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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.18 No.10 pp.48-53
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2019.18.10.048

The Causes of Bolt Breakage During the Tightening of Impellers in Water Jet Propulsion Systems

Sang-Jin Jung*, Oh Shini Il**, Jang-Wook Hur*#
*Department of Mechanical System Engineering, Kumoh National Institute of Technology
**Zeus Institute Development Division 1
Corresponding Author : hhjw88@kumoh.ac.kr Tel : +82-54-478-7399
03/06/2019 19/06/2019 04/07/2019

Abstract


A water jet propeller is a key component that generates propulsion during the start of a naval vessel. When failure or breakage occurs, the vessel cannot operate. Recently, a flow analysis and structural analysis were conducted to understand the cause of damage to a bolt on a water jet. In particular, the stress and strain acting on the fastening bolt (impeller shaft and tail shaft) were examined to determine the extent of misalignment between the impeller shaft and the tail shaft of the water jet propeller. The study determined that stress and strain were concentrated on the impeller shaft and the tail shaft bolt. The alignment of the propeller impeller shaft and the tail shaft increased significantly in response to the tail shaft bolt. Failure of the tail shaft bolt fastening can lead to misalignment between the impeller shaft and the tail shaft.



워터제트 추진기 임펠러 체결용 볼트파손 원인 분석 연구

정 상진*, 오 신일**, 허 장욱*#
*금오공과대학교 기계시스템공학과
**주식회사 제우스 연구소 개발 1부

초록


    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    최근 진동과 소음이 적고 환경적으로 쾌적한 함 정 개발의 요구에 따라 전통적인 프로펠러 및 스크 류 추진기의 한계를 극복할 수 있는 물분사(워터제 트) 추진기가 차세대 추진기로 대두되고 있다[1].

    워터제트 추진기는 임펠러를 회전시켜 함정 밑바 닥에 있는 흡입구로부터 물을 빨아들인 후에 함정 내부에 설치된 유도관을 거쳐 노즐을 통해 가속된 물을 함정 뒤쪽으로 분사하면서, 그 반작용으로 함 정을 앞으로 밀어주는 힘(추력)을 발생시키도록 하 고 있다. 이러한 워터제트 추진기는 함정 기동을 위한 추진력을 생성하는 구성품으로, 고장 혹은 파 손시 함정 기동을 불가능하게 하여 함정의 운용을 좌우하는 핵심품목이다.

    따라서 본 연구에서는 워터제트 추진기에 대해 유동해석과 구조해석을 수행하여 임펠러 축과 테일 축 체결용 볼트에 걸리는 응력과 변형률 등을 검토 하였으며, 특히, 워터제트 추진기의 임펠러 축과 테 일 축의 정렬편차에 따라 체결용 볼트(임펠러 축, 테일 축)에 작용하는 응력과 변형률의 변화를 확인 하여 볼트파손의 원인을 분석하였다.

    2. 해석방법

    2.1 수치해석

    워터제트 추진기 형상은 Fig. 1과 같으며, 엔진에 연결된 임펠러 축이 회전하면서 유도관을 통해 물 을 흡입하여, 선체 내부로 물을 끌어들인 후 흡입 된 물이 임펠러를 통과하면서 함정을 추진시킬 수 있는 추력을 얻는다.

    워터제트 추진기의 수치해석 모델을 Fig. 2에 나 타내었으며, 임펠러 커플링 부분에 대한 단면도를 Fig. 3에 표시하였다. 임펠러를 중심으로 임펠러 축 과 테일 축으로 구분되고, 2개의 축이 임펠러에 결 합되어 일직선을 이루는 형상을 하고 있다. 테일 축의 좌측 끝단에 베이링 블록이 설치되어 단순 보 형태로 지지하고 있으며, 그림에는 표시하고 있지 않지만 임펠러 축 우측 끝단에 엔진과 연결되는 부 위에도 베어링 블록에 의해 임펠러 축을 지지하고 있다.

    2.2 해석절차

    해석은 유체-구조물의 상호작용을 반영하는 FSI 기법을 적용하였으며, FSI기법은 유체-구조물 연계 해석이 가능한 특징이 있다. 유체는 일반적으로 압 력, 온도 및 하중을 전달하며 이로 인한 구조체 변 형에 대한 정보가 다시 유동장에 전달되어 이에 따 른 유체의 해석결과에 영향을 받으면서 양방향 연 성해석이 가능한 수치해석이다[2]. 유동해석과 구조 해석을 각각 독립적으로 수행하지 않는 이유는 유 체-구조물 간 상호작용이 강한 경우 독립적으로 해 석하면 실제 경우와 전혀 다른 기계적 특성을 보일 수 있기 때문이다.

