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가설 설정
- 와인딩 스프링의 기하학적 형상에 따라 Fig. 3과 같이 k1, k2, k3의 스프링상수를 가진 조합으로 가정하였다. 와인딩 스프링이 받는 전체의 하중은 k1, k2, k3의 스프링상수를 가진 스프링에 걸리는 하중의 합과 같으므로, 전체 스프링 상수ktotal 은 식 (1)과 같이 양 끝과 중앙 부분에 곡률을 적용한 스프링의 병렬조합식에 의해 구해진다.
제안 방법
- (3) 누설 예측을 위한 유동해석기법의 타당성 검증 및 플렉시블 패킹링의 누설 저감 효율성 검증을 위하여 유량 성능시험을 수행하였다. 그 결과 플렉시블 타입은 컨벤셔널 타입과 비교하여 누설 저감이 15.
- 5와 같이 유동공간의 입구 및 출구를Outlet 높이의 5배가 되는 길이로 연장하였다.7 대칭(Symmetry) 조건을 양쪽 면에 부여하였으며, 작동유체는 이상기체를 적용하였다. 입구 경계 조건으로는 Fig.
- 4와 같이 3차원으로 모델링 하였으며, 축 대칭형상임을 고려하여 축의 반경방향으로 5°에 해당하는 유동공간을 해석대상으로 하였다. 경계조건 설정의 타당성 및 해석결과의 정확성을 위하여 Fig. 5와 같이 유동공간의 입구 및 출구를Outlet 높이의 5배가 되는 길이로 연장하였다.7 대칭(Symmetry) 조건을 양쪽 면에 부여하였으며, 작동유체는 이상기체를 적용하였다.
- 이에 본 논문에서는 와인딩 스프링(Winding Spring)의 완충작용에 의한 유연성을 가진 플렉시블 패킹링을 개발하였으며, 이를 위하여 와인딩 스프링의 형상설계 및 스프링상수(k) 설계식을 유도하였다. 그리고 유동해석을 이용하여 컨벤셔널 타입(Conventional Type)과 플렉시블 타입(Flexible Type)의 누설을 서로 비교하였으며, 실제 유량 성능시험을 수행하여 플렉시블 패킹링의 효율성 및 유동해석 기법을 검증하였다.
- 본 논문에서는 기존 패킹링과 비교하여 누설저감을 할 수 있는 플렉시블 패킹링을 개발하였으며, 이를 위하여 와인딩 스프링의 형상설계 및 스프링상수(k) 설계식을 유도하였다. 그리고 유동해석을 이용하여 컨벤셔널 타입과 플렉시블 타입의 누설을 서로 비교 분석하였으며, 유량 성능시험을 수행하여 유동해석 기법의 타당성을 검증하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 16과 같이 에어탱크(Air Tank)에서 공기가 주입되는 입구 측을 밀폐시키고 출구 측 공기가 로터와 패킹링 사이를 지나서 빠져나가는 커버(Cover) 부분을 개방시켜 토출되는 유량을 측정하였다. 누설 측정시간은 모터를 가동시켜 로터를 회전시킨 후 에어탱크로부터 공기를 공급한 상태에서 40초로 설정하였으며, 누설이 일정하게 유지되는 구간의 평균치를 기록하여 누설을 측정하였다.
- 본 논문에서는 기존 패킹링과 비교하여 누설저감을 할 수 있는 플렉시블 패킹링을 개발하였으며, 이를 위하여 와인딩 스프링의 형상설계 및 스프링상수(k) 설계식을 유도하였다. 그리고 유동해석을 이용하여 컨벤셔널 타입과 플렉시블 타입의 누설을 서로 비교 분석하였으며, 유량 성능시험을 수행하여 유동해석 기법의 타당성을 검증하였다.
- 와인딩 스프링의 소재는 Ni계열의 초내열 합금 (Inconel X-750) 이며, 500MW 증기터빈을 기준으로 최고온도 538℃에서 플렉시블 실을 지지하며, 이 온도에서 소재의 항복강도는 한국화학융합시험 연구원에 의뢰하여 얻은 811MPa을 적용하였다. 안전계수는 테스트로 얻은 기준강도이므로 1.3을 적용하여 와인딩 스프링의 설계허용응력 623.8MPa 을 구하였다.
