KR102611804B1 - 캐비테이션 터널을 이용한 내침식 평가 시험장치 - Google Patents

캐비테이션 터널을 이용한 내침식 평가 시험장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 도료나 금속의 내침식 평가 시험을 캐비테이션 터널을 이용하여 실제 유체 유동과 유사한 조건하에서 수행할 수 있고, 시편의 위치 및 속도 조건을 다양하게 상정하여 간편하고 효과적으로 시험할 수 있도록 하는 캐비테이션 터널을 이용한 내침식 평가 시험장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 캐비테이션 터널을 이용한 내침식 평가 시험장치는, 유체가 순환되는 터널 내부에 유체의 흐름 방향과 나란하게 배치되는 구동축(22a)과, 상기 구동축(22a)의 단부에 설치되어 회전하는 회전 원판 기구(24)를 구비하며, 상기 회전 원판 기구(24)는, 유체의 흐름 방향과 직교하는 제1 주면(102)과 제2 주면(104)을 가지는 원판(100)과, 상기 원판(100)의 제1 주면(102) 또는 제2 주면(104) 중 어느 한쪽의 면 또는 양쪽의 면에 돌출하여 부착되는 복수의 웨지(200)와, 상기 웨지(200)의 회전 후행 방향에 인접한 위치에 부착되어, 상기 원판(100) 회전 시 상기 웨지(200)에 의해 발생하는 유동 박리에 의한 캐비테이션을 받는 시편(300)을 구비한다.

Description

캐비테이션 터널을 이용한 내침식 평가 시험장치{EROSION-RESISTANT ESTIMATION TEST APPARATUS USABLE CAVITATION TUNNEL}
본 발명은 내침식 평가 시험장치에 관한 것으로서, 특히 도료나 금속의 내침식 평가 시험을 캐비테이션 터널을 이용하여 실제 유체 유동과 매우 유사한 조건하에서 수행할 수 있고, 시편의 위치 및 속도 조건을 다양하게 상정하여 간편하고 효과적으로 시험할 수 있도록 하는 캐비테이션 터널을 이용한 내침식 평가 시험장치에 관한 것이다.
선박의 추진 장치인 프로펠러의 후단부의 허브 부분에서 생성되는 허브 보텍스(hub vortex), 프로펠러 날개 끝 부분(tip part)에서 생성되는 팁 보텍스 등에 의한 급격한 압력강하에 의해 기포가 발생하고, 그 기포가 프로펠러 날개, 허브, 또는 러더 등의 표면에 부착 또는 인접하여 파괴될 때의 충격에 의해 프로펠러 날개나 러더의 표면 침식을 유발하기 때문에, 프로펠러, 허브, 러더 등은 침식에 대비하여 그 재료와 도료를 선택하고 있다.
이룰 위해 종래에 알려진 다양한 내침식 시험 장치 중 하나가 특허문헌 1에 개시되어 있다.
특허문헌 1에 개시된 내침식 시험장치는, 수조 내에 시편을 고정하고, 시편에 초음파 진동을 가하여 침식 상태를 확인하는 것이다.
이 방법은, 시험 시간이 짧아 내침식성 평가에 많이 쓰이기는 하나, 유체 유동 중에 일어나는 실제 캐비테이션 현상을 구현하지 못하여 정확한 결과를 얻기 어려운 한계가 있다.
또한, 종래에 유동 튜브 내에 실린더를 횡단하도록 배치하고 실린더 표면에 시편을 부착하거나, 유통 튜브 내에 험프(hump)를 고정하고 험프 하류 측에 시편을 고정시켜, 시편에 악성 캐비테이션을 발생하도록 하여 재료의 내침식성 시험을 수행하였다.
이 방법은, 시편을 고정하여 시험하기 때문에, 캐비테이션에 의한 침식을 발생시키기 위해서는 매우 빠른 유속이 필요하다. 또한, 빠른 유속에 의해 터널 내부의 압력이 낮아지므로 악성 캐비테이션이 발생하도록 하기 위해서는 터널 내부에 큰 압력을 가해주어야 하는 단점이 있다. 또한, 내침식성을 평가할 수 있을 정도의 빠른 유속과 유동 조건으로 운용할 수 있는 터널의 구현에는 많은 어려움이 따른다.
