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표제지

목차

요약 5

기호설명 9

1. 서론 10

1.1. 연구 배경 10

1.2. 연구 목적 및 절차 11

2. 이론적 배경 13

2.1. 오리피스 유체 거동이론 13

2.1.1. 전달 유량 (Mass flow through valve) 13

2.1.2. 유효 유동 면적 (Effective flow area) 15

2.1.3. 유효 하중 면적 (Effective Force Area) 17

3. 유한요소해석 20

3.1. 해석 조건 20

3.2. 형상 모델링 및 격자 생성 20

3.2.1. A모델의 형상 및 격자 20

3.2.2. B모델의 형상 및 격자 22

3.3. 경계 조건 23

3.3.1. A모델의 경계 조건 23

3.3.2. B모델의 경계 조건 27

3.4. 소재의 물성 30

4. 해석 결과 및 고찰 31

4.1. A모델 해석 결과 31

4.1.1. 요소 크기 결정 31

4.1.2. A모델 해석 결과 32

4.2. B모델 해석 결과 48

4.3. C모델 해석 결과 53

5. 결론 56

참고문헌 57

Abstract 59

연구 실적 62

표목차

Table. 3.1. Mechanical properties of valve material 30

Table. 3.2. Fatigue strength of valve material 30

그림목차

Fig. 1.1. Sectional view of a reciprocating compressor 12

Fig. 2.1. One-dimensional model for orifice flow (mass flow rate) 13

Fig. 2.2. One-dimensional model for orifice flow (effective flow area) 16

Fig. 2.3. One-dimensional model for orifice flow :... 18

Fig. 3.1. Finite element modeling for model A :... 21

Fig. 3.2. Finite element modeling for model B :... 22

Fig. 3.3. Boundary condition for the analysis of model A. 24

Fig. 3.4. Ps-Pc (a) and Pc-Pd (b) for various suction and discharge pressures... 26

Fig. 3.5. Schematic explanation of valve spring assemblage process. 27

Fig. 3.6. Boundary condition for the analysis of model B :... 28

Fig. 3.7. Ps-Pc (a) and Pc-Pd (b) for various suction and discharge pressures... 29

Fig. 4.1. von-Mises stress distributions on suction valve for the number of element of... 31

Fig. 4.2. Deformed shape of suction valve at (a) opened state and (b) closed state, and... 32

Fig. 4.3. von-Mises stress distributions on suction valve in the case of... 34

Fig. 4.4. von-Mises stress values for 9 analysis cases (suction valve, model A) 35

Fig. 4.5. Safety factor distributions on suction valve in the case of... 37

Fig. 4.6. Summary of safety factor of suction valve using (a) principal stress (b)... 39

Fig. 4.7. Effect of (a) valve lift and (b) valve speed on maximum stress and... 40

Fig. 4.8. Effect of (a) valve lift and (b) valve speed on maximum stress in... 41

Fig. 4.9. Schematic illustration of seat width 41

Fig. 4.10. Stress distributions on suction valve for various seat widths :... 42

Fig. 4.11. Deformed shape of discharge valve at (a) opened state and (b) closed state,... 43

Fig. 4.12. Stress distributions on discharge valve in the case of :... 44

Fig. 4.13. Detailed view of maximum stress region on discharge valve 45

Fig. 4.14. Summary of maximum (a) von-Mises stress, and safety factor calculated... 47

Fig. 4.15. von-Mises stress distributions on suction valve in the case of :... 48

Fig. 4.16. Safety factor distributions on suction valve in the case of :... 49

Fig. 4.17. von-Mises stress distributions on discharge valve in the case of :... 50

Fig. 4.18. Detailed view discharge valve behavior at the instance of collision :... 51

Fig. 4.19. Safety factor distributions on discharge valve in the case of :... 52

Fig. 4.20. Schematic illustration of valve system (model C) 53

Fig. 4.21. von-Mises stress distribution on suction valve when the piston is at top... 54

Fig. 4.22. Detailed view of suction valve deformation when the piston is at top... 54

Fig. 4.23. Modified valve plate 55

Fig. 4.24. von-Mises stress distribution on suction valve for modified valve plate... 55

초록보기

 왕복동식 압축기의 밸브는 기업에서 제안하는 신뢰성 조건을 만족하기 위한 형상을 지니고 있어야 하며, 고압력 및 피스톤 속도에 의해 파손이 발생할 수 있다. 본 연구는 유한요소법(FEM)을 이용하여 압축기의 신뢰성 조건에서 밸브의 거동을 분석하고, 그에 따르는 파손의 경향을 분석하였다. 또한, 피로 개념을 이용하여 응력과 피로 안전계수를 통해 안전성을 검증하였다.

본 연구를 위한 압축기 모델은 A, B모델을 사용하였으며 압축기 밸브에 인가되는 압력은 본 연구실에서 개발한 In-house 프로그램을 사용하여 구현하였다. In-house 프로그램에 사용된 이론은 오리피스를 이용한 이론과 압축실 내 PVk ＝ Constant를 응용하여 개발되었다. 구해진 압력은 User-subroutine VUAMP와 VUFIELD 사용하여 ABAUQS 해석을 수행하였다. 이를 통해 각 압력조건에서 밸브의 신뢰성 평가를 수행하였으며 밸브의 신뢰성 성능을 평가하였다.

본 연구 결과 밸브에 발생하는 응력은 밸브와 플레이트의 충돌 부위와 충격파의 중첩과 관련 있고 밸브 거동에 관련이 있으며, 주응력을 이용한 안전계수를 사용하여 신뢰성을 판단할 때 von-Mises응력을 이용한 판단보다 실제 파단 위치를 보다 정확하게 분석 가능하다고 판단된다. 흡입밸브 충격부의 응력과 안전계수는 밸브 닫힘 속도 보다 열림량이 주인자이며 굽힘부는 회귀분석을 통해 열림량의 주된 인자로 판단하였다. 또한, 밸브 플레이트(Valve Plate)의 시트(Seat) 폭을 분석한 결과 밸브가 플레이트와 충돌 시 충돌 위치는 최대 응력의 크기와 관련 있지만 시트 폭에 따른 충돌 면적은 큰 영향이 없으므로 시트 폭은 중요한 인자가 아님을 확인하였다.

본 연구를 통해 냉장고용 압축기 검증과정을 유한요소를 통해 분석하고 제품 개선과정에 있어 신뢰성을 확보하며 추후 제품 개발에 있어 유한요소해석을 응용할 수 있다.

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