- 와인딩 스프링의 형상설계를 위하여 설계허용 응력을 기준강도 및 안전계수를 이용하여 계산하였으며, 기준강도는 탄성변형을 중요시하는 부품이므로 항복강도를 적용하였다. 와인딩 스프링의 소재는 Ni계열의 초내열 합금 (Inconel X-750) 이며, 500MW 증기터빈을 기준으로 최고온도 538℃에서 플렉시블 실을 지지하며, 이 온도에서 소재의 항복강도는 한국화학융합시험 연구원에 의뢰하여 얻은 811MPa을 적용하였다.
- 유동해석 기법의 타당성을 검증하기 위하여 시험결과의 누설량과 유동해석기법으로 계산한 누설량을 비교하였다. 그 결과 Table 6과 같이 실험값을 기준으로 최대 오차율 6.
- 최소설계하중은 작동유체의 고압에 스프링이 밀리지 않게 하기 위한 와인딩 스프링의 최소한의 설계하중이다. 이를 도출하기 위하여 CFD를 이용하여 증기압에 의한 플렉시블 실이 받는 압력을 구하였으며, 이를 구조해석에 적용하여 와인딩 스프링이 받는 하중을 구하였다. CFD를 수행하기 위하여 ANSYS CFX 12.
- 5mm의 좁은 조립공간에 장착되어 플렉시블 실을 지지할 수 있는 요구하중을 만족하여야 한다. 이를 위하여 일자 단순판 스프링형상에서 양 끝과 중앙 부분에 곡률을 적용한 와인딩 스프링의 형상을 선정하였으며, 스프링상수(k) 설계식을 유도하였다. 6
- 이에 본 논문에서는 와인딩 스프링(Winding Spring)의 완충작용에 의한 유연성을 가진 플렉시블 패킹링을 개발하였으며, 이를 위하여 와인딩 스프링의 형상설계 및 스프링상수(k) 설계식을 유도하였다. 그리고 유동해석을 이용하여 컨벤셔널 타입(Conventional Type)과 플렉시블 타입(Flexible Type)의 누설을 서로 비교하였으며, 실제 유량 성능시험을 수행하여 플렉시블 패킹링의 효율성 및 유동해석 기법을 검증하였다.
- 와인딩 스프링의 경우 판 스프링의 양 끝과 중앙 부분에 각각 다른 곡률이 적용된 복합적인 형태로서 이론적 접근이 어렵다. 이에 형상설계를 위하여 시행착오법을 이용하여 다양한 형상을 적용하였으며, 구조해석을 통하여 설계조건의 만족 여부를 판단하였다.
- 유량 성능시험 모델은 500MW 증기터빈의 고압단용 표준 패킹링과 로터의 형상에서 플렉시블 타입의 경우 컨벤셔널 타입의 설계간극의 1/2인 형상이다. 입구 경계조건으로는 Fig. 15와 같이 압력조건 200kPa, 온도조건 25℃를 적용하였으며, 출구 경계조건으로는 대기압의 압력조건을 적용하였다. 유동해석을 수행한 결과, 컨벤셔널 타입의 누설이 97.
- 유량성능입구 측 압력은 200kPa으로 설정하였으며 로터의 회전수는 1800rpm으로 설정하였다. 작동유체는 공기이며, 누설 측정 방법은 Fig. 16과 같이 에어탱크(Air Tank)에서 공기가 주입되는 입구 측을 밀폐시키고 출구 측 공기가 로터와 패킹링 사이를 지나서 빠져나가는 커버(Cover) 부분을 개방시켜 토출되는 유량을 측정하였다. 누설 측정시간은 모터를 가동시켜 로터를 회전시킨 후 에어탱크로부터 공기를 공급한 상태에서 40초로 설정하였으며, 누설이 일정하게 유지되는 구간의 평균치를 기록하여 누설을 측정하였다.
- 14와 같이 입구측 압력 및 온도와 출구측 압력을 적용하였다. 저압단의 경계조건은 앞서 수행한 유동해석의 Fig. 6과 동일하며 패킹링의 컨벤션널 타입과 플렉시블 타입의 누설 예측을 위하여 CFD 해석으로 질량유량을 계산하였다.
- 중앙 곡률의 반경 R2는 현장 경험을 토대로 300mm부터 450mm의 범위로 50mm 증가시키면서 해석을 수행하였으며, 경계조건은 패킹링과 플렉시블 실의 조립된 공간의 높이인 2.5mm가 될 때까지 Fig. 10과 같이 강제 변위구속을 부여하였다.