특허공개 제10-2013-0041534(2013.04.25.) 등록특허 제10-1852150호(2018.04.19.) 등록특허 제10-1821763호(2018.01.18.) 등록특허 제10-1402452호(2014.05.26.) 등록특허 제10-1845963호(2018.03.30.)
본 발명은 위와 같은 종래의 시험 상황을 개선하고자 하는 것으로, 본 발명의 목적은, 도료나 금속의 내침식 평가 시험을 캐비테이션 터널을 이용하여 실제 유체 유동과 유사한 조건하에서 수행할 수 있고, 시편의 위치 및 속도 조건을 다양하게 상정하여 간편하고 효과적으로 시험할 수 있도록 하는 캐비테이션 터널을 이용한 내침식 평가 시험장치를 제공하는 것에 있다.
위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 한 형태에 따른 캐비테이션 터널을 이용한 내침식 평가 시험장치는, 유체가 순환되는 터널 내부에 유체의 흐름 방향과 나란하게 배치되는 구동축(22a)과, 상기 구동축(22a)의 단부에 설치되어 회전하는 회전 원판 기구(24)를 구비하며, 상기 회전 원판 기구(24)는, 유체의 흐름 방향과 직교하는 제1 주면(102)과 제2 주면(104)을 가지는 원판(100)과, 상기 원판(100)의 제1 주면(102) 또는 제2 주면(104) 중 어느 한쪽의 면 또는 양쪽의 면에 돌출하여 부착되는 복수의 웨지(200)와, 상기 웨지(200)의 회전 후행 방향에 인접한 위치에 부착되어, 상기 원판(100) 회전 시 상기 웨지(200)에 의해 발생하는 유동 박리에 의한 캐비테이션을 받는 시편(300)을 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 형태에 따른 캐비테이션 터널을 이용한 내침식 평가 시험장치는, 유체가 순환 가능한 폐 루프 형태의 순환 터널(10); 상기 순환 터널(10)의 하부 구간에서 유체를 순환시키는 순환 펌프(12); 상기 순환 터널(10)의 상부 구간에 형성되는 터널 관측부(14); 상기 터널 관측부(14) 내에 유체의 흐름 방향과 나란하게 배치되는 구동축(22a); 상기 구동축(22a) 단부에 설치되어 회전하는 회전 원판 기구(24)를 구비하며, 상기 회전 원판 기구(24)는, 유체의 흐름 방향과 직교하는 제1 주면(102)과 제2 주면(104)을 가지는 원판(100)과, 상기 원판(100)의 제1 주면(102) 또는 제2 주면(104) 중 어느 한쪽의 면 또는 양쪽의 면에 돌출하여 부착되는 복수의 웨지(200)와, 상기 웨지(200)의 회전 후행 방향에 인접한 위치에 부착되어, 상기 원판(100) 회전 시 상기 웨지(200)에 의해 발생하는 캐비테이션을 받는 시편(300)을 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 캐비테이션 터널을 이용한 내침식 평가 시험장치에 있어서, 상기 터널 관측부(14)의 내부에 유체의 흐름 방향과 나란하게 설치되는 수중 모터가 내장된 동력부(22)를 구비하고, 상기 동력부(22)의 출력 측에 상기 구동축(22a)이 연결되며, 상기 터널 관측부(14)의 외부에 상기 동력부(22)에 전원을 공급함과 함께 상기 동력부(22)를 지지하는 설치 구조물(26)이 구비되어도 좋다.
본 발명에 따른 캐비테이션 터널을 이용한 내침식 평가 시험장치에 있어서, 상기 웨지(200) 및 시편(300)은 구현하고자 하는 원주 속도에 따라 원판(100)의 회전 중심으로부터 반지름을 달리하여 복수 지점에 설치되어도 좋다.
본 발명에 따른 캐비테이션 터널을 이용한 내침식 평가 시험장치에 있어서, 상기 웨지(200)는, 원기둥 형태로 구성하는 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 캐비테이션 터널을 이용한 내침식 평가 시험장치에 의하면, 캐비테이션 터널 내에서 회전하는 원판에 시편을 부착하여 내침식성 평가 시험을 수행함으로써, 실제 유체 유동과 유사한 조건하에서 좀 더 정확한 평가가 가능해지고, 시편의 위치 및 속도 조건을 다양하게 상정할 수 있어 내침식성 시험을 간편하고 효과적으로 수행할 수 있다.
