[논문]경사 그루브를 갖는 평판 실의 압력 강하 및 누설 성능

정진우; 정권종; 황성호; 김태호; 김어진

doi:10.9725/kts.2022.38.5.213

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents performance measurements of pressure drop and leakage flow rate of test flat seals with asymmetric inclined grooves. This study aims to reveal the influence of groove shapes, often machined in radial film riding-face seals, in forming a hydrodynamic wedge on leakage performance. ...

This paper presents performance measurements of pressure drop and leakage flow rate of test flat seals with asymmetric inclined grooves. This study aims to reveal the influence of groove shapes, often machined in radial film riding-face seals, in forming a hydrodynamic wedge on leakage performance. A test facility was developed, and test seals were manufactured to study the effects of the inlet pressure level, ratio of inlet to outlet pressure, seal groove length, and seal groove height on the steady-state pressure drop and leakage performance. A series of tests were conducted, and the test data were compared to the predictions from a simple and efficient mathematical model using a one-dimensional Reynolds equation. The test results revealed that an increase in the inlet pressure increased the pressure drop through the test seals. The leakage flow rate increased significantly as the inlet pressure and ratio of the inlet to outlet pressure increased. The groove shape also affects seal performance. An increase in the groove length and height resulted in an evident increase in the leakage flow rate. The simple model predictions underestimated the leakage flow rates but showed good agreement with the trend in the measurements for all test operating conditions and changes in the groove shape.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Schematic view of flat groove seal (not to scale).
그림 Fig. 2. Details of test seal dimensions.
그림 Fig. 3. Configuration of seal test facility.
그림 Fig. 4. Detailed schematic views of seal test rig - side view (upper) and top view (lower).
표 Table 1. Specification of measurement equipment
그림 Fig. 5. Flow chart for numerical analysis.
그림 Fig. 6. Predicted pressure versus seal length compared to test data for increasing pressure ratios, P_r at normalized inlet pressures of 0.45, 0.84, and 1.00.
그림 Fig. 7. Predicted mass flow rate versus pressure ratio compared to test data at normalized inlet pressures of 0.45, 0.84, and 1.00.
그림 Fig. 8. Predicted pressure versus seal length compared to test data for increasing pressure ratios, P_r at dimensionless groove lengths of 0.4, 0.6, 0.8.
그림 Fig. 9. Predicted mass flow rate versus pressure ratio compared to test data at dimensionless groove lengths of 0.4, 0.6, 0.8.
그림 Fig. 10. Predicted pressure versus seal length compared to test data for increasing pressure ratios, P_r at dimensionless groove heights of 0.0, 0.6, 1.0.
그림 Fig. 11. Predicted mass flow rate versus pressure ratio compared to test data at dimensionless groove heights of 0.0, 0.6, 1.0.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 래디얼 필름 라이딩 페이스 실 표면 적용을 위한 경사진 그루브의 형상이 누설 성능에 미치는 영향을 고찰하기 위해, 입구압력 및 실 표면의 그루브 길이와 높이 변화에 따른 실 틈새에서의 압력 변화와 누설 유량을 측정하였으며, 1차원 Reynolds 방정식을 이용한 수학적 해석 모델을 이용하여 예측 결과를 측정값과 비교하고 분석하였다. 이를 통해 아래와 같은 결론을 내릴 수 있다.
본 연구에서는 차압에 따른 유체정압 (Hydrostatic) 및 회전에 따른 유체동압 (Hydrodynamic)효과를 동시에 이용할 수 있는 래디얼 필름 라이딩 페이스 실 표면 적용을 위한 경사진 그루브의 형상이 누설 성능에 미치는 영향을 고찰하기 위해, 정적(Non-moving) 상태에서 비대칭 경사 그루브를 갖는 평판 실 표면의 그루브 길이 (Length)와 높이(Height) 변화에 따른 압력분포 변화와 누설 유량을 측정하였다. 추가적으로, 단순하지만 비교 분석에 유용한 1차원 누설 유동 해석 모델을 이용하여 비교 결과를 분석하였다.

제안 방법

실의 길이 방향에 따른 압력 분포는 식(3)~(5)를 이용하여 1차원 유한차분법 (Finite Difference Method, FDM)으로 계산하였다. 계산과정을 실 폭 방향의 모든 격자 열에 대하여 반복하여 실 패드 전체 격자에서의 압력 분포와 실을 통과하는 누설 유량을 계산하였다.
4는 실험 장치 내부 개략도와 압력센서 홀의 위치를 보여준다. 실 폭 방향 끝 단에서의 누설을 방지하기 위해 고무와 금속으로 구성된 커버로 패킹 (Packing) 하였으며, 변위 센서와 플레이트 탭 틈 사이에는 고무 찰흙을 사용하여 누설을 방지하였다. 압축 공기는 입구에서 출구를 통해 흐르면서 압력 강하가 발생하며, 실 플레이트에 장착되어 있는 9개의 압력센서 중 5개(3~7번)는 실 패드 밑면의 압력을 측정하고 나머지 4개는 입구 (1~2번)와 출구 (8~9번)의 압력을 측정한다.
시험 실(Test seal)을 통과한 후 시험장치 출구(Outlet)에서 배출되는 공기는 코리올리(Coriolis)식 유량계 (Flowmeter)와 밸브(valve)를 이용하여 각각 유량을 측정하고 배압(Back pressure)를 조절한다. 실의 간극은 나사산을 갖는 간극 조절기 (Gap controller)를 이용하여 수동으로 조절하며, 실 하단의 간극 측정 센서 (Gap sensor)로 간극을 확인한다. 또한, 실 하단 플레이트(Plate)에는 9개의 압력센서가 실의 길이 (Seal length)방향으로 설치되어 압력 분포를 측정한다.
측정된 모든 누설 유량 값에서 실과 플레이트 사이를 가깝게 하여 간극을 없앤 후 측정된 누설 유량 값을 제외함으로써 실험장치의 패킹 등에서 발생 가능한 누설 유량을 보정하였다.

