펌프 집합체 유동 및 구조해석

HYOSUNG EBARA

펌프 집합체 유동 및 구조해석

발표자 : 효성에바라㈜ 기술연구소 차장 김현식

HYOSUNG EBARA

목차

1. 개요

1) 펌프의 제원

2) 펌프의 형상

3) 펌프의 점검

2. 파손원인 분석

3. 이론적 검토

1) 볼트의 체결 토크와 체결력

2) 볼트와 부재의 체결 선도

3) 볼트의 풀림 거동

4) A197 B7 볼트의 체결력과 인장 응력

5) A453 Gr 660볼트의 체결력과 인장 응력

6) 수계산에 의한 부하 계산

4. 전산유동 해석

1) 유동해석 모델 및 경계 조건

2) 유동 해석 결과

3) ANSYS WORKBENCH 입력 조건 검토

5. 볼트의 작용력 검토

1) 작용력 검토 개요

2) 수계산 결과

3) 이론적 방법과 해석을 통한 수계산 결과 비교

4) FSI 기법을 활용한 구조해석

5) 열응력 계산

HYOSUNG EBARA

1. 개요

울진 5호기 2차 계획예방정비 기간 저압안전주입펌프 B

분해 점검 중 디퓨저 고정볼트 이탈 확인 [2006.09.19]

저압안전주입펌프 디퓨저 고정볼트 이탈 원인에 대한

상세원인조사를 실시하여 체결부위 개선방안을 수립함.

HYOSUNG EBARA

1. 개요

펌프 규격1. 명칭 / 대수 : 저압안전주입펌프(정지냉각펌프) / 2대(A,B)/호기2. 공급/제작사 : 두산중공업 / 효성에바라-Flowserve(미) 3. 형 식 : 수직 단단 원심식4. 정격유량/수두 : 3,850 gpm / 335 ft 5. 회전수/모터동력 : 1,778 rpm / 600 HP 6. 이송 유체 : Reactor Coolant 및 재장전분산수

디퓨저 고정볼트 / 로크와셔 규격 및 기능1. 규격

볼트(Hex Socket Cap Screw) : 1/2", L50mm, 무게 50g/개 [총 8개], ASME 193 Gr.B8 로크와셔(Lock Washer) : 1/2", 무게 6g/개 [총 8개]

2. 기능펌프 운전시 유체반력에 따른 디퓨저의 움직임을 제한하며, 펌프 케이스에고정하는 역할

※ 고정볼트가 이탈되더라도 펌프커버가 디퓨저를 눌러 고정하므로 펌프성능에는 영향 없음

1.1 펌프의 제원

HYOSUNG EBARA

1. 개요

펌프 공장 시험 사진 펌프 단면형상

PUMP CASE

IMPELLER

디퓨져 볼트

DIFFUSER

1.2 펌프의 형상

HYOSUNG EBARA

1. 개요

디퓨져와 케이싱 체결볼트 파단 및 이탈상태 확인.

볼트 2EA 이탈 (Bolt 미확인)

볼트 6EA 파단 (Bolt Head부 잔재 미확인)

와샤 8EA 모두 이탈.

케이싱 체결부 볼트잔재 확인. (6EA; Thread 부 12~13mm만 잔류)

3EA : 전면 파단.

3EA : 변형 후 파단 (부분 파단)

디퓨져 점검

이탈된 볼트와 볼트 Head부에 의해 디퓨져 면에 긁힌 흔적이 있음.

디퓨져 볼트 Hole부 마모와 변형 발생.

비파괴(PT)검사 결과 이상 없음을 확인.

회전차 점검

회전차 전면 슈라우드부 표면에 이탈된 볼트와 볼트 Head부에 의한 긁힌 흔적이있음.

비파괴(PT)검사 결과 이상 없음을 확인.

1.3 펌프의 점검

HYOSUNG EBARA

1. 개요

Discharge

볼트 2개가 이탈된 위치 확인=> 해석시 적용

볼트의 나사부가케이스에 체결된상태에서 절단된잔재 확인 (6개)

볼트 2개가나란히 이탈된상태 확인

1.3 펌프의 점검

HYOSUNG EBARA

2. 파손 원인 분석

디퓨져 결합 볼트의 파손 원인을 다음과 같이 추정함.

1. 최초 2개의 볼트가 이탈됨

2. 볼트 2개의 이탈에 의해 이탈 볼트의 측면의 볼트에 과도한

부하가 집중된 것으로 보임.

3. 부하가 집중된 볼트는 크랙이 발생하여 파손된 것으로 보이며

4. 나머지 볼트는 허용 강도 이상의 부하가 입력되어 단번에

파손된 것으로 보임.

