[논문]보일러 급수 펌프용 미케니컬 페이스 실의 정특성 해석

김동욱; 진성식; 김준호; 김경웅

doi:10.9725/kstle.2010.26.4.230

보일러 급수 펌프용 미케니컬 페이스 실의 정특성 해석
Static Characteristic Analysis of Mechanical Face Seal Used for Boiler Feedwater Pump 원문보기

윤활학회지 = Journal of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers, v.26 no.4, 2010년, pp.230 - 239

김동욱 (KAIST 기계항공시스템학부) , 진성식 (한국씰마스타(주)) , 김준호 (한국씰마스타(주)) , 김경웅 (KAIST 기계항공시스템학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Mechanical face seal installed in boiler feedwater pump prevents leakage of working fluid using thin fluid film between stator and rotor. If the leakage of working fluid exceeds the allowable volume, serious malfunction of boiler feedwater pump will be happen. The thinner fluid film exists between stator and rotor, the less working fluid leaks out. However, if the thickness of fluid film is not enough, the wear of seal face will be increased. And it causes the decrease in life of mechanical face seal. Therefore appropriate design is necessary to maximize the performance and life of mechanical face seal. In this study, numerical analysis using finite volume method was conducted to investigate the static characteristics of wavy mechanical face seals which have 4 different wavy surface profiles on rotor. As a result, opening force, leakage volume of working fluid and friction torque were obtained. For the same minimum film thickness, the static characteristics of mechanical face seal were affected by the wavy surface profile which can change the thickness of working fluid film and pressure distribution.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

3과 4는 로터의 표면 프로파일을 개략적으로 나타낸 그림이다. 본 연구에서는 각기 다른 4가지 물결 프로파일이 가공된 로터를 사용하는 미케니컬 페이스 실에 대한 윤활 해석을 수행하였다. 이 중 타입 3과 4 로터는 평판 로터에 Fig.
본 연구에서는 유한체적법(finite volume method)을 이용하여 로터의 표면에 각기 다른 형상의 물결 프로파일이 가공된 미케니컬 페이스 실의 정특성(개방력, 작동 유체의 누설량, 마찰 토크)을 파악하기 위한 수치 해석을 수행하였다. 해석 대상 물결 프로파일은 총 4가지이며, 이들과 같은 물결 프로파일이 가공된 미케니컬 페이스 실은 현재 화력 발전용 보일러 급수 펌프에 사용되고 있다.
본 연구에서는 현재 화력 발전용 보일러 급수 펌프에 적용되고 있는 물결 프로파일이 각기 다르게 가공된 4가지 로터와 평판 스테이터 조합의 미케니컬 페이스 실의 작동 성능을 예측하기 위한 윤활 해석을 통해 개방력, 작동 유체의 누설량, 마찰 토크를 계산하였다. 계산 결과로부터 아래와 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

본 연구에서는 보일러 급수 펌프에 사용되는 미케니컬 페이스 실의 실면에서 발생하는 압력 분포를 계산하기 위해 정상 상태 레이놀즈 방정식(Reynolds equation)을 유도한 후 그 해를 유한체적법을 사용하여 구한다. 그리고 실면에서 발생하는 압력 분포 계산 결과를 이용하여 미케니컬 실의 성능을 예측하는데 필요한 개방력, 작동 유체의 누설량, 마찰 토크의 정특성을 계산한다. 수치 해석 순서는 Fig.
따라서 본 연구에서는 hc를 1에서 2 µm까지 0.1 µm씩 증가시키며 각각의 hc에 해당하는 개방력, 작동 유체 누설량, 마찰 토크를 계산하였다.
15~17은 각각 h_c의 변화에 따른 개방력, 작동 유체 누설량, 마찰 토크 계산 결과이다. 물결 프로파일 가공에 따른 정특성 변화를 살펴보기 위해 물결 프로파일이 가공되지 않은 평판 로터(flat rotor)와 convex 2 light band의 코닝이 적용된 평판 로터를 사용할 경우의 정특성 계산 결과도 함께 제시하였다.
압력 분포 계산 결과를 이용하여 미케니컬 페이스 실의 성능 예측에 필요한 개방력, 작동 유체의 누설량, 마찰 토크의 정특성을 계산할 수 있다.

