[논문]리니어 압축기에서 그루브 형상 변화에 따른피스톤의 동특성 해석

노상완; 오원식; 박경배; 임윤철

doi:10.9725/kstle.2015.31.5.221

[국내논문] 리니어 압축기에서 그루브 형상 변화에 따른피스톤의 동특성 해석
Analysis of Dynamic Characteristics of a Piston for a Linear Compressor Considering Changes in Groove Geometry 원문보기

윤활학회지 = Journal of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers, v.31 no.5, 2015년, pp.221 - 228

노상완 (연세대학교 대학원 기계공학과) , 오원식 (LG전자) , 박경배 (LG전자) , 임윤철 (연세대학교 공과대학 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

It is possible to prevent a piston from contacting the cylinder by changing the shape of the piston or by applying micro-textures, such as micro-grooves or micro-holes, over the piston surface. Usually, the minimum radial clearance reaches its minimum value at the beginning of the suction stroke because the pressure around the piston is low and almost axisymmetric such that the net pressure force on the piston is not sufficiently high to support the piston from touching the cylinder. In this study, we apply a series of saw-tooth-shaped grooves on the piston surface, and numerically investigate the effects of groove depth, groove angle, and the number of grooves with radial clearance variations using a finite difference method. We conduct a dynamic analysis of the piston for various changes in groove geometries to obtain the minimum radial clearance variation for the entire compression cycle. The minimum radial clearance increases while friction loss decreases when we apply the series of saw-tooth-shaped grooves on the piston. In addition, we analyze the impact of the change in the groove shape variable due to changes in radial clearance. Leakage variations are relevant to radial clearance, but have almost no effect on the groove parameters.

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문제 정의

본 논문에서는 피스톤의 옆면에 톱니모양의 그루브를 가공하였을 경우에 대하여 피스톤의 동특성을 여러 형상변수의 변화에 따라 수치적으로 해석하였다. 피스톤과 실린더 사이 간극에서의 압력분포를 구하고, 압력에 의한 힘과 자중에 의한 피스톤의 동특성, 이로 인한 마찰 손실과 최소간극의 변화 및 누설량을 구하였다.
2는 기준모델 앞뒤 피스톤 부분에 톱니모양 그루브를 가공한 형상이다. 본 연구에서는 Fig. 2와 같은 피스톤의 톱니모양 그루브의 형상변수 변화에 따라서 기준모델과 비교하였을 때 실린더와 피스톤의 접촉과 밀접한 관계가 있는 최소유막 두께와 에너지 효율과 관계가 있는 마찰 손실 및 누설량에 대하여 연구를 진행하였다.

가설 설정

초기조건으로는 피스톤이 실린더와 동심을 이루고 있다고 가정하고 계산을 진행하면, 4~7주기 후에는 반복되는 주기 운동을 구할 수 있다.