상기의 원인 분석에서 최초 볼트 2개의 이탈에 의해 나머지 볼트가

파손된 것으로 추정함.

볼트의 파손원인을 2개의 볼트의 이탈에 중점을 두고 해석을 수행함.

HYOSUNG EBARA

3. 이론적 검토

dkTFm ×

=

Where,

Fm = 볼트에 걸리는 체결력

T = 체결 Torque [kgf·m]

k = torque 계수, 0.15~2.5 (일반적으로 0.2)

d = 볼트의 유효 직경[m]

볼트의 체결 Torque에 의하여 볼트 부재에 작용하는 체결력은 다음과 같다.

3.1 볼트의 체결 토크와 체결력

HYOSUNG EBARA

3. 이론적 검토

Fm = assembly preload

fsm = elongation of screw by Fa

fpm = deflection of clamped parts by Fa “compression”

Fa = Axial OperationgLoad

Fsa = additional force; Potrion of axial force Fa that additionally loads the screw

Fpa = Portion of the axial force Fa that relieves contact pressure in the joint members

Fs = Forces in screw

Fkr = Minimum residual clamping force at the interfaces of joint members on relief by Fpa

• 축방향 외력 Fs가 작용할 때, 실제 추가적으로 부여되는 힘의 크기가 Fsa 임.

• 즉, 축 방향 외력 Fs의 크기가 볼트 체결에 의한 인장력 Fm보다 작을 경우, 축 방향 외력 Fs에의한 외력이 볼트에 영향을 미치지 못함을 나타낸다.

3.2 볼트와 부재의 체결 선도

HYOSUNG EBARA

3. 이론적 검토

1. Loosening of bolted joints

• 볼트 Joint의 풀림은 축방향 힘에 의해 시작된다.

• Rough한 면은 평평해지고, 접촉면은 항복이 발생함.

• Preload loss is the result of setting (Relaxation) of the joint members

2. Rotational-loosening of screws or nuts:

• Dynamic shear forces Fq action upon the bolted joint, causing the joint members to slip back and forth. This will prompt screws and nuts to rotate, thus reducing the preload untill it is zero

3. Loss of screws or nuts:

• Under constant dynamic forces the screws/nuts slack off until they come apart.

볼트의 풀림은 볼트의 축 방향으로 인장력이 작용하여 부재접합면이 충분히 헐거워져야 한다.

3.3 볼트 풀림 거동

HYOSUNG EBARA

3. 이론적 검토

볼트에 대해 30lb·ft의 체결 Torque를 적용하였을 때, 볼트에 부가되는 체결력은 다음과 같다.

• 볼트의 단면적으로 고려하였을 때 체결력에 의해 발생하는 응력은인장 방향으로 25424psi(175MPa)가 작용한다.

25424psi0.1416in3600lbs 인장응력 걸리는 볼트에

0.1416in응력면적 볼트의0.5"

36001633kgf0.01270.2

m4.1477kgfF 체결력

m4.1477kgfft30lb

2

2

==∴

=

==×

⋅=∴

⋅=⋅

3.4 A193 B7 볼트의 체결력과 인장 응력

HYOSUNG EBARA

3. 이론적 검토

42373psi0.1416in6000lbs

력인장 걸리는 볼트에

0.1416in 볼트의

6000lbs2721.6kgf0.01270.2

m6.9128kgfF 체결력

m6.9128kgflt50lb

2

2

==∴

=

==×

⋅=∴

⋅=⋅

응

응력면적

볼트에 대해 50lb·ft의 체결 Torque를 적용하였을 때, 볼트에 부가되는 체결력은 다음과 같다.

• 볼트의 단면적으로 고려하였을 때 체결력에 의해 발생하는 응력은인장 방향으로 42373psi(292MPa)가 작용한다.

3.5 A453 Gr660 볼트의 체결력과 인장 응력

HYOSUNG EBARA

3. 이론적 검토

3.6 수계산에 의한 부하 계산

유동에 의해 볼트에작용하는 Shear Stres 계산

조합된 부하를 이용하여 볼트에작용하는 작용력을 계산함.

