CFD 해석을 이용한 배관지지용 유압식 완충기의 밸브 스프링 설계 및 지지하중 평가
Valve spring design and load-carrying capacity evaluation of hydraulic snubbers for supporting pipes through CFD simulations
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초록
플랜트 배관지지에 사용되는 유압식 완충기는 일상적인 하중 조건에서는 충격을 흡수하여 구조물에 하중을 전달하지 않지만 지진과 같이 일상적인 범위를 벗어나는 동하중이 작용하는 경우에는 배관을 구조물에 구속시켜 하중을 전달하고 배관의 진동을 억제하는 기능을 한다. 이러한 유압식 완충기의 거동은 여러 부품들의 상호작용에 의해 결정되므로 유압식 완충기의 설계에는 높은 기술력이 요구된다. 본 논문에서는 유압식 완충기의 전체적인 구조와 제어밸브의 작동원리에 대해 분석하였으며, 유압식 완충기의 인장 또는 압축에 따른 제어밸브 부품의 이동을 고려하여 CFD 해석을 수행함으로써 제어밸브를 통과하는 유압유 유동에 대해 고찰하였다. CFD 해석결과를 바탕으로 목표 성능을 만족시키기 위한 밸브 스프링의 강성을 설계하였으며 완충기가 지지할 수 있는 인장 및 압축 하중을 계산하였다. 특히, 온도에 따른 유압유의 점도를 반영함으로써 유압유 점도 변화가 지지하중에 미치는 영향을 평가하였고 가혹하게 높은 온도 조건에서의 완충기의 성능저하를 예측하였다. 본 논문에서 제시한 연구결과는 유압식 완충기의 구조 설계와 유압유 선정에 대한 기초로 활용될 수 있을 것이다.
Abstract
Hydraulic snubbers used for supporting the pipes in plant structures can absorb shocks applied to the pipes under normal loading conditions and in turn do not transmit any load to the structures. In contrast, under extreme dynamic loading conditions, such as an earthquake-induced force, these snubbers secure the pipes and carry the load to the structures to reduce pipe vibration. Because the operating behavior of these snubbers is governed by complex interactions of their various internal components, a high technical skill is required for the sophisticated design of these snubbers. In this study, we first obtained a full understanding of the overall structure of a hydraulic snubber and the operating principles of its control valves. We then conducted computational fluid dynamics (CFD) simulations of hydraulic oil flow through the control valves by considering the internal positions of the valve components under tension and compression of the snubber. Furthermore, based on the CFD results, the valve spring stiffness was designed to achieve the target performance, and the load-carrying capacity of the snubber was evaluated under tensile and compressive conditions. We also discussed the effect of temperature-dependent viscosity of hydraulic oil on the load-carrying capacity of the snubber. This study provides a basis for the structural design of a hydraulic snubber and the selection of hydraulic oil.
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