제안 방법

피스톤과 실린더 사이 간극에서의 압력분포를 구하고, 압력에 의한 힘과 자중에 의한 피스톤의 동특성, 이로 인한 마찰 손실과 최소간극의 변화 및 누설량을 구하였다.
본 연구에서는 피스톤의 자중 외 기타 외력은 고려하지 않아 y축 방향의 병진운동과 θ_x축의 회전운동만 고려하여 피스톤의 축 방향 움직임을 포함한 3자 유도 문제로 해석을 진행하였다.
또한, 그루브의 형상변수의 영향을 확인하기 위하여 피스톤과 실린더 사이의 동심상태 간극과 피스톤의 반지름의 비를 R*라 하고, R*의 값을 1/4500, 1/3000, 1/2250의 총 세 경우에 대한 해석을 진행하여 R*와 그루브 형상변수 변화에 따른 영향을 분석하였다. 기준모델은 R*=1/4500이다.
주어진 주파수(50Hz)와 변위(11mm)에 따른 피스톤의 운동방정식을 설정하고 실린더 내 동심인 상태를 초기조건으로 시간흐름에 따른 피스톤의 자세를 해석한다. 피스톤의 움직임이 이전 주기와 비교하여 그 차이가 RMS 값으로 0.
피스톤의 움직임이 이전 주기와 비교하여 그 차이가 RMS 값으로 0.5%이하가 되었을 때를 수렴조건으로 정하였고, 이때 기준모델의 한 주기 동안의 마찰 손실을 1로 무차원화하여 형상 변수 변화에 따른 영향을 분석하였다.
피스톤의 윤활특성으로 간극에서의 누설량, 피스톤의 움직임에 따른 마찰 손실, 압력과 중력에 의한 최소유막 두께의 변화를 분석하였다. 누설량은 전단력과압력차에 의해 발생하고 이는 다음과 같다.
기준모델과 A-B영역에 톱니 모양의 그루브를 적용한 경우, C-D영역에 적용한 경우, A-B와 C-D 두 영역에 모두 적용한 경우의 4가지 모델에 대하여 최소유막 두께와 마찰손실을 비교하여 그루브가 왕복 운동하는 피스톤에 미치는 영향을 수치계산하였다.
본 연구에서는 톱니모양 그루브의 가공 영역, 개수, 각도, 깊이 및 동심 간극의 변화에 대해 피스톤에 작용하는 압력을 수치해석적으로 계산하였고, 압력 값을 적분하고 외력을 함께 고려하여 피스톤의 동특성과 마찰손실, 그에 따른 누설량을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
그루브의 각도와 개수 및 길이는 기하학적으로 상관관계가 있으므로 우선 길이를 일정하게 유지한 상태에서 개수에 변화를 주어 그 영향을 분석하였다. 그루브의 깊이 G*=2를 유지하면서 세 종류의 R*에 대해서 그루브 개수의 영향에 대한 해석을 진행하여 Fig.
그루브의 깊이 G*=2, 그루브의 개수 N=20을 기준으로 R*=1/4500, 1/3000, 1/2250인 세 가지 경우에 대하여 그루브 각도를 50°부터 130°까지 각각 40°씩 증가시키면서 계산을 진행하였다.

성능/효과

(1) 톱니모양 그루브를 적용하였을 때 지지 하중 능력이 상승하게 되어 기준모델보다 최소유막두께는 7% 증가하고 마찰손실은 22% 감소하는 결과를 얻었다.
(2) 그루브의 길이를 일정하게 하고 그루브의 개수와 각도에 변화를 주었을 때, 최소유막두께는 10%, 마찰손실은 3% 이내의 변화로 큰 영향이 없음을 확인하였다.
(3) 그루브의 각도 변화에 따른 최소유막두께는 R*=1/4500일 때 7%밖에 차이가 나지 않으나 R*가 커질수록 변동의 폭이 커지고 큰 각도에서 최소유막 두께가 최대가 된다. 한편, 마찰손실은 각도 감소에 따라 10% 정도 저감된다.
(4) 그루브의 깊이(G*) 변화에 따른 최소유막두께는 R*에 따라 최대가 되는 G*가 있음을 보여주며 G*의증 가에 따라 마찰손실은 감소하는 경향을 보인다. R* 와 G*가 큰 경우에는 간극에서 압력이 충분히 발생되지 않아 최소유막두께의 발생지점이 점점 늦춰지는 현상이 나타나는 것을 확인하였다.
실린더와 피스톤이 동심 상태인 경우의 최소유막두께를 1로무차원화 하였으므로, H*=1에 가까울수록 유막 두께가 두꺼워 피스톤과 실린더가 접촉할 가능성이 적어진다. 그루브가 A-B영역에 가공된 경우 최소유막두께는 기준모델보다 8% 더 증가하였고, C-D영역에만 가공되었을 경우 A-B영역의 결과보다는 감소하나 A-B와 C-D 두 영역에 모두 톱니모양 그루브를 적용한 경우의 최소유막 두께는 기준모델보다 7% 증가한다.

참고문헌 (8)

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Noh, S. W., Oh, W. S., Park, G. B., Rhim, Y. C. “Analysis of dynamic characteristics of piston type compressor considering piston geometric parameters”, Proc. Spring Conference of the KSTLE, 119-120, 2015.

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