Intelligent Machine Dynamics Lab

• 실(seal) 이란?

  • 비접촉식 유체 실의 주요 기능은 회전 샤프트 또는 로터와 고정 하우징 사이의 누설 유속을 줄이는 것이다. 고속 회전기계에서의 과도한 마모 및 마찰로 인한 과열을 피하려면 샤프트 주위의 여유 공간을  확보해야 한다.

  • 약간의 누설은 피할수 없으며, 실 주위의 불균일 한 압력 분포와 함께 압력 강하의 방향으로 실을 통한 축 방향의 유체 이동을 발생시킨다. 따라서 씰은 회전기계 특성에 강한 영향을 줄 수있는 (유체 압력으로부터) 샤프트 축 방향 힘을 발생시킨다.

  • 베어링의 댐핑은 동기 휘돌림(synchronous whirling)을 감소시키고 회전체동역학적 불안정성을 개선시킬 수 있지만, 베어링 댐핑의 위치는 (댐핑 힘이 클 때 조차도)  스팀터빈이나 고압 압축기에서 많이 사용하는 상대적으로 긴 유연체 샤프트의 휘돌림 모드의 감소에는 효과적이지 못하다.  이것은 베어링이 진동응답 낮고 효과적인 댐핑힘이 생길 수 없는 샤프트의 양쪽 끝단에 위치하기 대문이다. 

  • 반대로 실은 주로 로터의 휘돌림 모드형상이 발생하는 파복(두 파절 사이의 진폭이 최대인 곳, antinode)에 위치하므로 댐핑에 효과적이다. 

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• 수치해석 모델의 종류

  • Bulk Flow Model: ​주로 인하우스코드 작성. Laby.Seal 의 경우 결과 부정확 (Dr. Childs at Texas A&M) , Plain Annular Seal 의 경우 CFD 결과와 큰 차이 없을 정도로 정확 (단순한 구조)  

  • CFD Model: ​결과 정확. 해석시간 증가. 주로 상용코드 사용. 인하우스 코드 가능

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• 실의 종류

  • Plain Smooth Seals: 저널 베어링과 유사한 형태로 인해 Reynolds 방정식을 사용하여 본  씰을 분석하는 것이 좋을것 같지만, 유체관성효과를 포함시키더라도 레이놀즈 방정식을 적용할 수는 없다.  Seal을 통과하는 높은 축 방향 유체 속도와 상대적으로 큰 반경 방향 클리어런스는 seal 내에 높은 난류 유동 조건을 만들어 레이놀즈의 층류(laminar flow) 가정을 위반한다.

  • labyrinth seal: ​고성능 압축기의 shaft seal, eye packing seal, balance drum 등에 사용되고 있는 labyrinth seal 은 비교적 제작비가 저렴하고, 밀봉특성이 우수하기 때문에 압축기의 효율의 향상시킬 수 있는 장점이 있어 가장 보편적으로 사용되고 있다. 최근 압축기의 고성능화에 따른 고속화 및 소형화 설계 추세에 따라 labyrinth seal 의 간극이 작아지게 되고 그 결과 seal 틈새에서 발생한 유체력이 증가하여 압축기 회전축계의 불안정 진동을 유발하는 원인이 되고 있다. 이 유체력은 회전축의 휘돌림(whrling)운동에  기인한 불안정화 자려진동(self0excited vibration)을 유발 할 수 있고, 또한 회전축계의 안정화에 기여하는 감쇠(damping)를 증가시킬 수도 있어 고성능 압축기의 안정성 향상을 위하여 labyrinth seal 에서 발생하는 유체력의 정밀한 해석이 요구되고 있다.