도 1은, 본 발명에 따른 시험장치의 설치 상태를 나타내는 도면이다.
도 2는, 본 발명에 따른 시험장치를 자세하게 나타내는 사시도이다.
도 3은, 본 발명에 따른 시험장치의 정면도이다.
도 4는, 본 발명에 따른 시험장치의 측면도이다.
이하, 첨부도면을 참조하면서, 하나의 실시 예를 통해 본 발명에 따른 캐비테이션 터널을 이용한 내침식 평가 시험장치를 자세하게 설명한다.
도 1에는, 본 발명에 따른 시험 모듈(20)을 캐비테이션 터널 장치(2)에 설치한 상태를 나타내는 도면이 도시되어 있다.
캐비테이션 터널 장치(2)는, 유체가 순환되는 터널로서, 특허문헌 2 및 특허문헌 3 등에 개시된 바와 같은 공지의 캐비테이션 터널 장치를 이용할 수 있다.
도 1을 참조하면, 캐비테이션 터널 장치(2)는, 하부로부터 상부에 걸쳐서 유체가 순환 가능한 폐 루프 형태의 순환 터널(10)을 구비하고, 순환 터널(10)의 하부 구간에 유체를 순환시키는 순환 펌프(12)가 구비된다.
그리고 순환 터널(10)의 상부 구간에는 터널 관측부(14)가 형성되어, 터널 내부의 시험 상황을 외부에서 확인할 수 있도록 되어 있다.
터널 관측부(14) 내에는, 터널 관측부(14)의 내부에 유체의 흐름 방향과 나란하게 설치되는 동력부(22)가 구비되고, 동력부(22)의 출력 측에는 회전 원판 기구(24)가 장착되어, 동력부(22)에 의한 회전 동력을 받아 회전 원판 기구(24)가 회전하도록 되어 있다.
터널 관측부(14)의 외부에는, 상기 동력부(22)를 지지하면서 동력부(22)에 구동 전원을 공급하거나, 회전 구동력을 전달하기 위한 설치 구조물(26)이 구비된다.
상기 동력부(22)는, 그 내부에 직접 수중 모터를 내장한 형태로 구성할 수 있으며, 이 경우 수중 모터의 출력 측 단부에 회전 원판 기구(24)가 연결된다. 수중 모터와 회전 원판 기구(24) 사이에는 소정의 감속기를 연결하여도 좋다. 이 경의 감속기의 출력축 단부에 회전 원판 기구(24)가 연결된다.
이와는 달리, 설치 구조물(26)에 구동 모터를 구비하고, 구동 모터로부터 동력 전달 기구(예; 축과 기어로 구성되는 동력 전달 기구)를 통해 동력부(22)에 연결하고, 동력부(22)의 출력축 단부에 회전 원판 기구(24)를 연결하여도 좋다. 이 경우, 동력부(22)는 동력의 전달 방향을 바꾸는 기구(예; 베벨 기어 기구)와 감속기로 이루어질 수 있으며, 회전 원판 기구(24)는 감속기의 출력축에 연결된다.
상기 설치 구조물(26), 동력부(22), 그리고 동력부(22)에 대한 회전 원판 기구(24)의 연결 구성은, 특허문헌 3 및 특허문헌 4에 개시된 구조와 같은 형태 일 수 있다.
도 2 내지 도 3은 본 발명에 따른 시험장치를 자세하게 나타내는 것으로서, 도 2에는 사시도가 도시되어 있고, 도 3에는 정면도가 도시되어 있다.
도 2 내지 도 3을 참조하면, 앞에서 설명한 바와 같이, 유체의 흐름 방향과 나란하게 배치되는 구동축(22a)의 단부에 회전 원판 기구(24)가 연결되어 있다.
회전 원판 기구(24)는, 원판(100), 웨지(200) 및 시편(300)을 포함한다.
원판(100)은, 유체의 흐름 방향과 직교하는 제1 주면(主面)(102)과 제2 주면(104)을 가진다.
웨지(200)는, 상기 원판(100)의 제1 주면(102) 또는 제2 주면(104) 중 어느 한쪽의 면이나, 양쪽의 주면(102, 104) 모두에, 돌출하여 부착된다.
그리고 상기 시편(300)은, 웨지(200)의 회전 후행 방향, 즉, 웨지(200)의 ㅎ회전방향 후방에서 웨지(200)에 인접하여 부착된다.
