KR100729492B1 - 최적의 포트 형상을 가지는 지로터 펌프의 설계 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 최적의 포트 형상을 가지는 지로터 펌프의 설계 방법은, 지로터 펌프의 성능 향상을 위한 유량이나 맥동 및 소음 등의 설계변수를 설정하는 단계와, 상기 설정된 설계변수를 다구찌 기법으로 파라미터를 결정한 후, 미니텝 방법을 이용하여 최적의 조합을 도출하여 형상을 변화시키는 단계와, 상기 조합 중에서 최적의 조합에 대한 유동해석을 실시하여 유량과 맥동량을 만족하는 최적의 형상조합을 선택하는 단계와, 상기 최적의 결과 도출이 안되면 상기 파라미터 결정으로 돌아가서 수정한 다음 상기 단계를 반복하고, 상기 최적의 결과가 도출되면 최적화된 지로터 펌프의 포트 입, 출구 형상을 결정하는 단계로 이루어진다.
지로터 펌프, 포트, 입구, 출구, 다구찌기법, 미니텝기법, 유동해석.
Description
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 지로터 펌프의 입, 출구 포트의 형상을 최적화하기 위한 지로터 펌프의 기하학(geometry) 생성 및 유동해석을 위한 메싱(meshing) 조건을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 포트의 입/출구 측의 압력을 변화시키면서 유량을 측정한 결과치를 그래프로 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 따른 입구포트의 그루브 변화가 성능에 미치는 영향을 그래프로 보이고 있는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 출구포트의 그루브 변화가 성능에 미치는 영향을 그래프로 보이고 있는 도면.
도 5는 본 발명에 따른 입, 출구 포트의 Major sealing angle 변화가 성능에 미치는 영향을 그래프로 보이고 있는 도면.
도 6은 본 발명에 따른 입, 출구 포트의 Miner sealing angle 변화가 성능에 미치는 영향을 그래프로 보이고 있는 도면.
도 7은 이론 포트 형상과 그루브 포트 형상의 압력변화를 비교하여 그래프로 보이고 있는 도면들.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 최적의 포트 입, 출구 형상을 가지는 지로터 펌프의 설계 방법을 보이고 있는 도면.
도 9는 본 발명에 따른 입, 출구 포트 형상의 변화를 나타낸 도면.
도 10은 본 발명에 따른 다구찌 기법으로 입, 출구측 포트의 유량을 분석하여 도표로 나타낸 도면.
도 11a 및 도 11b는 본 발명에 따른 입, 출구 포트의 최적조건으로 설계된 토프의 형상을 보이고 있는 도면들.
본 발명은 오일 펌프 등에 사용되는 지로터 펌프에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 최적의 포트(port) 입, 출구 형상을 가지는 지로터 펌프의 설계 방법에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 지로터 펌프(geroto pump)는 내부로터(inner rotor)와 외부로터(outter rotor)로 구성되어 있어 구조가 간단하고 가공이 용이하며 조립이 쉽고, 두 치형 사이에 상대 운동이 적으므로 장기간 사용하여도 효율의 변화가 적으며 흡입 성능이 우수하다. 특히 다른 펌프에 비하여 소음이 적고 전체 체적에 비 하여 베인이나 기어 펌프보다 1회전당의 토출량이 많은 것을 장점으로 가지고 있다. 이러한 이유로 지로터 펌프는 유압 시스템에 널리 사용되고 있으며, 연료의 수송, 엔진 오일과 변속 시스템용으로 자동차 산업에서 널리 사용되고 있다.
그러나 체적 효율과 캐비테이션(cavitation) 손상은 출력 유량이 큰 지로터 펌프에서 염려의 원인이 되고 있다. 펌프의 성능을 최적화하고, 캐비테이션 손상을 줄이기 위한 설계를 하기 위해서는 펌프 내부에서의 유동현상을 이해하는 것이 필수적이다.
한편 위와 같은 지로터 펌프에서 내부로터가 회전을 함으로써 내부로터와 외부로터 사이에 공간이 형성되고, 그 공간으로 작동유는 입구포트(inlet port)를 통해 흡인되고 출구포트(outlet port)로 운반된다. 또한 출구에서의 압력을 제한하기 위하여 과도한 양의 작동유는 다시 밸브를 통하여 입구포트로 재순환된다. 이때 로터간극(tip-to-tip clearance)으로 인하여 펌프의 고압과 저압 측 사이에서 유동 누설이 발생하기도 하고, 또한 외부로터가 1회전하는 동안 서로다른 회전속도를 가지고 회전하는 로터 사이의 공간은 매시 다른 형태를 가지게 되므로 로터 사이 공간의 격자 생성이 관건이 된다.
