[논문]플로팅링 실 간극이 터보펌프용 펌프의 성능에 미치는 영향

최창호; 노준구; 김대진; 홍순삼; 김진한

doi:10.5293/kfma.2007.10.6.038

플로팅링 실 간극이 터보펌프용 펌프의 성능에 미치는 영향
Effects of floating-ring seal clearance on the performance of the pump 원문보기

유체기계저널 = Journal of fluid machinery, v.10 no.6 = no.46, 2007년, pp.38 - 43

최창호 (한국항공우주연구원 터보펌프그룹) , 노준구 (한국항공우주연구원 터보펌프그룹) , 김대진 (한국항공우주연구원 터보펌프그룹) , 홍순삼 (한국항공우주연구원 터보펌프그룹) , 김진한 (한국항공우주연구원 터보펌프그룹)

Abstract ▼ AI-Helper

Pumps for a turbopump generally operate under high rotational speeds and large head rise conditions. Therefore, reliability is a prime design requirement. Floating-ring type seals are frequently employed in a turbopump because of robustness despite of low hydraulic efficiency. There are many researches on the floating-ring seal itself, but the effects of the floating ring seals on the performance of the whole pump are not widely studied in spite of their importance. In the present study, experimental and computational studies on the effects of the radial clearance of the floating ring seals on the performance of a pump were performed. The experimental results showed that the head rise and efficiency increased as the floating-ring seal clearance was decreased. The results also showed the possibility that the leakage flow which was injected to the inlet of the inducer could enhance the suction performance of the inducer by diminishing the size of the backflows.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

최근에는터보펌프에 주로 사용되는 플로팅링 실에 관한 연구도수행 중에 있는데, 주로 플로팅링 실만을 독립적으로연구하였다"宀(2) 그러나 플로팅링 실의 경우 펌프의수력성능에 상당한 큰 영향을 미치는 부분이므로 펌프와 연계해서 플로팅링 실의 영향을 파악하는 것이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 실제 펌프에서 플로팅링 실의 간극이 펌프의 성능에 미치는 영향을 연구하였다. 본 연구의 결과로 플로팅링 실의 간극이 펌프의수력성능 뿐 아니라 흡입성능에도 영향이 미치는 것을알 수 있었다.
현재 한국항공우주연구원에서는 추력 30 톤급의 액체로켓에 작용할 수 있는 터보펌프를 개발중에 있는데②, 펌프의 실로 플로팅링 실을 사용하고 있다. 따라서 본 연구에서도 플로팅링 실에 대하여 연구하였다.
본 연구에서는 플로팅링 실의 간극이 펌프의 성능에 미치는 영향에 대해서 실험 및 유동해석적 방법을사용하여 연구하였다. 연구의 결과를 요약하면 다음과같다.

제안 방법

유동해석시간을 절약하기 위해서 유동해석은 인듀서와 입구부분에 대해서만 수행되었다. 또한 유동해석의 편의를 위해서 입구부와 인듀서 형상을 간소화하였다.
펌프 본품에는 내부압력분포를 알기 위해 볼류트와 임펠러 출구, 이차 유로에여러 개의 압력센서를 설치하였다. 또한 펌프의 안정성을 확인하기 위해, 펌프 볼류트의 축방향과 반경방향에 진동센서를 설치하고, 입출구 배관에 압력섭동센서가 설치하였다. 진동센서와 압력섭동센서는 고속 샘플링 센서로서 측정데이터는 별도로 저장된다.
본 연구에서는 항우연에서 개발한 설계 S/W 및 이전의 유동해석旻3에서 실험결과의 비교를 통하여 충분히 검증된 Fine/Turbo®를 이용하여 해석을 수행하였다. Fine/Turbo는 공간차분법으로 가점성을 포함하는 중심차분법, 시간차분법으로 Runge-Kutta 시간전진법을 사용한다.
입구 누설유가 인듀서의 주유동에 미치는 영향을파악하기 위해서 유동해석을 수행하였다. 유동해석시간을 절약하기 위해서 유동해석은 인듀서와 입구부분에 대해서만 수행되었다.
우선 펌프폐회로의 센서를 살펴보면, 양정측정에 필요한 펌프 입구 및 출구압력은 입구배관과 출구배관에서 측정되며, 유체의 온도는 입구배관에 설치된온도센서에 의해 측정된다. 펌프 본품에는 내부압력분포를 알기 위해 볼류트와 임펠러 출구, 이차 유로에여러 개의 압력센서를 설치하였다. 또한 펌프의 안정성을 확인하기 위해, 펌프 볼류트의 축방향과 반경방향에 진동센서를 설치하고, 입출구 배관에 압력섭동센서가 설치하였다.