따라서, 원판(100)이 회전할 때, 웨지(200)에 의해 발생하는 캐비테이션을 시편(300)이 받도록 하여 시편(300)에 침식이 발생하도록 한다.
요컨대, 시편(300)에 침식을 유발하는 캐비테이션은, 캐비테이션이 붕괴할 때 발생하는 마이크로 제트(micro-jet)와 충격파를 발생하는 구름 캐비테이션(cloud cavitation)을 말한다. 따라서, 현실의 유체 기계에서 발생하는 구름 캐비테이션과 동일한 매커니즘을 갖도록 시편(300)의 전방에 웨지(200)를 배치하여, 도 3에 도시된 것처럼, 웨지(200) 후방에 유동 박리에 의한 구름 캐비테이션이 생성되도록 하여, 웨지(200) 후방에 배치된 시편(300)에 침식이 생기도록 한 것이다.
일반적으로 웨지(200)의 형상에 따라 캐비테이션의 강도에는 큰 변화는 없으나, 유속이 빨라짐에 따라 캐비테이션의 강도가 기하급수적으로 커진다. 일반적으로, 일반 도료일 경우에는 10m/s 유속에서 쉽게 침식이 발생하지만, 캐비테이션 저항성을 가진 도료나 금속일 경우에는 20 m/s 이상의 유속에 침식이 발생하기 시작한다. 따라서, 유체가 흐르는 캐비테이션 터널에 동력부(22)를 구비하고, 동력부(22)에 회전 원판 기구(24)를 연결하여 사용하면, 회전 원판 기구(24)의 회전 속도로 인하여 20 m/s 이상의 빠른 유속을 얻을 수 있게 된다.
한편, 웨지(200) 및 시편(300)은, 시험 대상에 따라 원판(100)의 제1 주면(102) 또는 제2 주면(104) 어디에도 설치할 수 있다. 예를 들어, 선박 프로펠러의 재료나 도료에 대한 내침식성을 평가할 때에는, 유체의 흐름 방향의 하류측 주면, 즉, 도 1 및 도 2에 도시된 회전 원판 기구(24)의 설치 형태를 기준으로 하면, 제1 주면(102)에 설치할 수 있고, 프로펠러 후방(선박 후방)의 보스 캡(boss cap)의 핀(fin)에 대한 내침식성을 평가할 때에는 제2 주면(104)에 설치할 수 있다. 아니면 양쪽에 모두 설치하여 상대적인 내침식성을 평가해 볼 수도 있다.
웨지(200)는, 도 2 및 도 3에 도시된 예처럼, 원기둥 형태로 구성할 수 있으나, 시험 대상이나 시험 조건, 시험 대상의 유동 조건 등에 따라 다양한 형태(예; 각 기둥 형태, 또는 타원기둥 형태 등)로 구성할 수 있다. 이러한 웨지(200)는, 원판(100)에 나사 체결하는 방식 등 다양한 방법으로 부착할 수 있다.
시편(300)은, 시험하고자 하는 재료와 동일한 재료로 이루어진 얇은 판으로 구성하거나, 소정의 얇은 판에 시험하고자 하는 도료를 도포한 형태로 구성된다.
이러한 시편(300)은, 원판(100)에 접착제로 붙이거나 나사로 체결하는 방법으로 부착할 수 있다.
또한, 본 발명에서, 웨지(200) 및 시편(300)은, 구현하고자 하는 원주 속도에 따라 원판(100)의 회전 중심으로부터 반지름을 달리하여 복수 지점에 설치할 수 있다. 예를 들어, 도 2 및 도 3에 도시된 실시 예처럼 반지름 방향으로 복수의 지점에 나란하게 배치할 수도 있고, 원주 방향으로 간격을 유지하면서 설치 반지름을 다르게 하여 배치할 수도 있는 등, 시험 상황(예; 원주 방향으로 이웃하는 웨지(200) 사이의 유동의 간섭(영향) 문제 등)에 따라 다양하게 설정할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 시험장치의 측면도로서, 원판(100)과 구동축(22a)을 연결하는 하나의 예를 설명하기 위한 것이다.
도 4를 참조하면, 시험 모듈(20)(도 1 참조)로부터 연장된 구동축(22a)의 단부에는 연결 구멍((22b)을 형성하고, 원판(100)에는 연결축(110)을 형성하여, 원판(100)의 연결축(110)을 구동축(22a)의 연결 구멍((22b)에 삽입한 후, 볼트와 같은 체결구(120)에 의해 고정하는 형태로 연결할 수 있다.
