[논문]CFD를 사용한 평행 홈 펌프 시일의 해석 개선

하태웅

doi:10.9725/kstle.2008.24.6.291

CFD를 사용한 평행 홈 펌프 시일의 해석 개선
Improvement on Prediction of Circumferential-Groove-Pump Seal with CFD Analysis 원문보기

윤활학회지 = Journal of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers, v.24 no.6, 2008년, pp.291 - 296

하태웅 (경원대학교 기계.자동차공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In order to improve the leakage prediction and rotordynamic analysis of an annular seal with a smooth rotor and circumferentially grooved stator, CFD analysis using FLUENT has been performed to determine the groove penetration angle a which is the angle of separation line between control volumes II and III in groove section of Ha and Lee's three-control-volume theory. Validation to the present analysis using new penetration angle determined by the CFD analysis is achieved by comparisons with the results of published Ha and Lee's analysis. For the leakage prediction the present analysis shows slight improvement and CFD results yields the best. Direct damping and cross-coupled stiffness coefficients are predicted better to the experimental ones. However, direct stiffness coefficient is predicted worse.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

해석법 [1 아을 활용하기 위해서는 a각에대한 정확한 정보가 필요하다. 본 연구에서는 FLUENT를 사용한 CFD 해석을 통하여 a각에 대한 정밀한 해석이 가능함을 보였고 본 절에서는 a각의CFD 결과를 이용한 Ha and Lee의 평행 홈 실 해석 코드 결과의 유용성을 검증해 보고자 한다. Fig.
이는 a각에 대한정보가 제한적이어서 Marqutte and Childs가 해석 시사용했던 값을 동일하게 사용하여 해석하고 그 결과를Iwatsubo and shung의 실험 결과 및 Marqutte andChilds의 해석 결과와의 비교를 하였다. 본 연구에서는 Fig. 1 및 Table 1에 제시된 대상 평행 홈 실에 대하여 FLUENT를 사용한 CFD 해석을 수행하여 a 각과 누설량을 예측하고 새로운 a각을 사용한 Ha and Lee 의 해석 결과를 제시하고자 한다.
본 연구에서는 홈 실의 three-control-volume 해석법에서 중요한 요소인 유선 분리각 a를 CFD 상용코드인 FLUENT를 사용한 해석을 통해 결정하고, Ha and Lee의 해석코드에 적용하여 흠 실의 누설량 및로터다이니믹 특성계수(동특성계수) 예즉에 미치는 영향을 분석하고자 한다.
008 radian)을 적용하여해석하고 있다. 본 절에서는 홈 실에서 유동 조건 및 홈의 형상에 따른 a각의 영향을 CFD 상용코드인 FLUENT를 사용하여 해석하고 대상 홈 실에 대한 유동 해석을 통하여 a각을 결정하고자 한다.

제안 방법

3의 경우에는 30, 400의 격자를 생성하였다. Fluent solver를 사용하여 2D, axis-sym-metric, swirl 유동에 대한 비압축성 유동해석을 하였다. 난류모델은 K-C0 모델을 시'용하였으며 수렴판정은 잔류항의 총합이 이하가 되는 시점으로 하였다.
고성능 펌프의 비접촉식 실로 널리 사용되고 있는 평행 홈 실의 누설량과 로터다이나믹 특성계수의 예측개선을 위하여 홈 실에 대한 유동해석을 CFD 상용코드인 FLUENT를 사용하여 수행하고 누설량과 유선분리각 a를 결정하였다. 새로 결정된 유선 분리각을기 발표된 홈 실의 three-control-volume 해석법에 적용하여 재해석하고 그 결과를 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
1의 홈 실과 같은 형상을 갖는 경우로 운전조건은 Table 1에 제시된 것과 같으나 실 입 . 출구의 압력 차 AP, 로터의 회전수(rptn), 및 홈의 형상비인 홈 깊이/홈 너비(B/LQ에 따른 a각의 영향을 분석해 보기위하여 AP는 2.88 bar-14.88 bar, 로터 회전수는 500 rpm~4500 rpm, B/Lg는 0.25 ~ 1.25의 범위 (B= 1.2 mm 로 일정하게 유지하며 Lg를 0.96 mm~4.8 mm 범위로 설정)에서 해석하였다. GAMBIT을 사용하여 길이(축) 방향과 깊이 방향으로 0.

대상 데이터

8 mm 범위로 설정)에서 해석하였다. GAMBIT을 사용하여 길이(축) 방향과 깊이 방향으로 0.01 mm 크기의 정사각형 격자를 선정하여 Fig. 3의 경우에는 30, 400의 격자를 생성하였다. Fluent solver를 사용하여 2D, axis-sym-metric, swirl 유동에 대한 비압축성 유동해석을 하였다.

