고압용 볼 밸브의 토크 저감 설계 (Torque Reduction Design of a High-Pressure Ball Valve)

서지정보

· 발행기관 : 대한기계학회
· 수록지 정보 : 대한기계학회논문집 A / 46권 / 4호 / 399 ~ 405페이지
· 저자명 : 강효림, 박형준, 황해성, 한승호

초록

수소 충전소는 고압, 극저온의 환경에서 운용되기 때문에 기존의 산업에서 사용되고 있는 부품을 이용하기에는 한계가 있다. 특히 수소 충전소의 20%를 이루고 있는 밸브의 경우, 수소 가스 누출 시 폭발을 방지하기 위한 정교한 유량 제어 및 기밀성을 충족해야 하는 고도의 설계 기술을 요구하고 있다. 본 연구에서는 고압 및 -253°C의 초저온 환경에서 운용 가능한 수소 충전소용 105 MPa급 볼 밸브를 대상으로 성능 평가를 수행하였다. 유량 특성 평가는 유사한 형상을 갖는 기존 밸브와의 성능 비교를 위하여 상온의 물을 작동 유체로 고려한 경우와 실제 밸브의 작동 환경을 고려한 -253°C의 액상 수소를 적용하여 진행되었다. 유체-구조 연성 해석을 통하여 밸브 트림 부의 구조 안전성 평가 및 구동 토크의 변화를 확인하였으며, 아울러 시트의 치수 최적화를 통하여 토크 저감 설계를 실시하였다. 토크 저감 설계의 결과 최대 토크 값의 경우 44.00에서 35.23 N·m으로 약 20% 수준의 토크 저감이 이루어진 것을 확인하였다.

영어초록

Hydrogen charging stations operate in high-pressure and cryogenic environments, requiring limitations for components applied in conventional industries. In particular, the valves composed about 20% in hydrogen charging stations require sophisticated flow control and seat tightness which meet the requirement to prevent leakage and risk of explosion. In this study, a performance evaluation of the 105 MPa-class ball valves for hydrogen charging stations was performed, which are operated at this high pressure and at a cryogenic temperature of -253°C. To estimate the flow characteristics, the working fluid was considered to be water at room temperature, and the obtained results were compared with the existing valve's characteristics. Subsequently, liquid hydrogen at -253°C was applied as the working fluid considering the actual hydrogen charging station operational environment. A fluid-structure interaction analysis was conducted to estimate the structural safety of trim parts and the driving torque changes owing to the rotation of the ball valve stem. In addition, a size optimization for three shape design variables of the seat was performed to minimize the driving torque. The results demonstrated that the driving torque was decreased by approximately 20% in comparison with the initial design model.

참고자료

· 없음