대상 데이터

실 표면은 일정한 길이와 높이를 갖는 경사진 그루브(Groove) 와 평평한 랜드(Land)가 반복적으로 가공된 부분과 댐 (Dam)이 존재하는 부분으로 구분된다. 실 표면에 그루브 만을 일정한 간격으로 가공하였기 때문에 댐은 랜드와 동일한 높이를 가지며 그루브의 개수는 10개이다. 이러한 경사진 구조의 그루브는 로터(Rotor) 회전시 유체 동압을 형성하는데 유리한 구조이며 실이 로터로부터 부상함으로써 비접촉 특성을 가질 수 있게 된다.

데이터처리

실의 압력분포와 누설유량을 계산하기 위해서 MATLAB 을 이용하여 수치해석을 하였다. 해석 영역의 길이 방향 (z)과 폭 방향 (x) 격자 (Mesh)는 시험 실의 그루브 및 랜드와 댐 형상을 반영하여 형성하였으며, 실 간극은 윤활 틈새와 그루브의 높이를 고려하여 적용하였다.
본 연구에서는 차압에 따른 유체정압 (Hydrostatic) 및 회전에 따른 유체동압 (Hydrodynamic)효과를 동시에 이용할 수 있는 래디얼 필름 라이딩 페이스 실 표면 적용을 위한 경사진 그루브의 형상이 누설 성능에 미치는 영향을 고찰하기 위해, 정적(Non-moving) 상태에서 비대칭 경사 그루브를 갖는 평판 실 표면의 그루브 길이 (Length)와 높이(Height) 변화에 따른 압력분포 변화와 누설 유량을 측정하였다. 추가적으로, 단순하지만 비교 분석에 유용한 1차원 누설 유동 해석 모델을 이용하여 비교 결과를 분석하였다.

이론/모형

실 패드와 플레이트 사이에서 발생하는 압력 분포의 예측을 위해 작동 유체인 공기를 등온(Isothermal), 등점도(Isoviscous)의 이상 기체(Ideal gas)로 가정한 후 식(1)과 같이 압축성 유체에 대한 레이놀즈 방정식을 사용하였다.
해석 영역의 길이 방향 (z)과 폭 방향 (x) 격자 (Mesh)는 시험 실의 그루브 및 랜드와 댐 형상을 반영하여 형성하였으며, 실 간극은 윤활 틈새와 그루브의 높이를 고려하여 적용하였다. 실의 길이 방향에 따른 압력 분포는 식(3)~(5)를 이용하여 1차원 유한차분법 (Finite Difference Method, FDM)으로 계산하였다. 계산과정을 실 폭 방향의 모든 격자 열에 대하여 반복하여 실 패드 전체 격자에서의 압력 분포와 실을 통과하는 누설 유량을 계산하였다.

성능/효과

4. 누설 유량은 그루브의 높이가 높아질수록 증가한다. 이는 그루브 높이가 증가하게 되면 유동 면적이 증가하기 때문에 유량이 증가하는 것으로 사료된다.
3. 누설 유량은 실에 가공된 그루브의 길이가 길어질수록 증가한다. 상대적으로 그루브 구간에 비해 좁은 면적을 갖는 실 댐 부분이 감소하게 되면 유동을 방해하는 영역이 감소하므로 유량이 증가하게 되는 것으로 사료된다.
67로 증가함에 따른 측정 누설 유량을 해석 결과와 비교하여 보여준다. 누설 유량은 입구 압력 1.00, 입출구 압력비 1.67에서의 누설 유량 값으로 정규화 되었다. 측정된 누설유량은 입구 압력이 0.
6. 본 연구결과를 통해, 유체동압을 발생시키기 위해 래디얼 필름 라이딩 페이스 실 표면에 가공하는 그루브의 형상 설계 시 실 차압에 의한 누설 성능 변화도 고려해야 함을 알 수 있다.
67에서의 누설 유량 값으로 정규화 되었다. 측정된 누설유량은 입구 압력이 0.45에서 1.00으로 증가함에 따라 최대 150% 정도 증가하며, 입출구 압력비가 1.11에서 1.67로 증가함에 따라 누설 유량이 최대 70% 정도 비선형적으로 증가함을 보여준다. 해석된 누설 유량은 측정값보다 다소 작지만, 경향성이 잘 일치한다.

참고문헌 (12)

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