데이터처리

008(radian)을 사용하였다. 이는 a각에 대한정보가 제한적이어서 Marqutte and Childs가 해석 시사용했던 값을 동일하게 사용하여 해석하고 그 결과를Iwatsubo and shung의 실험 결과 및 Marqutte andChilds의 해석 결과와의 비교를 하였다. 본 연구에서는 Fig.

이론/모형

Fluent solver를 사용하여 2D, axis-sym-metric, swirl 유동에 대한 비압축성 유동해석을 하였다. 난류모델은 K-C0 모델을 시'용하였으며 수렴판정은 잔류항의 총합이 이하가 되는 시점으로 하였다.
a를 결정하였다. 새로 결정된 유선 분리각을기 발표된 홈 실의 three-control-volume 해석법에 적용하여 재해석하고 그 결과를 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

성능/효과

1) 홈 실에서의 유선 분리각 a의 크기는 압력 차가 커질수록 더 커짐을 보였으며, 로터의 회전수가 커지면 a가 작아지는 경향을 보였다. 압력차가 커질 수록 로터 회전수의 영향은 작아짐을 보였으며, 홈부의 깊이(B)/너비(Lg)비가 커질수록 a가 커짐을 보였다.
2) 누설량의 예측은 Marqutte and Childs 및 Haand Lee의 결과보다 약간 개선된 결과를 보였으며 FLUENT 해석 결과는 Iwatsubo and shung의 실험결과 보다 약 6.9% 정도 작게 예측됨을 보여 비교된 해석 결과 중 가장 우수함을 보였다.
3) 강성계수(K)는 Ha and Lee의 해석 결과보다 더 작게 예측되어 FLUENT 해석을 통해 정의된 유선 분리 각의 사용이 강성계수 예측에 있어서는 개선됨을 보이지 못하였다.
4) 연성강성계수(k)는 Ha and Lee의 해석 결과보다는 작게 예측됨을 보이고, Iwatsubo and shung의 실험 결과와 비교해보면 1000rpm, 1500rpm, 및 3500rpm에서 매우 근접한 결과를 보여주고 있어 전반적으로 개선된 결과를 보였다.
5) 감쇠계수(C)는 Ha and Lee의 해석 결과보다 작게 예측됨을 보이고 있으며, Iwatsubo and shung의실험결과와 비교해보면 크게 개선됨을 보였다.
연성강성계수는 축계의 불안정화와 관계되는 것으로 본 연구 결과는 Ha and Lee의 해석 결과보다는 작게 예측됨을 보이고 있다. Iwatsubo and shungS) 실험결과와 비교해보면 1000 rpm,1500 rpm, 및 3500rpm에서 매우 근접한 결과를 보여주고 있고 전반적으로 Ha and Lee의 해석 결과보다 개선된 결과를 나타내고 있다.
감쇠계수는 축계의 안정화와 관계되는 것으로- 본 연구 결과는 Ha and Lee의 해석 결과보다 작게 예측됨을 보이고 있다. Iwatsubo and shung의 실험결과와 비교해보면 크게 개선됨을 보이고 있으며 1500rpm에서는 거의 일치함을 보이고 있다.
유선 분리각 a의 크기는 압력 차가 커지면 더 커짐을 보였는데 이는 축방향 유속이 커지므로 유선이 보다 더 깊이 홈 속으로 파고들어 가기 때문인 것으로 판단된다. 로터의 회전수가 커지면 a가 작아지는 경향을 보였는데 압력차가 커질수록 로터 회전수의 영향은 작아짐을 보였다. Fig.
10은 로터의 회전수에 따른 누설량의 결과를 나타내고 있다. 본 연구 결과는 Marqutte and Childs 및 Ha and Lee의 결과보다 Iwatsubo and shung의실험 결과에 작지만 더 근접함을 보이고 있다. 본 연구에서 수행한 FLUENT 해석 결과는 Iwatsubo and shim#] 실험 결고} 보다 약 6.
본 연구를 통하여 평행 홈 실의 three-control-vol- ume 해석법을 사용한 코드를 활용할 경우 유선 분리 각에 대한 정확한 정보가 중요함을 알 수 있었으며, FLUENT 해석을 통한 유선 분리각의 결정 및 누설량 예측이 매우 유용함을 알 수 있었다. 또한 FLUENT 해석을 통한 평행 홈 실의 누설량 예측 결과가 비교된 해석 결과 중 가장 우수함을 보여 FLUENT를 사용한로터다이나믹 특성계수 예측 방법을 개발한다면 보다 개선된 결과를 얻을 수 있을 것으로 사료된다.
본 연구 결과는 Marqutte and Childs 및 Ha and Lee의 결과보다 Iwatsubo and shung의실험 결과에 작지만 더 근접함을 보이고 있다. 본 연구에서 수행한 FLUENT 해석 결과는 Iwatsubo and shim#] 실험 결고} 보다 약 6.9% 정도 직게 예측됨을 보여 비교된 해석 결과 중 가장 우수함을 보였다.
a가 작아지는 경향을 보였다. 압력차가 커질 수록 로터 회전수의 영향은 작아짐을 보였으며, 홈부의 깊이(B)/너비(Lg)비가 커질수록 a가 커짐을 보였다.
12는 로터의 회전수에 따른 연성강성계수(k)의결괴를 나타내고 있다. 연성강성계수는 축계의 불안정화와 관계되는 것으로 본 연구 결과는 Ha and Lee의 해석 결과보다는 작게 예측됨을 보이고 있다. Iwatsubo and shungS) 실험결과와 비교해보면 1000 rpm,1500 rpm, 및 3500rpm에서 매우 근접한 결과를 보여주고 있고 전반적으로 Ha and Lee의 해석 결과보다 개선된 결과를 나타내고 있다.
9는 유동장 해석 결과로부터 산출된 10개 홈에서의 유선 분리각 a의 결과를 나타내고 있다. 첫 번째 홈과 마지막 10번째 홈을 제외한 2번째 ~9번째 홈에서의 유선 분리각은 거의 일정한 값으로 0.0219 radian을 나타내고 있으며 첫 번째 홈과 마지막 홈의 유선 분리각도 각각 0.0208radian과 0.0194 radian로 모든 홈에서의 유선 분리각의차는 무시될 수 있을 정도로 미소한 차이를 보이고 있다. 또한 로터 회전수 500rpm~3500rpm 범위에서 a 값의 변화는 최대 0.

