압축성유체용 글로브밸브의 최적 콘 형상 개발

Abstract

유공압(fluid power)이란 압축유체의 생성, 제어, 전송을 다루는 기술이다. 유공압 기술은 1650년, 밀폐된 용기 내에서 유체의 압력은 줄지 않고 그대로 전달된다는 파스칼의 법칙(pascal’s law)을 발견한 후 사실상 시작되었으며 제 2차 세계대전 이후 경제가 팽창되면서 오늘날 유공압이 적용된 예는 헤아릴 수 없을 정도로 많아졌다. 대부분의 산업 분야에 유공압이 사용되고 있다고 볼 수 있는데, 예를 살펴보면 자동차, 트랙터, 항공기 등이 있다(Anthony 2009). 유공압은 제어의 용이성과 높은 정확도, 단순성 등과 같은 다양한 장점이 있지만 유체 누설 문제나 마찰로 인한 에너지 소실과 같은 결점 또한 다양하기 때문에 높은 완성도를 가지고 설계되어야 시스템 안정성이 보장될 수 있다. 설계를 위한 유공압 기술 부품 중, 결점을 보완하기 위한 부품은 셀 수 없을 정도로 많지만 이 중 모든 기술에 공통적으로 사용되어지는 기기가 바로 제어밸브(control valve)이다. 유공압 구동장치의 구성요소는 일반적으로 펌프 및 압축기, 제어밸브, 액추에이터, 기타 부속 기기 등의 조합으로 구성되어지며 이들 가운데 제어밸브는 구동장치에서 요구되는 힘, 속도 및 방향의 제어를 행하기 위한 기기를 말한다. 제어밸브는 사용 용도에 따라 크게 압력 제어밸브, 유량 제어밸브, 방향 제어밸브로 나뉘며 각 제어밸브에서도 동작 형태에 따라 여러 가지로 나뉜다. 위와 같이 밸브의 종류가 다양한 만큼, 각 밸브의 설계 및 제작에 있어서 수많은 계산과 실험을 하여야 되기 때문에 사용자가 원하는 밸브를 설계하거나 개발하는 작업에는 수많은 시간과 노력이 필요하다. 덧붙여, 다양한 형상을 가진 밸브 각각의 유동 특성을 실험적으로 측정하거나 개발하는 작업은 시간적으로나 공간적으로 제한이 있다. 이렇게 개발에 필요한 모든 자료를 실험적으로만 얻으려고 하는 것은 비효율적이다. 그렇기 때문에 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD) 해석 기법을 사용한다면 실험에서 얻기 어려운 많은 자료를 얻을 수 있으며 설계 및 개발 소요 시간이 많이 단축되어 제작에 있어 큰 도움이 된다. 이에 본 연구에서는 제어밸브 중 밸브를 밸브 시트에 눌러 개폐를 실행하는 글로브밸브를 대상으로 밸브의 비압축성유체(incompressible fluid) 특성을 이론적으로 계산하는 방법을 이용하여 CFD해석 결과 및 실험적 결과의 비교검증을 완료한다. 검증된 3D 모델을 이용하여 밸브 유량 특성을 개선하기 위해, 먼저 압축성유체(compressible fluid) 특성을 이론적으로 계산하는 방법을 제시하며 개발 과정에서 밸브 내부 작동 모듈(function module) 중 하나인 콘(cone) 형상을 노치가 없는 콘, U자형 노치 형상의 콘 그리고 V자형 노치 형상의 콘 총 3가지를 모델링한 후 CFD해석을 진행한다. 유동 해석을 통해 세 형상 각각의 유동 특성을 살핌과 동시에 수치해석을 통해 글로브밸브의 개도율(opening rate) 및 압력비에 따른 압축성유체의 특성을 고찰하여 최적 콘 형상을 제시한다.