대상 데이터

Case 1에서 Case 3으로 가면서 플로팅링 실의 간극을 감소시켰다. 인듀서는 일반적으로 터보펌프에 주로 사용되는 후진익형 (backward-sweep inducer, Fig. 1 참조)을 사용하였다. Table 1에서 유량계수 및 양정계수는 다음과 같이 정의된다.

이론/모형

Fine/Turbo는 공간차분법으로 가점성을 포함하는 중심차분법, 시간차분법으로 Runge-Kutta 시간전진법을 사용한다. 또한 비압축성 유동을 해석하기 위하여 예조건화기법을 채택하였다.
난류모델은 계산시간을 줄이기 위해 확장된 표준 k-e모델을 채택하였다. 입구경계조건으로 축방향으로의 균일유동을 주었으며, 출구에서는 반경방향 힘평형을 고려한 정압을 주었다.
Fine/Turbo는 공간차분법으로 가점성을 포함하는 중심차분법, 시간차분법으로 Runge-Kutta 시간전진법을 사용한다. 또한 비압축성 유동을 해석하기 위하여 예조건화기법을 채택하였다. 수렴가속을 위해 다중격자법, 잔류항평균법 (residual smoothing) 등을 사용하였다.
또한 비압축성 유동을 해석하기 위하여 예조건화기법을 채택하였다. 수렴가속을 위해 다중격자법, 잔류항평균법 (residual smoothing) 등을 사용하였다.
실험 및 유동해석에서는 정확한 누설유량을 파악하기힘들기 때문에 누설유량은 1D 계산식을 이용하여구하였다. Table 3에는 간단한 1D 식을 사용하여 플로팅링간극에서의 누설유량을 계산한 결과를 나타내었다.

성능/효과

(1) 플로팅링의 간극을 줄임으로 서 양정과 효율이증가되는 것을 확인하였다. 플로팅링의 간극이 1/2로줄어들 경우에 양정은 약 3%, 효율은 약 4% 정도 증가되는 것을 펌프 실험에서 확인하였다.
(2) 플로팅링의 간극이 클수록 누설 유량이 많아지는데, 흡입성능 실험에서 간극이 클수록 흡입 성능의 저하가 발생하지 않음을 알 수 있었다. 이것은 간극으로누설되는 유량이 입구로 재유입되는 과정에서 입구유동의 예선회를 억제하여 입구 역류의 크기를 줄여주는작용이 있었기 때문으로 판단된다.
따라서 본 연구에서는 실제 펌프에서 플로팅링 실의 간극이 펌프의 성능에 미치는 영향을 연구하였다. 본 연구의 결과로 플로팅링 실의 간극이 펌프의수력성능 뿐 아니라 흡입성능에도 영향이 미치는 것을알 수 있었다.
그러나 누설유가 존재할 경우 예선회의 절대량이 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 즉, 전반적으로 절대유동각의 절대값이 줄어드는 것을 확인할수 있다. 따라서 누설유가 있는 경우에 입구유동의 예선회를 방해하여 유량증가에 따른 흡입성능의 저하를완화하는 작용이 있음을 알 수 있다.
것을 확인하였다. 플로팅링의 간극이 1/2로줄어들 경우에 양정은 약 3%, 효율은 약 4% 정도 증가되는 것을 펌프 실험에서 확인하였다.

참고문헌 (18)

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최창호, 김진한, 2005, '터보펌프용 전진익형 인듀서의 성능에 대한 수치해석적 연구,' 한국항공우주학회지, 제33권, 제11호, pp. 74-79

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최창호, 김진선, 홍순삼, 김진한, 2006, '터보펌프용 전진익형 인듀서에 대한 연구,' 유체기계저널, 제9권, 제2호, pp. 25-29

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