대상 데이터

본 연구의 해석 대상은 화력 발전용 보일러 급수 펌프에 사용되는 미케니컬 페이스 실이다. 해석 대상 미케니컬 페이스 실은 Fig.
본 연구에서는 유한체적법(finite volume method)을 이용하여 로터의 표면에 각기 다른 형상의 물결 프로파일이 가공된 미케니컬 페이스 실의 정특성(개방력, 작동 유체의 누설량, 마찰 토크)을 파악하기 위한 수치 해석을 수행하였다. 해석 대상 물결 프로파일은 총 4가지이며, 이들과 같은 물결 프로파일이 가공된 미케니컬 페이스 실은 현재 화력 발전용 보일러 급수 펌프에 사용되고 있다.
본 연구의 해석 대상은 화력 발전용 보일러 급수 펌프에 사용되는 미케니컬 페이스 실이다. 해석 대상 미케니컬 페이스 실은 Fig. 2와 같은 형상의 스테이터와 로터로 구성된다. 스테이터의 표면은 평평하며, 로터의 표면 중 일부분은 동압을 발생시키기 위한 미세한 물결 프로파일이 가공되어 있다.

이론/모형

본 연구에서는 보일러 급수 펌프에 사용되는 미케니컬 페이스 실의 실면에서 발생하는 압력 분포를 계산하기 위해 정상 상태 레이놀즈 방정식(Reynolds equation)을 유도한 후 그 해를 유한체적법을 사용하여 구한다. 그리고 실면에서 발생하는 압력 분포 계산 결과를 이용하여 미케니컬 실의 성능을 예측하는데 필요한 개방력, 작동 유체의 누설량, 마찰 토크의 정특성을 계산한다.
실면에서 발생하는 압력 분포를 계산하기 위해 나비에-스톡스 방정식(Navier-Stokes equation)과 연속 방정식(continuity equation)에 적절한 가정을 적용하여 미케니컬 페이스 실의 실면에서 발생하는 압력의 지배방정식인 정상 상태 레이놀즈 방정식을 유도한다. 유도된 정상 상태 레이놀즈 방정식은 아래와 같다.

성능/효과

(1) 로터의 표면에 물결 프로파일을 가공한 경우 스테이터와 로터의 상대 회전 운동에 의해 원주 방향 유체막 두께에 변화가 발생하며, 원주 방향 유체막 두께의 변화율이 음의 값을 갖는 지점에서 쐐기 효과에 의해 압력이 발생된다.
(2) 동일한 타입의 로터를 사용할 경우 h_c가 증가할수록 개방력과 마찰 토크는 감소하고, 작동 유체의 누설량은 증가한다.
(3) 동일한 물결 형상을 코닝이 가공된 로터에 적용할 경우 유체막의 강성이 감소하고, 실면에 형성되는 유체막 두께가 증가하여 마찰 토크가 감소한다.
(4) 물결 형상을 변형하거나 코닝을 적용하여 로터의 표면 형상을 변화시키면 미케니컬 페이스 실의 개방력, 누설량, 마찰 토크 등의 정특성을 적절히 변화시킬 수 있다.
4가지 타입의 물결 프로파일이 가공된 로터에 대한 개방력 계산 결과를 살펴보면 동일한 타입의 로터를 사용할 경우 h_c가 증가함에 따라 개방력이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 그리고 코닝이 적용될 경우 h_c의 변화에 따른 개방력 변화율이 코닝이 적용되지 않은 경우에 비해 감소하는 것을 관찰할 수 있는데 이로부터 코닝이 적용될 경우 유체막의 강성이 감소되는 것을 알 수 있다.
4가지 타입의 물결 프로파일이 가공된 로터에 대한 계산 결과를 살펴보면 동일한 타입의 로터를 사용할 경우 h_c가 증가함에 따라 작동 유체 누설량이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 그리고 1≤h_c≤1.
이는 로터의 표면에 가공된 물결 프로파일에 의해 스테이터와 로터가 상대 회전 운동함에 따라 원주 방향 유체막 두께에 변화가 발생하고, 원주 방향으로 유체막 두께의 변화율이 음의 값을 갖는 지점에서 작동 유체의 점성에 의한 쐐기 효과에 의해 압력이 발생하기 때문이다. 그리고 코닝이 적용된 평판 로터를 사용할 경우 평판 로터를 사용하는 경우에 비해 개방력이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 코닝의 적용에 의해 유체막의 두께가 증가함에도 불구하고 반경 방향 유체막 두께의 변화에 의해 Fig.
5 µm일 때 타입 1~4로터를 사용할 경우 실면에서 발생하는 압력 분포를 나타낸 그림이다. 로터의 타입에 따라 발생하는 압력의 크기가 다르지만 원주 방향으로 유체막의 두께의 변화율이 음의 값을 갖는 지점에서 쐐기 효과(wedge effect)에 의해 압력이 발생하는 경향이 대체로 유사하게 나타나는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