후속연구

매우 유용함을 알 수 있었다. 또한 FLUENT 해석을 통한 평행 홈 실의 누설량 예측 결과가 비교된 해석 결과 중 가장 우수함을 보여 FLUENT를 사용한로터다이나믹 특성계수 예측 방법을 개발한다면 보다 개선된 결과를 얻을 수 있을 것으로 사료된다.

참고문헌 (10)

Black, H. F. and Cochran, E. A., 1973, 'Leakage and Hybrid Bearing Properties of Serrated Seals in Centrifugal Pumps', presented at the 6th International Conference on Fluid Sealing, Munich, Germany, G5-61 - G5-70
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Nordmann, R., Dietzen, F. J., Janson, W., Frei, A., and Florjancic, S., 1986, 'Rotordynamic Coefficients and Leakage Flow of Parallel Grooved Seals and Smooth Seals', Rotordynamic Instability Problems in High-Performance Turbomachinery, NASA CP No. 2338, proceedings of a workshop held at Texas A&M University, pp. 129-153
Kim, C. H., and Childs, D. W., 1987, 'Analysis for Rotordynamic Coefficients of Helically-Grooved Turbulent Annular Seals', ASME Journal of Tribology, Vol. 109(1), pp. 136-143

상세보기
Iwatsubo, T. and Sheng, B., 1990, 'Evaluation of Dynamic Characteristics of Parallel Grooved Seals by Theory and Experiment', in Proceedings of the Third IFToMM International Conference on Rotordynamics, Lyon, France, pp. 313-318
Iwatsubo, T., Sheng, B., and Ono, M., 1990, 'Experiment of Static and Dynamic Characteristics of Spiral Grooved Seals', Rotordynamic Instability Problems in High-Performance Turbomachinery, NASA CP No. 3122, proceedings of a workshop held at Texas A&M University, pp. 223-234
Kilgore, J. J. and Childs, D. W., 1990, 'Rotordynamic Coefficients and Leakage Flow of Circumferentially Grooved Liquid-seals', ASME Journal of Fluids Engineering, Vol. 112, pp. 250-256

상세보기
Florjancic, S., 1990, 'Annular Seals of High Energy Centrifugal Pumps : A New Theory and Full Scale Measurement of Rotordynamic Coefficients and Hydrauric Friction Factors', Ph.D. Dissertation, Swiss Federal Institute of Technology, Zurich, Switzerland
Marquette, O. R. and Childs D. W., 1996, 'An Extended Three-Control-Volume Theory for Circumferentially-Grooved Liquid Seals', ASME Journal of Tribology, Vol. 118, pp. 276-285

상세보기
Ha, T.W. and Lee, A. S., 2000, 'A Rotordynamic Analysis of Circumferentially-Grooved Pump Seals Based on a Three-Control-Volume Theory', KSME International Journal, Vol. 14, No. 3, pp. 261-271

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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