이와 같이 최적의 지로터 펌프를 설계하기 위해서는 반드시 유량이 최대가 되고 맥동이 최소가 되도록 최적의 트로코이드(trochoid) 치형을 설계하고 또한 최적의 포트 형상을 설계해야지 가능한 일이다. 부가적으로 상기 트로코이드 치형은 본 출원인이 2004. 5. 10.자로 출원한 특허공개번호 제10-2004-52838호(최적의 트로코이드 치형을 가지는 지로터 펌프의 설계 방법)에 상세히 기술되어 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 지로터 펌프의 포트 입ㆍ출구 형상을 최적화시키는 설계 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 유량은 최대가 되고 맥동은 최소가 되는 최적의 포트 형상을 가지는 지로터 펌프의 설계 방법을 제공함에 있다.
위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 설계 방법은, 지로터 펌프의 성능 향상을 위한 유량이나 맥동 및 소음 등의 설계변수를 설정하는 단계와, 상기 설정된 설계변수를 다구찌 기법으로 파라미터를 결정한 후, 미니텝 방법을 이용하여 최적의 조합을 도출하여 형상을 변화시키는 단계와, 상기 조합 중에서 최적의 조합에 대한 유동해석을 실시하여 유량과 맥동량을 만족하는 최적의 형상조합을 선택하는 단계와, 상기 최적의 결과 도출이 안되면 상기 파라미터 결정으로 돌아가서 수정한 다음 상기 단계를 반복하고, 상기 최적의 결과가 도출되면 최적화된 지로터 펌프의 포트 입, 출구 형상을 결정하는 단계로 이루어짐을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다. 하기에는 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명은 지로터 펌프의 유동 성능의 최적화와 유체로 인한 소음을 줄이기 위한 저 비용으로 효율적인 설계를 위한 것이며, 상기 지로터 펌프의 설계를 최적화하기 위하여, 격자생성, 간극을 지나는 누설 유동과 캐비테이션 기포 형성, 재압축 및 붕괴 등을 고려한 현실적인 설계 방법이다.
우선, 본 발명의 실시 예에 따른 지로터 펌프의 입, 출구 포트(port)의 형상을 최적화하기 위한 지로터 펌프의 기하학(geometry) 생성 및 유동해석 방법은 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다.
상기 도 1에 도시한 바와 같이, 메싱(meshing) 조건은 ①입구는 19200ea(16×20×60)이고, ②출구는 19200ea(20×60×20)이며, ③포트부는 24000ea(20×60×20)이고, ④로터부는 28800ea(10×361×8)이다. 물성치는 작동유체가 SAE 10W-30이고, ①작동온도: 100℃, ②밀도: 880.2kg/㎥, ③점도: 9.88e-3Ns/㎡, ④전도성: 0.128W/㎡℃, ⑤비열: 1883.7J/kg℃이다. 또한 경계조건에 있어서는 입구 및 출구조건은 Opening bounday condition이며, 벽면의 경계조건은 회전속도에 따라 내부로터와 외부로터의 회전속도를 주며 상기 회전속도비는 VA=B/A×VB이고, 이때 A와 B는 내부로터와 외부로터의 잇수를 말한다. 또한 펌퍼 회전수 3660rpm에서 입구측 압력은 게이지 압력(0bar)이고, 출구측 압력은 0.5, 1, 3, 4, 5, 5.5, 6 bar로 변화시키면서 유량을 측정한다. 이러한 측정은 도 2의 그래프에 의해 용이하게 이해될 것이다.
다음, 본 발명에서는 설계 파라미터의 변화를 통한 유량 및 맥동량을 검토하였으며, 이는 도 3 내지 도 6의 그래프에 상세히 기술하였다.
즉, 출구포트의 형상을 고정시킨 다음 입구포트의 그루브(groove) 변화가 성능에 미치는 영향을 검토한 결과, 도 3의 그래프와 같이 입구포트의 그루브 형상 변화는 지로터 펌프의 성능(즉, 유량 및 맥동)에 적게 영향을 미친다.
또한 입구포트의 형상을 고정시키면서 출구포트의 그루브 변화가 성능에 미치는 영향을 검토한 결과, 도 4의 그래프에서 보는 바와 같이 형상 변화가 유량에 큰 영향을 주며 이론적인 기본 형상에서 가장 높은 유량을 나타내고 또한 출구포트의 경우 그루브가 심할수록 맥동량을 작아진다.