이 외에도 공지의 다양한 연결 방법을 사용할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 캐비테이션 터널을 이용한 내침식 평가 시험장치에 의하면, 캐비테이션 터널 장치(2) 내에서 회전하는 원판(100)에 웨지(200)와 시편(300)을 부착하여 내침식성 평가 시험을 수행함으로써, 실제 유체 유동과 유사한 조건하에서 좀 더 정확한 평가가 가능해지고, 웨지(200) 및 시편(300)의 반경방향 위치를 달리하여 다양한 속도 조건으로 설정하여 시험할 수 있다.
2: 캐비테이션 터널 장치
10: 순환 터널
12: 순환 펌프
14: 터널 관측부
16: 관측창
20: 시험 모듈
22: 동력부
22a: 구동축
22b: 연결 구멍
24: 회전 원판 기구
26: 설치 구조물
100: 원판
102: 선행면
104: 추종면
110: 연결축
120: 체결구
200: 웨지
300: 시편

Claims (5)

  1. 유체가 순환되는 터널 내부에 유체의 흐름 방향과 나란하게 배치되는 구동축(22a)과, 상기 구동축(22a)의 단부에 설치되어 회전하는 회전 원판 기구(24)를 구비하며,
    상기 회전 원판 기구(24)는,
    유체의 흐름 방향과 직교하는 제1 주면(102)과 제2 주면(104)을 가지는 원판(100)과,
    상기 원판(100)의 제1 주면(102) 또는 제2 주면(104) 중 어느 한쪽의 면 또는 양쪽의 면에 돌출하여 부착되는 복수의 웨지(200)와,
    상기 웨지(200)의 회전 후행 방향에 인접한 위치에 부착되어, 상기 원판(100) 회전 시 상기 웨지(200)에 의해 발생하는 유동 박리에 의한 캐비테이션을 받는 시편(300)을 구비하는 것을 특징으로 하는 캐비테이션 터널을 이용한 내침식 평가 시험장치.
  2. 유체가 순환 가능한 폐 루프 형태의 순환 터널(10);
    상기 순환 터널(10)의 하부 구간에서 유체를 순환시키는 순환 펌프(12);
    상기 순환 터널(10)의 상부 구간에 형성되는 터널 관측부(14);
    상기 터널 관측부(14) 내에 유체의 흐름 방향과 나란하게 배치되는 구동축(22a);
    상기 구동축(22a) 단부에 설치되어 회전하는 회전 원판 기구(24)를 구비하며,
    상기 회전 원판 기구(24)는,
    유체의 흐름 방향과 직교하는 제1 주면(102)과 제2 주면(104)을 가지는 원판(100)과,
    상기 원판(100)의 제1 주면(102) 또는 제2 주면(104) 중 어느 한쪽의 면 또는 양쪽의 면에 돌출하여 부착되는 복수의 웨지(200)와,
    상기 웨지(200)의 회전 후행 방향에 인접한 위치에 부착되어, 상기 원판(100) 회전 시 상기 웨지(200)에 의해 발생하는 캐비테이션을 받는 시편(300)을 구비하는 것을 특징으로 하는 캐비테이션 터널을 이용한 내침식 평가 시험장치.
  3. 제2항에 있어서,
    터널 관측부(14)의 내부에 유체의 흐름 방향과 나란하게 설치되는 수중 모터가 내장된 동력부(22)를 구비하고,
    상기 동력부(22)의 출력 측에 상기 구동축(22a)이 연결되며,
    상기 터널 관측부(14)의 외부에 상기 동력부(22)에 전원을 공급함과 함께 상기 동력부(22)를 지지하는 설치 구조물(26)이 구비되는 것을 특징으로 하는 캐비테이션 터널을 이용한 내침식 평가 시험장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 웨지(200) 및 시편(300)은 구현하고자 하는 원주 속도에 따라 원판(100)의 회전 중심으로부터 반지름을 달리하여 복수 지점에 설치되는 것을 특징으로 하는 캐비테이션 터널을 이용한 내침식 평가 시험장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 웨지(200)는, 원기둥 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 캐비테이션 터널을 이용한 내침식 평가 시험장치.
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