    해석을 워터제트 추진기에 적용하면 Fig. 4의 개 념도에서 알 수 있듯이 유체유동으로 인하여 발생 하는 압력을 임펠러에 유한요소 단위로 반영하여 구조해석을 진행할 수 있으며, 유동해석과 구조해석 을 따로 진행하는 경우보다 더 정확한 결과를 기대 할 수 있다. 따라서 ANSYS에서 FSI 해석방법을 적 용하기 위해 Fluent의 결과값을 Structure의 Model에 모듈형식으로 연결하여 구조해석을 수행하였다[3-4].

    2.3 유동해석

    유동해석의 격자 구조는 모델의 단차 영역에서 Surface 간의 근접성과 격자의 조밀도를 계산하여 격자를 생성하는 옵션인 Proximity와 복잡한 형상이 라도 매우 빠르게 격자를 형성해주는 Cutcell mesh 를 사용하였고, Fig. 5와 같이 1,304,873개의 절점과 1,210,826개의 요소로 분할하였다. 경계조건은 Fig. 6과 같이 입구 영역에 Pressure inlet 조건과 출구 영 역에 Pressure outlet 조건을 설정하고, 워터제트 추진 기의 설치 위치를 고려하여 입구와 출구 조건에 1atm의 정압을 입력하였으며[5-6], Reference 압력은 입구 부분으로 하였다. 또한, 워터제트 추진기를 구 동하는 엔진의 제원은 출력 1,492kW, 회전속도 2,350rpm 기어비 2.03:1이며, 회전영역(Spinning area)에 Frame motion을 사용하여 1,158rpm을 부여 하였다.

    2.4 구조해석

    유동해석에서 발생하는 압력이 워터제트 추진기 의 구조물에 어떠한 영향을 미치는지를 FSI 기법을 이용하여 구조해석의 경계조건으로 적용하였다. 또 한, 축의 회전력은 유동해석과 동일한 1,158rpm을 입력하였으며, 해석 모델은 Fig. 7에 나타낸 바와 같이 39,217개의 절점과 21,002개의 요소로 분할하 였고, 해석에 적용된 재료의 기계적 성질은 Table 1 과 같다[7]. 아울러, 워터제트 추진기의 축이 임펠러 축과 테일 축으로 구분되어 있으므로 이들 축의 정 렬이 가장 중요한 요소로 판단되어, 축 정렬편차를 0mm, 0.15mm, 4.0mm의 3가지 조건을 대상으로 영 향성을 분석하였다.

    3. 해석결과

    3.1 유동해석

    워터제트 추진기의 유동해석에 따른 유체의 속 도와 압력을 Fig. 8 및 Fig. 9에 나타내었다. 유체의 최대 속도는 임펠러 부분에서 72m/s를 표시하고 있 으며, 유체의 최대 압력는 유도관과 임펠러 사이 에서 정압 1.1MPa을 나타내고 있다.

    워터제트 추진기의 축(임펠러 축, 테일 축)과 임 펠러 등에 작용하는 압력은 Fig. 10과 같고, 임펠 러 회전속도로 인해 음의 압력이 발생하였으며, 이때의 최대 압력은 임펠러 날개 부분에서 정압 – 3.8 kPa을 표시하였다.

    3.2 구조해석

    FSI 기법을 적용한 구조해석 결과를 Fig. 11~13에 나타내었다. 임펠러 축과 테일 축의 정렬편차가 없 는(0mm) 상태에서 최대 응력과 최대 변형률은 각 각 31.0MPa 및 1.5x10-4을 나타내고 있으며, 모두 임펠러 축 부분에 발생하고 있다. 그리고 변위는 테일 축의 베어링 블록으로부터 이격된 부위에서 최대변위인 1.3mm가 계산되었다. Fig. 12

    워터제트 추진기의 기술자료에 수록된 임펠러 축 과 테일 축의 최대 허용 정렬편차를 가질 때 (0.15mm)[8]와 실제 정렬편차(4.0mm)의 조건에 대해 응력과 변형률의 해석결과를 Fig. 14~15에 나타내었 다. 그림으로부터 정렬편차가 4.0mm일 때의 응력과 변형률이 정렬편차가 0.15mm일 경우보다 크게 증 가하고 있음을 알 수 있다.

    특히, 그림에서 좌측 임펠러 커플링 결합체 중 임펠러 축과 테일 축 체결용 볼트를 분리하여 우측 그림에 표시하였다. 임펠러 축 체결용 볼트는 14mm의 직경으로 16개가 사용되고 있고, 테일 축 체결용 볼트는 플렌지부 지름이 작아 12mm 직경으 로 8개를 적용하고 있다.