그리고 입, 출구 포트의 Major sealing angle 변화가 성능에 미치는 영향을 검토한 결과, 도 5의 그래프와 같이 평균유량은 In&Out major angle의 설계 파라미터에 민감할 뿐만 아니라 지로터 펌프의 최적의 성능을 도출하기 위해선 In&Out major angle의 최적화가 필요하다.
또한 입, 출구 포트의 Miner sealing angle 변화가 성능에 미치는 영향을 검토한 결과, 도 6의 그래프와 같이 In&Out Miner angle의 변화가 평균 유량에 미치는 영향은 Major angle에 비하여 상대적으로 적으며, In&Out Miner angle이 클수록 유량이 미세하게 증가한다.
다음으로, 본 발명에서는 기본설계(이론포트) 형상과 그루브(Grooved) 형상의 압력분토 검토를, 바람직하게는 펌프 회전수는 3660rpm이고 흡입압은 0bar이며 토출압은 1bar에서 유동해석을 실시한다. 그 결과, 상기 이론포트 형상에서는 내부로터와 외부로터가 구성하는 챔버(chamber)가 압(壓)을 형성하기 전에 토출포트 쪽으로 누수가 됨으로 인하여 토출압이 낮아지는 현상이 발생하였다. 한편 상기 그 루브된 실제 포트 형상에서는 로터의 챔버가 완전히 압(壓)을 형성하고 그루브된 토출단 포트로 유량이 서서히 빠져나감으로 인하여 토출압이 제대로 형성되고, 또한 급격한 유량의 변동이 발생되지 않으므로 인하여 맥동량도 좋아지는 것으로 나타났다. 따라서 실제로 엔진에서 필요로 하는 토출압을 형성시키고 로터의 챔버가 완전히 압을 형성하고 서서히 유량이 감소되는 입, 출구 포트가 형상 최적화에 필수적이다.
부가적으로, 도 7에서는 위에서 전술한 이론 포트 형상과 그루브 포토 형상의 압력변화를 비교하여 도시화하였다. 이때 'T'는 이론포트형상을 나타낸 것이고, 'G'는 실제포트형상을 나타낸 것이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 입, 출구 토프의 형상을 최적화시키는 방법을 도 8의 흐름도를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
상기 도 8에 도시한 바와 같이, 100단계에서 지로터 펌프의 성능 향상을 위한 설계변수(예를 들어, 유량, 맥동, 소음 등의 입구포트 최대 실링 각도(major sealing angle), 입구포트 최소 실링 각도(miner sealing angle), 입구포트 반경, 출구포트 최대 실링 각도(major sealing angle), 출구포트 최소 실링 각도(miner sealing angle), 출구포트 반경)을 설정한 다음, 102단계에서 통상의 다구찌 기법으로 파라미터를 결정한다. 즉, 상기 100단계에서 설정된 인자 중에서 어느 인자들이 유의한지를 다구찌 기법으로 결정한다. 이때 상기 다구찌 기법을 이용할 때 여러 직교배열 중에서 3수준 6개일 때 쓰는 L18 행렬을 이용한다.
이후 104단계에서 통상의 미니텝(minitap) 방법을 이용하여 최적의 조합을 도출하여 형상을 변화시킨다. 즉, 상기 102단계에서 결정된 유의한 인자를 최적화하는 것으로, 산출된 결과를 통계프로그램을 이용하여 최적조합을 추출한다. 상기 미니텝은 통계 프로그램으로써 18번의 해석 조합 중 해석내용에 없는 최적의 새로 운 조합을 산출한다.
다음 106단계에서 최적의 조합에 대한 유동해석을 실시하여 유량과 맥동량을 만족하는 최적의 형상조합을 선택한다. 상기 106단계는 전산해석을 통한 최적조건을 검증하는 단계로서, 즉 실험치와의 비교를 통해 실제 적용 가능성을 판단한다.
이후 108단계에서 최적의 결과 도출이 안되면 상기 102단계를 진행하여 수정한 다음 다시 전술한 단계들을 반복수행하며, 만약 상기 108단계에서 최적의 결과가 도출되면 110단계에서 최적화된 지로터 펌프의 포트 입, 출구 형상을 결정하게 된다.
한편, 위와 같은 방법으로 최적화된 입, 출구 포트의 형상을 설계할 때 요구되는 전반적인 사항(specification)들을 열거하면 다음과 같으며, 그 결과는 도 9에 상세히 나타내었다.