이 중 스파이럴 그루브가 가공된 미케니컬 페이스 실의 작동 성능에 대한 연구 결과[2-4]는 많이 보고되고 있지만 깊은 직선 그루브나 물결 프로파일이 가공된 미케니컬 페이스 실에 대한 연구 결과[5, 6]는 상대적으로 부족하다. 따라서 적용 분야가 점차 넓어지고 있는 물결 프로파일이 가공된 미케니컬 페이스 실의 작동 성능을 예측하고 이를 설계에 활용할 수 있는 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	보일러 급수 펌프란 무엇인가?	보일러 급수 펌프(boiler feedwater pump, BFP)는 선박이나 발전소에 사용되는 보일러에서 적정 압력의 물을 공급해주는 기계이다. 보일러 급수 펌프가 운전되는 동안 작동 유체인 물이 일정 기준치 이상 하우징(housing) 외부로 누설될 경우 보일러 급수 펌프에 심각한 고장이 발생할 수 있다.
	보일러 급수 펌프가 운전되는 동안 작동 유체인 물이 일정 기준치 이상 하우징(housing) 외부로 누설될 경우 보일러 급수 펌프에 심각한 고장이 발생할 수 있으며 이는 어떤 결과를 유발하는가?	보일러 급수 펌프가 운전되는 동안 작동 유체인 물이 일정 기준치 이상 하우징(housing) 외부로 누설될 경우 보일러 급수 펌프에 심각한 고장이 발생할 수 있다. 이는 곧 전체 기계 시스템의 작동 정지로 이어져 막대한 경제적 손실을 유발한다. 이와 같은 문제를 방지하기 위해 작동 유체의 밀봉이 필요한 펌프나 압축기 등의 회전 기계에 미케니컬 페이스 실(mechanical face seal)이 사용된다.
	현재 상용화된 미케니컬 페이스 실의 스테이터나 로터의 표면에는 무엇이 가공되어 있는가?	현재 상용화된 미케니컬 페이스 실의 스테이터나 로터의 표면에는 동압 발생을 위한 스파이럴 그루브(spiral groove), 깊은 직선 그루브(deep straight groove), 물결 프로파일(wavy profile) 등이 가공되어 있다. 이 중 스파이럴 그루브가 가공된 미케니컬 페이스 실의 작동 성능에 대한 연구 결과[2-4]는 많이 보고되고 있지만 깊은 직선 그루브나 물결 프로파일이 가공된 미케니컬 페이스 실에 대한 연구 결과[5, 6]는 상대적으로 부족하다.

참고문헌 (6)

Lebeck, A. O., "Principles and Design of Mechanical Face Seal," A Wiley-Interscience Publication, New York, 1991.
Miller, B. A. and Green, I., "Numerical Formulation for the Dynamic Analysis of Spiral-Grooved Gas Face Seals," Journal of Tribology, Vol. 123, No. 2, pp. 359-403, 2001.
Salant, R. F. and Homiller, S. J., "Stiffness and Leakage in Spiral Groove Upstream Pumping Mechanical Seals," Tribology Transactions, Vol. 36, No. 1, pp. 55-60, 1993.

상세보기
Zirkelback, N., "Parametric Study of Spiral Groove Gas Face Seals," Tribology Transactions, Vol. 43, No 2, pp. 337-343, 2000.

상세보기
Lee, A. S. and Kim, J. H., "A Lubrication Performance of Deep Straight Groove Mechanical Face Seal", Journal of KSTLE, Vol. 19, No. 6, pp. 311-320, 2003.
Young, L. A. and Lebeck, A. O., "The Design and Testing of a Wavy-tilt-dam Mechanical Face Seal," Lubrication Engineering, Vol. 45, No. 5, pp. 322-329, 2000.

저자의 다른 논문 :

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증