디퓨져에 작용하는UP&DOWN Force 계산

22

dnup

22up

22dn

4StressShear -Tensile Combined

FFF Force Net Up

)(F Force UpTotal

),,,()(F ForceDown Total

Diffuseron LoadRotation ;

Load TorqueRotation FluidImpeller ; 5.0

)tan(

τσ

σ

π

π

τ

α

ω

⋅+=

⋅=

−=

−⋅⋅=

+−⋅⋅=

⋅=

⋅⋅

=

strb

do

diRRdidoR

strb

c

c

ANF

rRP

VrRPFRRP

ANF

CTorqueF

HYOSUNG EBARA


1. 볼트를 포함한 케이싱 및 디퓨져의 3D 형상 작성

2. CFX를 이용하여 유동해석 실시

• 내부유동 검토 ; PRESSURE, 속도 등

• ANSYS WORKBENCH의 하중 입력조건(Initial Pressure) 검토

펌프의 구조해석 방안

FSI 기법 (FLUID-STRUCTURE INTERACTION)

CFX FLUID FIELD ANALYSIS

ANSYS MECHANICAL STRUCTURAL FIELD

ANALYSIS

FORCES

PRESSURE

HYOSUNG EBARA


1778 rpm회전수

대기압입구

High

Resolution

수치해석

기법

SST난류 모델

430GPM출구

경계조건

4.1 유동 해석 모델 및 경계조건

LPSI 펌프 유동해석 모델 및 경계조건

HYOSUNG EBARA


YZ 단면에서의 정압 분포

4.2 유동 해석결과

YZ 단면에서의 속도 분포

HYOSUNG EBARA


YZ 단면에서의 속도 벡터

4.2 유동 해석결과

HYOSUNG EBARA


PDOWN2

PDOWN2

PDOWN1

PUPPDOWN1

PUP

가정 : 임펠러 출구단과Pdown1가 작용하는 면의압력은 동일함 (FLS와동일한 가정)

4.3 ANSYS WORKBENCH 입력조건 검토

HYOSUNG EBARA


볼트에 작용하는 작용력을 측정하기는 어려우므로 해석에

의하여 볼트의 작용력을 추정함.

Flowserve의 볼트 해석과 유사하게 HECO에서 해석을

수행하고, 그 결과를 비교함.

CFX 해석을 이용하여 디퓨져에 작용하는 Pressure를

산출하여 수계산함.

CFX와 ANSYS WORKBENCH를 이용하여 FSI 기법을

통해 전산 해석을 수행함.

5.1 작용력 검토 개요

HYOSUNG EBARA


5.2 수계산 결과

수계산에 의한 하중 계산방법

유동 해석에 의하여디퓨져에 작용하는UP&DOWN Pressure 계산

PDOWN2

PDOWN1

PUP

응력 단위로 계산하여볼트 1개당의단면적으로 볼트작용력을 계산함. 가정 : 임펠러 출구단과

Pdown1가 작용하는 면의압력은 동일함 (FLS와동일한 가정)

HYOSUNG EBARA


5.3 이론적 방법과 해석을 통한 수계산 결과 비교

2.24 1.19 Load Ratio (FPreload1 / FOP)

3600 lbsPreload (FPreload1)A193 B8

볼트

-849 lbsMin. Thermal Load

-5996 psiMin. Thermal Stress

1609 lbs3016 lbsOperation Load (FOP) [lbs]

11364 psi21300 psiTotal Static-Dynamic Pressure Stress ( SI * 1.1)

10331 psi19317 psiStress Intensity (Combine Tensile & Shear Stress)

10283 psi19317 psiTensile Stress

1460 lbs2741 lbsTensile Force

Axial

Operating

HECO구 분

HYOSUNG EBARA

5. 볼트의 작용력 계산

5.4 FSI 기법을 활용한 구조해석

• CFX 해석을 이용하여 디퓨져에 작용하는 Load를

산출하여 수계산함.

• CFX 해석 결과를 ANSYS Workbench의 Input 파

일로 입력하여 해석을 수행함.

CFX에서 계산된 부하의 적용

HYOSUNG EBARA


Equivalent Stress Analysis


HYOSUNG EBARA


Normal Stress (Tensile Direction)


HYOSUNG EBARA

전체 볼트 중 2개가 제거된상태에서의 구조해석 실시

응력이 최대인 부분은 볼트가 제거

된 부위의 양쪽 볼트에서 발생함.

전체적으로 제거된 볼트측의 디퓨

져에서 최대의 변형이 발생하였음.

모델에 비해 볼트의 크기가 극히 작

으므로 Max. Equivalent Stress를 적

용할 경우, 볼트에 집중되는 응력이

낮게 나타날 수 있으므로, Stress Intensity를 적용함.

해석결과; Deformation


5.4 FSI 기법을 활용한 구조해석 – 볼트 이탈시

HYOSUNG EBARA

Max. Equivalent Stress



HYOSUNG EBARA

Max. Stress Intensity



HYOSUNG EBARA


운전 조건에서 온도 상승에 의한 개선 후 볼트의 열응력 해석

입력 사항 : 온도 - 400°F (204°C),

케이스와 볼트 재질의 열팽창 계수

5.5 열응력 계산

열팽창 계수의 차이에 의하여 볼트에 작용하는 응력변화의 크기를 계산

HYOSUNG EBARA

펌프 집합체 유동 및 구조해석

Documents