대형 선박용 저속엔진 배기밸브 스핀들의 열-구조해석 및 피로 내구성 평가

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Exhaust valve spindles in large low-speed marine engines operate for extended periods under cyclic thermal and mechanical loads in hot, high-pressure, and corrosive exhaust gas environments. The conventional commercial material, Nimonic 80A, offers excellent high-temperature strength as well as corrosion and wear resistance; however, the operating conditions have been changing due to fuel switching, which alters combustion temperature, pressure, and exhaust-gas composition (NOx and SOx). Accordingly, there is a need to analytically evaluate the thermo-structural behavior and fatigue durability of exhaust valve spindles and to establish an analysis framework that can be used for future assessments of alternative materials. In this study, a two-dimensional axisymmetric model of the exhaust valve spindle for a MAN S60ME-C10.5 engine was constructed, and a transient thermal analysis was performed by imposing time-dependent thermal boundary conditions. To reflect the actual operating conditions, the rated engine speed and valve opening/closing were incorporated, and the boundary conditions were established based on the literature. Subsequently, to enhance the reliability of the boundary conditions, three-dimensional steady-state thermal analysis and computational fluid dynamics (CFD) simulations were performed using a 3D exhaust-valve unit model that includes the cooling passages and the housing. The calibrated thermal boundary conditions obtained from the 3D steady-state thermal and flow analyses were then incorporated into the 2D transient thermal analysis, and the resulting temperature field was applied as the thermal load, while the air-cylinder pressure and combustion pressure were imposed as mechanical loads. Based on these loads, a contact nonlinear static structural analysis and a fatigue assessment based on the Goodman mean-stress correction method were performed. As a result, the maximum temperature of the exhaust valve spindle occurred at the combustion face, and a steep temperature gradient developed in the valve seat region. Moreover, under combined thermal and mechanical loading, stress concentrations were observed near the combustion face and the valve seat, which was consistent with the thermo-fatigue and stress-concentration trends reported in previous studies. This study presents an analysis framework for evaluating the thermo-mechanical response and fatigue-critical locations of an exhaust valve spindle by combining 2D transient thermal analysis with structural and fatigue analyses as the core workflow, and incorporating 3D thermal–fluid analyses as a tool to enhance the reliability of the thermal boundary conditions. The proposed procedure can serve not only as a framework for assessing the durability of Nimonic 80A exhaust valve spindles, but also as a computational benchmark for comparison and validation when alternative materials are considered in future applications. Keywords : Exhaust valve spindle, Finite element method, Thermo-mechanical analysis, Goodman mean stress correction method, Nimonic80A, Large marine engine

국문 초록 (Abstract)

대형 선박용 저속 엔진의 배기밸브 스핀들은 고온･고압의 부식성 배기가스 환경 에서 장기간 주기적인 열 및 기계 하중을 받으며 운전한다. 기존 상용 소재인 Nimonic80A는 우수한 고온 강도와 내식･내마모 특성을 가지나, 엔진 연료의 전환에 따른 연소 온도, 압력, 그리고 가스 성분(NOx, SOx)의 변화로 인해 실제 운전 환경 이 변화하고 있다. 이에 따라 배기밸브 스핀들의 열-구조 거동과 피로 내구성을 해 석적으로 평가하고, 향후 대체 소재 평가에 활용 가능한 해석 체계 확립이 요구된 다. 본 연구에서는 MAN S60ME-C10.5 엔진을 대상으로 배기밸브 스핀들의 2차원 축대칭 모델을 구성하고 시간 의존 열경계조건을 이용하여 과도 열해석을 수행하였 다. 이때, 실제 운전조건을 반영하기 위해 정격 회전속도와 밸브 개폐를 반영하고 문헌을 기반으로 경계조건을 설정하였다. 이어서 경계조건의 신뢰성 보강을 위해 냉각유로와 하우징을 포함한 3차원 배기밸브 유닛 모델을 이용하여 3D 정상상태 열해석과 전산유체해석(CFD)을 수행하였다. 이후 3D 정상상태 열 및 유동해석을 통 해 보정된 열경계조건을 2D 과도 열해석에 반영하여 도출된 온도장을 열하중으로, 에어 실린더압 및 연소압을 기계하중으로 적용하였다. 이를 통해 접촉 비선형 정적 구조해석과 Goodman 평균 응력 보정 방법에 기반한 피로해석을 수행하였다. 해석 결과, 배기밸브 스핀들의 최고 온도는 연소면에서 나타났고, 밸브 시트부에서 큰 온 도 구배가 형성되었다. 또한 열하중과 기계적 하중이 중첩되는 조건에서 응력 집중 은 연소면 및 밸브 시트 인근에서 관찰되었으며, 이는 선행 연구에서 보고된 배기밸브의 열피로 및 응력 집중 경향과 유사함을 확인하였다. 본 연구는 2차원 과도 열해석–구조 및 피로해석을 기본 축으로 하되, 3차원 열-유동해석을 열경계조건의 신뢰성 보강 도구로 결합하여 배기밸브 스핀들의 열-구조 거동 및 피로 취약부를 평가하는 해석체계를 제시하였다. 제안된 절차는 Nimonic80A 배기밸브 스핀들의 내 구성 평가뿐 아니라, 향후 대체 소재 적용 시 비교 및 검증을 위한 해석 기준으로 활용될 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• List of Tables ⅲ
• List of Figures ⅳ
• ABSTRACT ⅴ
• 1. 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 목적 및 내용 4
• 2. 배기밸브 시스템 모델링 및 열해석 5
• 2.1 배기밸브 시스템과 배기밸브 유닛 5
• 2.2 배기밸브 스핀들 모델링 8
• 2.3 열해석 경계조건 설정 10
• 2.3.1 연소면 열경계조건 11
• 2.3.2 밸브 시트부 열경계조건 13
• 2.3.3 밸브 스템부 열경계조건 14
• 2.3.4 밸브 가이드부 열경계조건 16
• 2.4 2D 축대칭 배기밸브 스핀들 과도 열해석 17
• 3. 배기밸브 스핀들의 구조해석 및 피로해석 20
• 3.1 구조해석 경계조건 설정 20
• 3.2 2D 축대칭 배기밸브 스핀들 구조해석 22
• 3.3 2D 축대칭 배기밸브 스핀들 피로해석 25
• 4. 배기밸브 유닛 열해석 및 유동해석 28
• 4.1 3D 배기밸브 유닛 정상상태 열해석 28
• 4.2 3D 배기밸브 유닛 정상상태 유동해석 32
• 5. 결론 37
• 참고문헌 39
• 부록 43
• 국문초록 46