- 플렉시블 패킹링의 증기누설 저감 효율성을 검증하기 위하여 증기터빈의 고압단, 저압단 환경을 적용하여 유동해석을 수행하였다.
- 해석결과를 바탕으로 플렉시블 실이 받는 압력 범위 중에서 최대압력인 783.3kPa을 부여하였으며, 플렉시블 실에서 와인딩 스프링이 장착될 면을 고정(Fix) 조건으로 적용하였다. 경계조건 및 해석결과는 Fig.
대상 데이터
- 이를 도출하기 위하여 CFD를 이용하여 증기압에 의한 플렉시블 실이 받는 압력을 구하였으며, 이를 구조해석에 적용하여 와인딩 스프링이 받는 하중을 구하였다. CFD를 수행하기 위하여 ANSYS CFX 12.1을 이용하였고, 해석대상은 화력발전을 위한 증기터빈의 저압단에 위치하는 플렉시블 패킹링이며, 설계간극은 0.15mm이다. 내부 유동공간을 Fig.
- 내부 유동공간을 Fig. 4와 같이 3차원으로 모델링 하였으며, 축 대칭형상임을 고려하여 축의 반경방향으로 5°에 해당하는 유동공간을 해석대상으로 하였다.
- 두께와 폭은 Fig. 9와 같이 조립공간의 높이와 플렉시블 실의 폭을 고려하여 각각 0.4mm, 6mm로 하였다. 스프링 호의 길이는 플렉시블 실의 호 길이보다 길어지면 플렉시블 실 밖으로 빠져나갈 수 있으며, 짧아지면 스프링이 플렉시블 실을 균일하게 지지할 수 없기 때문에 플렉시블 실의 호 길이보다 10mm작은 341mm를 적용하였다.
- 4mm, 6mm로 하였다. 스프링 호의 길이는 플렉시블 실의 호 길이보다 길어지면 플렉시블 실 밖으로 빠져나갈 수 있으며, 짧아지면 스프링이 플렉시블 실을 균일하게 지지할 수 없기 때문에 플렉시블 실의 호 길이보다 10mm작은 341mm를 적용하였다. 판 스프링의 양끝 부분의 곡률 반경R1에 따른 반력(Reaction force)을 Table 1에 나타내었으며, 중앙 부분의 곡률 반경 R2에 따른 반력인 Table 2와 비교할 때, 미치는 영향이 미비하므로 양끝 부분의 곡률 반경R1은 기존 작업 조건과 동일한 15mm로 하였다.
- 해석대상은 동해화력 증기터빈의 N04G01에 위치한 플렉시블 패킹링용 와인딩 스프링이며, 형상 설계를 고려하여 제작되었다. 열 구조연성해석을 수행하기 위하여 온도에 따른 Inconel X-750의 물성을 적용하였다. 와인딩 스프링은 500MW 증기터빈의 최고온도 538℃에서 장시간 동안 노출되어 있으므로 정상상태로 가정하였으며, Fig.
- 와인딩 스프링의 형상설계를 위하여 설계허용 응력을 기준강도 및 안전계수를 이용하여 계산하였으며, 기준강도는 탄성변형을 중요시하는 부품이므로 항복강도를 적용하였다. 와인딩 스프링의 소재는 Ni계열의 초내열 합금 (Inconel X-750) 이며, 500MW 증기터빈을 기준으로 최고온도 538℃에서 플렉시블 실을 지지하며, 이 온도에서 소재의 항복강도는 한국화학융합시험 연구원에 의뢰하여 얻은 811MPa을 적용하였다. 안전계수는 테스트로 얻은 기준강도이므로 1.
- 유동해석의 대상은 500MW 증기터빈의 고압단에 일반적으로 쓰이는 표준 패킹링이며, 동해화력 증기터빈의 저압단 N04G01에 위치하는 컨벤셔널타입과 플렉시블 타입의 패킹링이다. 고압단에서는 Fig.
- 유량 성능시험 모델은 500MW 증기터빈의 고압단용 표준 패킹링과 로터의 형상에서 플렉시블 타입의 경우 컨벤셔널 타입의 설계간극의 1/2인 형상이다. 입구 경계조건으로는 Fig.
