[논문]갤러킨 유한요소해석법을 이용한 미케니컬 페이스 실의 윤활성능해석

최병렬; 이안성; 최동훈

doi:10.22634/ksme-a.2001.25.6.916

[국내논문] 갤러킨 유한요소해석법을 이용한 미케니컬 페이스 실의 윤활성능해석
A Lubrication Performance Analysis of Mechanical Face Seals Using Galerkin Finite Element Method 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.25 no.6 = no.189, 2001년, pp.916 - 922

Abstract ▼ AI-Helper

A mechanical face seal is a tribo-element intended to control leakage of working fluid at the interface between a rotating shaft and its housing. Leakage of working fluid decreases drastically as the clearance of the mating seal faces gets smaller. But the very small seal clearance results in an increased reduction of seal life because of high wear and heat generation. Therefore, in the design of mechanical face seals a compromise between low leakage and acceptable seal life is important, and it presents a difficult and practical design problem. A fluid film or sealing dam geometry of the seal clearance affects seal lubrication performance very much, and thereby it is one of the main design considerations. In this study the Reynolds equation for the sealing dam of mechanical face seals is numerically analyzed, using the Galerkin finite element method, which is readily applied to various seal geometries. Film pressures of the sealing dam are analyzed, including the effects of the seal face coning and tilt. Then, lubrication performances of the seals, such as opening forces, restoring moments, leakage, and dynamic coefficients, are calculated, and they are compared to the results obtained by the narrow seal approximation.

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AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 비접촉식 미케니컬 페이스 시일 의 윤활성능 및 동특성 해석을 위해, 유막 실링- 댐의 다양한 틈새형상 모델링 이 용이 한 Galerkin 유한요소법 (Finite element method)를 이용하여 레이놀즈 윤활 방정식의 정식화를 수행하고자 한다. 여기서, 실링-댐의 형상은 시일의 기울어짐과 반 경방향 코딩을 고려하여 모델링된다.
또한 수치적 교 란법을 이용하여 시일의 축 방향과 각 방향의 강성 계수(Stiffness coefficient)와 감쇠 계수(Damping coefficient)가 계산되고, 코딩과 기울어짐의 영향이 분석된다. 아울러, Narrow seal 가정에 의한 기존의 해석적 결과와의 비교 검토를 수행하고자 한다.

가설 설정

지금까지 미케니컬 페이스 시일의 수치적 윤활 해석에는 유한차분법(Finite difference method)가 널리 사용되어져 왔다.。) 아울러, 시일의 폭이 원주에 비해 아주 작다는 가정 (Narrow seal approximation)하에 레이놀즈 윤활 방정식의 해석 적 해를 구하는 방법이 시일 성능의 매개변수 연구를 위해 자주 사용되었다. Etsion", 은 미케니 컬 페이스 시일의 원주방향 웨이비니스(Waviness)와 반경방향 코닝(Coning)을 고려하여 해석적 해를 구하였고, Etsion 과 Sharoni(5) 그리고 Sharoni 와 Etsion⑹은 시 일의 기울어 짐(Tilt)와 반경방향의 코 닝을 고려하여 각각 Hydrostatic 효과와 Hydrodynamic효과에 따른 시일의 성능해석을 해석 적으로 수행하였다.

제안 방법

。) 아울러, 시일의 폭이 원주에 비해 아주 작다는 가정 (Narrow seal approximation)하에 레이놀즈 윤활 방정식의 해석 적 해를 구하는 방법이 시일 성능의 매개변수 연구를 위해 자주 사용되었다. Etsion", 은 미케니 컬 페이스 시일의 원주방향 웨이비니스(Waviness)와 반경방향 코닝(Coning)을 고려하여 해석적 해를 구하였고, Etsion 과 Sharoni(5) 그리고 Sharoni 와 Etsion⑹은 시 일의 기울어 짐(Tilt)와 반경방향의 코 닝을 고려하여 각각 Hydrostatic 효과와 Hydrodynamic효과에 따른 시일의 성능해석을 해석 적으로 수행하였다. 또, Green과 Etsion。, 은 미케니 컬 페이스 시일의 동특성계수를 해석적 방법으로 구하였다.
본 연구에서는 Galerkin 유한요소 윤활정식화를 이용하여 비접촉식 미케니컬 페이스 시일의 윤활 성능 및 동특성해석을 수행하였다. 코딩과 시일의 기울어짐에 따른 개방력, 리스토링-모멘트, 누설, 강성계수와 감쇠계수들의 변화를 고찰하였으며 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
본 연구에서는 Galerkin 유한요소 윤활정식화를 이용하여 비접촉식 미케니컬 페이스 시일의 윤활 성능 및 동특성해석을 수행하였다. 코딩과 시일의 기울어짐에 따른 개방력, 리스토링-모멘트, 누설, 강성계수와 감쇠계수들의 변화를 고찰하였으며 그 결과를 요약하면 다음과 같다.