    워터제트 추진기에서 가장 큰 응력을 표시하고 있는 체결용 볼트(임펠러 축, 테일 축)의 최대응력 과 정렬편차의 관계를 Fig. 16에 나타내었다. 정렬 편차의 증가에 따라 임펠러 축과 테일 축 체결용 볼트의 최대응력이 선형적으로 증대하고 있음을 알 수 있으며, 특히 테일 축 체결용 볼트의 응력 증가 가 임펠러 축 체결용 볼트보다 현저하게 크다. 이 는 임펠러 축과 테일 축의 플렌지 부 직경이 상이 하고, 이로 인해 체결용 볼트 수가 다르기 때문으 로 사료된다.

    4. 고찰

    워터제트 추진기를 정비하기 위해 유도관, 임펠 러 축, 테일 축, 임펠러, 유압실린더 및 각종 체결 용 볼트 등을 분해하였다. 분해전에는 확인이 곤 란하였던 사항으로 Fig. 18에 나타낸 바와 같이 테일 축 체결용 볼트가 파단되어 있음을 알 수 있 었다. 볼트의 파단 원인 분석을 위해 볼트에 작용 하는 최대응력과 안전율을 Table 2에 나타내었다. 정렬편차가 0.15mm일 때에는 안전율이 16.3인 반 면에, 정렬편차가 4mm일 때에는 안전율이 0.9로 계산되어 파손 위험이 높음을 알 수 있다[9].

    아울러, 볼트의 재질을 강성이 높은 STS630(σY: 869MPa)으로 교체시 안전율은 1.6으로 기존 재질 인 S45C(σY : 490MPa)보다 다소 개선되나, 회전 체의 피로파괴 관점에서 볼 때 안전하다고 볼 수 없다. 또한, 테일 축 체결용 볼트 8개 중 4개가 파 단된 것과 관련하여 파단위치는 해석에서도 유사 한 경향을 확인할 수 있었다.

    이러한 임펠러 축 체결용 볼트 파손 원인을 분 석한 결과, 워터제트 추진기의 임펠러 축과 테일 축을 임펠러에 결합하기 전에 Fig. 20과 같이 약 4mm 수준의 정렬편차를 확인할 수 있었다. 그 이 유는 오랜시간 진동과 충격조건에서 용접 구조물 인 유도관을 사용함에 따라 휨 현상이 발생하였으 며, 이로인한 축의 정렬편차 발생을 억제할 수 있 는 유니버셜 조인트의 채용이나, 분리 축이 아닌 일체형 축 등의 미적용이 주요 원인으로 판단된다.

    5. 결론

    워터제트 추진기에 대해 유동해석과 구조해석을 수행하여 임펠러 축과 테일 축 체결용 볼트에 걸 리는 응력과 변형률 등을 검토하였다. 얻어진 결 과를 요약하면 다음과 같다.

    1. 워터제트 추진기의 임펠러 축과 테일 축 체결용 볼트에 응력과 변형률이 집중되고 있다.

    2. 워터제트 추진기 임펠러 축과 테일 축의 정렬 편차가 증가시 테일 축 볼트에 부가되는 응력이 선형적으로 크게 증대된다.

    3. 워터제트 추진기 테일 축 체결용 볼트의 파손은 임펠러 축과 테일 축의 정렬편차에 기인한 것으 로 판단된다.

    후 기

    이 논문은 2019년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. NRF-2019R1I1A3A01063935).

    Figure

    KSMPE-18-10-48_F1.gif
    Waterjet propulsion shape
    KSMPE-18-10-48_F2.gif
    Waterjet propulsion model
    KSMPE-18-10-48_F3.gif
    Sectional view of impeller coupling part
    KSMPE-18-10-48_F4.gif
    FSI interpretations concept
    KSMPE-18-10-48_F5.gif
    Mesh division
    KSMPE-18-10-48_F6.gif
    Boundary condition
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    Mesh division
    KSMPE-18-10-48_F8.gif
    Velocity of fluid
    KSMPE-18-10-48_F9.gif
    Pressure of fluid
    KSMPE-18-10-48_F10.gif
    Pressure acting on impeller
    KSMPE-18-10-48_F11.gif
    Result of stress distribution
    KSMPE-18-10-48_F12.gif
    Result of strain distribution
    KSMPE-18-10-48_F13.gif
    Result of displacement distribution
    KSMPE-18-10-48_F14.gif
    Analysis result according to axial alignment deviation (0.15mm misalignment)
    KSMPE-18-10-48_F15.gif
    Analysis result according to axial alignment deviation (4mm misalignment)
    KSMPE-18-10-48_F16.gif
    Stress due to misalignment
    KSMPE-18-10-48_F18.gif
    Photograph of bolt breakage
    KSMPE-18-10-48_F19.gif
    Shaft misalignment

    Table

    Material property
    Maximum stress and safety factor of bolt

    Reference

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