스러스트 래버린스 실의 설계가 임펠러 축력에 미치는 영향 :Effects of Thrust Labyrinth Seal Design on Thrust Force of an Impeller

박준혁

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자료유형: 학위논문

저자정보: 박준혁 (국민대학교, 국민대학교 일반대학원)

지도교수: 김태호

발행연도: 2021

저작권: 국민대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수7

이 논문의 연구 히스토리 (3)

2021

스러스트 래버린스 실을 배면에 갖는 원심형 임펠러의 축력 해석

박준혁 , 김태호 Tribology and Lubricants 2021.02 학술저널

스러스트 래버린스 실의 설계가 임펠러 축력에 미치는 영향

박준혁 기계설계학과 2021.01 학위논문

2020

스러스트 래버린스 실이 임펠러 축력에 미치는 영향 해석

박준혁 , 김태호 한국유체기계학회 학술대회 논문집 2020.08 학술대회자료

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래버린스 실(labyrinth seal)은 이(teeth)로 cavity를 만들어 미로와 같은 유로를 통해 누설유량을 제어할 수 있는 비접촉 실(seal)이다. 특히 회전하는 유체기계들은 회전부와 비회전부 사이의 간극을 통해 누설이 발생하게 되며, 이러한 누설로 인해 효율감소 및 성능이 저하될 수 있다. 이에 따라 누설유량을 감소시키기 위하여 브러쉬 실, 필름 라이딩 실, 래버린스 실 등과 같은 실(seal)이 사용된다. 또한 고속화를 위해 유체 베어링을 사용하는 터보압축기의 경우, 축력은 스러스트 베어링 설계에 주요한 설계인자가 된다. 따라서 정확한 축력을 예측하기 위해서는 래버린스 실과 래버린스 실이 적용된 임펠러에 대한 연구가 동시에 진행되어야 한다. 하지만 축방향으로 설치된 래버린스 실에 대한 연구는 많이 진행된 반면 반경방향으로 설치된 스러스트 래버린스 실에 대한 연구는 미비한 실정이다.
본 연구에서는 반경방향으로 설치된 스러스트 래버린스 실을 적용한 원심형 임펠러에서 발생하는 축력을 예측하기 위해 임펠러 전면 및 후면에서의 압력분포를 통해 축력을 예측하고, 임펠러 후면으로 누설되는 유량을 계산할 수 있는 해석 모델을 개발하였다. 스러스트 래버린스 실에서의 누설유량 및 각 cavity에서의 압력분포는 Neumann’s equation을 기반으로 하여 BFM(Bulk Flow Model로 예측하였다. 또한 임펠러 후면에서 스러스트 래버린스 실이 없는 구간의 압력분포는 기존 문헌에서 사용된 실험식을 사용하였다. 개발한 BFM은 SST(Shear Stress Transport) 난류 모델을 사용한 CFD 해석결과와 비교 및 검증하였다.
해석 수행 시, 압축기의 구동조건과 스러스트 래버린스 실의 형상에 대한 매개변수가 임펠러에서 발생하는 축력에 미치는 영향을 확인하기 위해 개발한 BFM 모델을 사용하여 임펠러 전면과 후면의 압력분포를 예측하였다. 또한 이를 통해 임펠러에 작용하는 축력을 계산하였으며, 스러스트 래버린스 실의 성능을 예측하기 위해 임펠러 후면에서의 누설유량을 계산하였다.

Labyrinth seal is a non-contact seal having cavities and teeth that can be used to control leakage flow through the labyrinth-like flow paths. Rotating fluid machines, in particular, render leakage through the gap between the rotating and non-rotating parts, which can degrade the efficiency and performance. Different types of seals such as brush seals, film-riding seals, and labyrinth seals are used to reduce the leakage flow. In addition, for turbocompressors that use fluid film bearings at high speeds, the axial force is a major design factor in thrust bearing design. Therefore, to predict the correct axial force, studies on the impeller with the thrust labyrinth seal should be conducted. However, while there have been many studies on the labyrinth seal installed in axial directions, there is little research on the thrust labyrinth seal installed in radial directions.
In this study, to predict the axial force generated by centrifugal impeller with thrust labyrinth seal installed in the radial direction, the axial force is predicted through pressure distribution at the front and rear of the impeller. In addition, the analytical model predicts the flow rate to the rear of the impeller. The leakage flow rate in the thrust labyrinth seal and the pressure distribution in each cavity is predicted by the bulk flow model (BFM) based on Neumann''s equation. In addition, the pressure distribution of the section without thrust labyrinth seals at the rear of the impeller is calculated by the empirical formula from the existing literature. The developed BFM compared and is verified against the CFD analysis results using the shear stress transport (SST) turbulence model. The effect of varying clearance, and the number of teeth of the labyrinth seal is presented.
With the decreasing clearance, the leakage flow rate decreases, and vice versa for increasing number of teeth. Also with the decreasing clearance, the impeller thrust force increases.

1. 서론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 연구 목적 4
2. 스러스트 래버린스 실이 조합된 임펠러의 축력 개요 5
3. 스러스트 래버린스 실의 누설유량 및 압력분포 해석 6
3.1 스러스트 래버린스 실 해석 모델 6
3.2 스러스트 래버린스 실 형상에 따른 누설유량 및 압력분포 예측 10
3.3 BFM 해석 결과 검증 15
4. 스러스트 래버린스 실을 갖는 임펠러의 축력 예측 20
4.1 스러스트 래버린스 실을 갖는 임펠러 후면 압력 모델 20
4.2 압력조건 및 실의 형상에 따른 축력 예측 26
5. 결론 34
Abstract 37
참고문헌 39

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