대상 데이터

윤활성능의 비교는 개방력, 리스토링-모멘트, 트 랜스버스-모멘트에 대해 이루어졌으며, Sharoni와 Etsion⑹의 Narrow seal 해석 결과가 비교에 사용되었다. [Fig.

성능/효과

(1) 누설, 개방력은 코딩과 시일의 기울어짐이 증가할수록 증가하였다.
(2) 강성계수와 리스토링-모멘트는 시일의 기울 어짐이 증가할수록 증가하였고, 코딩이 증가할수록 증가하다가 다시 감소하는 경향을 보였다. 이는 특히 강성계수의 경우 최적의 코닝 값이 존재 함을 보여준다.
(3) 감쇠계수는 코딩이 증가할수록 감소하였고, 시일의 기울어짐이 증가할수록 증가하는 경향을 보였다.
(4) 시일의 윤활성능과 동특성에 영향을 주는 인자로는 시일틈새, 코딩, 기울어짐, 반경비 등이 있다.
한편, 실제적 시일의 반경비를 나타내는 & =0.8 에서, 유한요소 수치해석과 Narrow seal 가정 해석에 의한 각종 윤활성능과 동특성계수가 10%이내에서 일치함을 알 수 있었다. 따라서, 초기 기본설계에서는 Narrow seal 해석 결과가 사용 될 수 있으며, 보다 정확한 결과가 요구되는 상세 설계에서는 유한요소법 등에 의한 수치해석 결과가 사용되어야 할 것으로 판단된다.

후속연구

8 에서, 유한요소 수치해석과 Narrow seal 가정 해석에 의한 각종 윤활성능과 동특성계수가 10%이내에서 일치함을 알 수 있었다. 따라서, 초기 기본설계에서는 Narrow seal 해석 결과가 사용 될 수 있으며, 보다 정확한 결과가 요구되는 상세 설계에서는 유한요소법 등에 의한 수치해석 결과가 사용되어야 할 것으로 판단된다.

참고문헌 (7)

Ludwig, L. P. And Greiner, H. F., 1978a, 'Designing Mechanical Face Seal for Improved Performance: Part l-Basic Configuration,' Mechanical Engineering, Nov., pp.38-46
Ludwig, L. P. And Greiner, H. F., 1978b, 'Designing Mechanical Face Seal for Improved Performance: Part 2-Lubrication,' Mechanical Engineering, Dec., pp. 18-23
Lebeck, A. O., 1991, Principles and Design of Mechanical Face Seals, John Wiley & Sons, Inc
Etsion, I., 1980, 'The Effect of Combined Coning and Waviness on The Separation Force in Mechanical Face Seals,' Journal Mechanical Engineering Science, Vol. 22, 2, pp. 59-64

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Etsion, I. and Sharoni, A., 1980, 'Performance of End-Face Seals with Diametral Tilt and Coning-Hydrostatic Effects,' ASLE Trans., Vol. 23, 3, pp. 279-288

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Sharoni, A. and Etsion, I., 1981, 'Performance of End-Face Seals with Diametral Tilt and Coning-Hydrodynamic Effects,' ASLE Trans., Vol. 24, 1, pp. 61-70

상세보기
Green, I. and Etsion, I., 1983, 'Fluid Film Dynamic Coefficients in Mechanical Face Seals,' ASME Trans. Journal of Lubrication Technology, Vol. 105, 2, pp. 297-302

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