압력의 변화 (10, 20, 30 bar)에 따라 구조해석을 수행하였고, 피스톤의 거동이 실린더 내부에서 작동하기 때문에 반경방향과 접선방향에 대해서 구속조건을 설정하여 실시하였다. 피스톤 부품은 비정렬 격자를 이용하여 유한요소 모델을 생성하였고, Table1의 알루미늄 재질의 물성치를 입력하여 Fig. 2와 같이 요소를 생성하였으며, 요소생성 결과 모든 압력에서 871,272개의 요소와 1,306,234개의 접점이 생성되었다.

    크랭크샤프트 각도를 0°로 하여 내부 압력 10 bar, 20 bar, 30 bar에 대한 등가응력은 각각 68.337 MPa, 136.67 MPa, 205.01 MPa이며 이를 재료의 항복응력인 280 MPa에 대한 안전계수를 계산한 결과 각각 4.0973, 2.0487, 1.3658이다.

    4.2 크랭크 각 = 90°

    크랭크 각 90°에서도 앞선 해석과 동일하게 실린더 내부의 반경방향과 접선방향에 대해서 구속조건을 설정하여 실시하였다. 피스톤 부품은 비정렬 격자를 이용하여 유한요소 모델을 생성하였고, Table1의 알루미늄 재질의 물성 값을 입력하여 Fig. 2와 같이 요소를 생성하였으며, 요소생성 결과 모든 압력에서 896,510개의 요소와 1,346,028개의 접점이 생성되었다.

    Fig.5는 크랭크 각 90°에서 피스톤의 상부압력의 변화 (10, 20, 30 bar)에 따라 구조해석을 수행한 해석 결과이며, 크랭크샤프트 각도를 90°로 하여 내부 압력 10 bar, 20 bar, 30 bar에 대한 등가응력은 각각 67.189 MPa, 134.78 MPa, 201.57 MPa이며 이를 재료의 항복응력인 280 MPa에 대한 안전계수를 계산한 결과 각각 4.1673, 2.0837, 1.3891이다.

    4.3 크랭크 각 = 180°

    크랭크 각 180°에서도 앞선 해석과 동일하게 구속조건을 설정하여 유한 모델을 생성하였다. 생성 결과 Fig. 6와 같이 요소를 생성하였으며, 요소 생성 결과 모든 압력에서 898,219개의 요소와 1,348,479개의 접점이 생성되었다.

    크랭크샤프트 각도를 180°로 하여 내부 압력 10 bar, 20 bar, 30 bar에 대한 등가응력은 Fig.7와 같이 각각 67.769 MPa, 135.54 MPa, 203.31 MPa이며 이를 재료의 항복응력인 280 MPa에 대한 안전 계수를 계산한 결과 각각 4.1317, 2.0659, 1.3772이다.

    Fig.8은 Ansys로 해석된 결과를 바탕으로 작용압력에 대한 안전계수 분포를 나타내었다. 피스톤, 피스톤 핀, 콘 로드, 샤프트의 회전각도에 따른 응력분포와 압력변화에 따른 응력분포를 해석한 결과 모든 부분에서 안전계수를 만족하는 결과를 나타내었으며, 압력이 10 bar의 경우 가장 높은 안전계수를 얻었으며, 압력의 크기가 커질수록 안전계수는 하락하는 것을 알 수 있었다. 이를 토대로 피스톤 핀과 피스톤의 결합부분에서 최소한의 보강 및 안전계수를 만족하는 일정 압력이하로 압력을 조절해 주어야 할 것으로 사료된다.

    5. 결 론

    본 논문에서는 상용 설계 프로그램인 Catia를 이용하여 왕복동식 공기압축기를 설계하였고, 이를 바탕으로 Ansys를 이용하여 공기 압축기의 피스톤 부분에 대해서 구조해석을 수행하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

    1. 0°, 90°, 180°의 회전각도에서 10 bar, 20 bar, 30 bar의 압력에 의한 응력분포와 변형률에 대한 해석의 결과를 얻었고, 실제 공기압축기의 개발 시의 기초자료로 활용 할 수 있을 것으로 사료된다.

    2. 피스톤, 피스톤 핀, 콘 로드, 샤프트의 회전각도에 따른 응력분포와 압력변화에 따른 응력분포의 해석에서 모든 각도, 모든 압력에서 안전계수를 만족하는 결과를 나타내어 해석결과가 왕복동식 공기압축기의 기초자료로 충분히 활용될 수 있을 것으로 사료된다,

    3. 본 해석결과와 동일하게 설계하여 왕복동식 공기압축기를 개발할 경우 결합부분의 최소한의 보강 또는 안전계수를 만족하는 일정압력 이하로 압력을 조절할 수 있게 개발해야 한다.

    Figure

    HGKGB6_2015_v14n5_60_f001.gif
    Modeling of air compressor for structural strength analysis
    HGKGB6_2015_v14n5_60_f002.gif
    Element and boundary condition of air compressor (crank angle = 0°)
    HGKGB6_2015_v14n5_60_f003.gif
    Mechanical properties of air compressor through strength structure analysis (crank angle = 0°)
    HGKGB6_2015_v14n5_60_f004.gif
    Element and boundary condition of air compressor (crank angle = 90°)
    HGKGB6_2015_v14n5_60_f005.gif
    Mechanical properties of air compressor through strength structure analysis (crank angle = 90°)
    HGKGB6_2015_v14n5_60_f006.gif
    Element and boundary condition of air compressor (crank angle = 180°)
    HGKGB6_2015_v14n5_60_f007.gif
    Mechanical properties of air compressor through strength structure analysis (crank angle = 180°)
    HGKGB6_2015_v14n5_60_f008.gif
    Distribution of safety factor on working pressure

    Table

    HGKGB6_2015_v14n5_60_t001.gif
    Mechanical properties of aluminum alloy for structural strength analysis

    Reference

    1. Kim, H. J., Cho, K. M. and Ko. W., "Performance Analysis of an Orbiter Air Compressor," Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 17, No. 8, pp. 754-763, 2005.
    2. Kim, S. K. and Kim, M. K., "Development of Aluminium Alloy for Piston of Air Compressor," J. of KSMPE, Vol. 7, No. 1, pp. 9-16, 2008.
    3. Kim, T. J., "Dynamic Behavior Analysis of a Crankshaft-Bearing System in Variable Speed Reciprocating Compressor," J. of KSTLE, Vol. 17, No. 6, pp. 426-434, 2001.
    4. Kim, Y. H., "Study on Conceptual Design of Pressure Vessel to Transport CNG and CO2," J. of Ocean Engineering and Technology, Vol. 27, No.1, pp. 51-28, 2013.
    5. Kim, Y. T., A study on the three dimensional stress analysis and failure of O-ring, A Thesis for a Master, Yeungnam University, Republic of Korea, 2009.
    6. Lee, J. W., Kim, Y. H., Kang, Y. G. and Lee, S. H., "Evaluation of Performance in Semi-Open Type Impeller by Duplex Stainless Material for Ballast Water Centrifugal Pump," J. of Ocean Engineering and Technology, Vol. 28, No.4, pp. 345-350, 2014.
    7. Kim, H. W. and Cho, K. J., "A Study for the Prediction of a Tire Cornering Characteristics using a Finite Element Method," Transactions of the KSAE, Vol. 6, No. 1, pp. 151-162, 1998.
    8. Ko, Y. H., Optimum Design of Tunnel Actuator using Finite Element Method and Response Surface Method, A Thesis for a Master, Hoseo University, Republic of Korea, 2012.