- 해석대상은 동해화력 증기터빈의 N04G01에 위치한 플렉시블 패킹링용 와인딩 스프링이며, 형상 설계를 고려하여 제작되었다. 열 구조연성해석을 수행하기 위하여 온도에 따른 Inconel X-750의 물성을 적용하였다.
데이터처리
- 유량 성능시험으로 컨벤셔널 타입과 플렉시블 타입의 누설량을 측정하여 플렉시블 패킹링의 누설 저감효율성을 검증하였으며, 실험 결과와 유동해석으로 계산한 결과값을 비교하여 유동해석의 기법을 검증하였다.
이론/모형
- 를 구하기 위하여 현가장치용 곡선을 가진 스프링상수(k) 식을 적용하였다. Fig. 3과 같이 스프링 형상에 작용하는 힘을 고려하여 k1에는 식 (4)와 같이 Quarter-elliptic leaf spring equation 을 적용하였으며, k2에는 식(5)와 같이 Semi-elliptic leaf spring equation을 적용하였다.
- 4214kPa의 압력조건을 적용하였다. 유동공간을 구성하는 모든 벽면에는no-slip조건을 적용하였으며, 난류 모델은 SST (Shear Stress Transport)를 적용하였다.
성능/효과
- (1) 와인딩 스프링의 스프링상수(k) 설계식 유도를 위하여 병렬조건, 열변형 식, 현가장치용 곡선을 가진 스프링상수(k)식을 적용하였고, 이 설계식의 타당성 검증을 위하여 와인딩 스프링의 열구조연성을 수행하였으며, 스프링상수(k)의 해석과 설계식의 값을 비교한 결과, 최대 8.2%의 오차율을 나타냈다.
- (2) 누설예측을 위한 유동해석 수행한 결과, 증기터빈의 고압단에서 플렉시블 타입은 컨벤셔널 타입과 비교하여 9.1%의 누설 저감이 향상되었으며, 저압단에서는 7.6%의 누설 저감이 향상된 것으로 나타났다.
- 구조해석을 수행한 결과, Table 2와 같이 R2의 반경이 작을수록 스프링의 하중은 미소하게 증가하였으며, 스프링의 최대응력도 증가하는 것으로 나타났다. R2의 반경 300mm부터 450mm를 적용한 모든 스프링 형상은 최소설계하중 기준을 만족하였다.
- (3) 누설 예측을 위한 유동해석기법의 타당성 검증 및 플렉시블 패킹링의 누설 저감 효율성 검증을 위하여 유량 성능시험을 수행하였다. 그 결과 플렉시블 타입은 컨벤셔널 타입과 비교하여 누설 저감이 15.3%로 향상된 것으로 나타났다. 또한, 유량 성능 시험과 유동해석기법으로 도출한 누설량을 비교한 결과, 최대 오차율은 6.
- 1MPa으로 나타나 설계허용응력을 만족하였다. 따라서 일자 판 스프링에 양끝 곡률15mm, 중앙 곡률 450mm이 적용된 와인딩 스프링 형상의 경우 플렉시블 패킹링에 사용 가능한 것으로 나타났다.
- 3%로 향상된 것으로 나타났다. 또한, 유량 성능 시험과 유동해석기법으로 도출한 누설량을 비교한 결과, 최대 오차율은 6.38%로 비교적 잘 일치하였다.
- 유동해석을 수행한 결과, Table 4와 같이 플렉시블 타입의 누설 저감율은 고압단에서 컨벤셔널 타입보다 9.1%으로 향상된 것으로 나타났으며, 저압단에서는 컨벤셔널 타입보다 7.6%로 향상된 것으로 나타났다.
- 15와 같이 압력조건 200kPa, 온도조건 25℃를 적용하였으며, 출구 경계조건으로는 대기압의 압력조건을 적용하였다. 유동해석을 수행한 결과, 컨벤셔널 타입의 누설이 97.35kg/hr으로 나타났으며, 플렉시블 타입의 누설은 86.85kg/hr으로 나타났다. 플렉시블 타입에서의 누설은 컨벤셔널 타입보다 10.
- 유량 성능 시험의 측정결과는 체적유량으로 나타났으며, 그 결과 Table 5와 같이 플렉시블 타입은 컨벤셔널 타입과 비교하여 누설저감이15.3% 향상된 것으로 나타났다.
- 85kg/hr으로 나타났다. 플렉시블 타입에서의 누설은 컨벤셔널 타입보다 10.8 % 감소한 것으로 나타났다.
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