수상함 가변추진기 블레이드 고정볼트 손상원인 연구
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학술지명
권호사항
발행연도
2021
작성언어
-주제어
KDC
300
자료형태
학술저널
수록면
112-112(1쪽)
제공처
수상함의 추진기 블레이드에는 Hydrodynamics force(추력) 과 Centrifugal force(원심력)에 의한 굽힘 모멘트가 발생된다. 이 모멘트에 의하여 블레이드 Pressure side, 고정 볼트, 허브 등에 반복응력이 작용하므로 각 요소에 대하여 충분한 강도가 요구된다. 블레이드 고정 볼트의 강도를 확보하기 위하여 설계측면에서는 고장력 강재를 사용하거나 Spindle을 고정시켜 회전토크를 억제하며, 제조측면에서는 나사 전조가공품을 사용하고 체결토크를 엄격하게 관리하고 있다. 그럼에도 불구하고 함정운용 중 볼트가 파손되는 경우가 없지 않다.
본 연구에서는 특수 수상함 추진기 블레이드에서 반복적으로 발생된 바 있는 고정볼트의 파손원인을 규명하고 후속 개선방안을 모색하기 위하여 파단면 육안 관찰, 소재 건전성 검토, 나사부 조직검사, 나사산 제조방법, 강도설계 안전성, 파단면 SEM 분석, 조립토크 분석, 형상개선 제안 등을 수행하였다.
볼트 파손품 원인분석 결과, 고정볼트 재질은 원 제작사의 화학성분과 기계적성질 요구조건을 모두 만족하였고, 확대 조직검사에서는 결함이 검출되지 않았다. 설계 강도측면에서 미 군사 핸드북 Mil- HDBK-2189 가정 조건에 따라 Hydrodynamics force가 한 개의 고정 볼트에 작용하는 조건으로 응력을 산출한 결과 Yield strength 700 N/㎟>Applied stress 421 N/㎟로서 안전이 확인되었으며 나사 단면에서는 전조가공 시 형성되는 Metal flow가 관찰되어 제조 요구조건이 충족되었다.
그럼에도 불구하고 파단면에 대한 육안 관찰 및 SEM 분석 결과, 2곳의 나사산 골 부위에서 균열이 시작되어 균열 성장부위에서 Beach mark가, 파단면 중앙부위에서는 Ratchet mark가 각각 발견되는 등 전형적인 피로파괴 현상이 확인되었다. 이에 따라 고정볼트의 파단현상을 방지하기 위하여 강도보강과 체결방법을 개선하였다. 볼트 강도의 경우 형상변경과 파단부위 단면적 증대를 통하여 Stress Ratio (Applied Stress/Yield stress)를 0.60에서 0.52로 낮춰 강도를 보강하였고, 볼트 체결방법의 경우 현재 초고압 조건에서의 유압공구 체결 방식에서 Set screw에 의한 토크제어 방식으로 변경하여 체결력을 안정적으로 관리하였다. 이에 따라 개선결과를 적용한 ‘2016년 이후 현재까지 고정볼트의 파단현상은 재발되지 않았다.
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