1. 그루브(grooved)된 입구포트의 형상변화를 3가지로 정한다.
(T: 이론형상, R: 실제제품의 포트형상, M: 실제 형상과 이론형상의 중간치)
2. 그루브된 출구포트의 형상변화를 3가지로 정한다.
(T: 이론형상, R: 실제제품의 포트형상, M: 실제 형상과 이론형상의 중간치)
3. 입구포트의 Minor port의 각도 형상을 3가지로 정한다.(-3mm/실제/3mm)
4. 출구포트의 Minor port의 각도 형상을 3가지로 정한다,(-3mm/실제/3mm)
5. 입구포트의 형상 반경을 3가지로 변화를 준다.
(11.5mm/12.5mm(실제)/13.5mm)
6. 출구포트의 형상 반경을 3가지로 변화를 준다.
(11.5mm/12.5mm(실제)/13.5mm)
또 한편으로, 위에서 언급한 설계방법 중에서, 바람직하게는 도 8에서 제시하고 있는 다구찌(Taguchi) 기법과 미니텝(minitap) 기법을 이용하여 최적조건을 설정하는 방법을 도 10의 도표로 나타내었다.
즉, 일반적인 방법으로 지로터 펌프의 포트 형상을 설계하기 위해서는 총 729(3×3×3×3×3×3)번 해석을 해야하지만, 본 발명에서는 도 8에 도시한 바와 같이 다구찌 기법을 사용하여 여러 직교배열 중에서 3수준 6개 일 때 쓰는 L18 행렬을 이용하여 18번의 최적조건을 도출하였고, 또한 미니텝 통계 프로그램으로 18번의 해석 조합 중 최적의 새로운 조합을 산출하였다.
상기 미니텝 기법을 이용하여 유량 분석을 한 결과, B, C, D, F가 유량에 대한 민감도가 컸으며(약 95% 이상의 효과를 보여줌), 수준은 B1, C2, D1, F2가 최적으로 나타났다. 또한 유량 변동량에 대한 민감도는 B, C, H가 컸으며(약 95% 이상의 효과가 있다), 수준은 B1, C3, H3가 최적으로 나타났다.
결론적으로, 본 발명의 방법으로 설계된 지로터 펌프의 입, 출구 포트 형상의 최적 조건은 표 1에 나타낸 바와 같으며, 최종적인 입, 출구 포트의 형상 최적안은 도 11a 및 도 11b에 도시한 바와 같다.
이상으로 살펴본 바와 같이, 본 발명은 지로터 펌프를 설계할 때 최적설계기법(다구찌기법과 미니텝기법)에 의해 입, 출력 포트 형상을 최적의 조건으로 설계할 수 있게 되는 장점이 있다. 또한 본 발명에 따라 입, 출구 포트의 형상을 최적화시킴으로써 유량은 최대가 되고 맥동은 최소가 되는 지로터 펌프를 구현할 수 있는 상승적인 효과가 있다.
Claims (2)
- 지로터 펌프의 입, 출구 포트 형상을 설계하는 방법에 있어서,상기 지로터 펌프의 성능 향상을 위한 유량이나 맥동 및 소음 등의 설계변수인 입구포트 최대 실링 각도, 입구포트 최소 실링 각도, 입구포트 반경, 출구포트 최대 실링 각도, 출구포트 최소 실링 각도, 출구포트 반경을 설정하는 제1 단계와;상기 설정된 설계변수를 다구찌 기법으로 파라미터를 결정한 후, 미니텝 방법을 이용하여 최적의 조합을 도출하여 형상을 변화시키는 제2 단계와;상기 조합 중에서 최적의 조합에 대한 유동해석을 실시하여 유량과 맥동량을 만족하는 최적의 형상조합을 선택하는 제3 단계와;상기 최적의 결과 도출이 안되면 상기 파라미터 결정으로 돌아가서 수정 후 상기 제 1,2,3 단계를 반복하고, 상기 최적의 결과가 도출되면 최적화된 지로터 펌프의 포트 입, 출구 형상을 결정하는 제4 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 최적의 포트 형상을 가지는 지로터 펌프의 설계 방법.
- 제1항에 있어서,상기 다구찌 기법을 이용할 때 여러 직교배열 중에서 3수준 6개일 때 쓰는 L18 행렬을 이용하며, 상기 미니텝 기법은 18번의 해석 조합 중 해석내용에 없는 최적의 새로운 조합을 산출하는 과정으로 이루어짐을 특징으로 하는 최적의 포트 형상을 가지는 지로터 펌프의 설계 방법.
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