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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 서준호
- 발행연도
- 2023
- 저작권
- 부산대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수6
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고속 터보기계의 안정성 평가(stability evaluation)는 밀봉 요소(sealing component)와 밀접한 관련이 있다. 밀봉장치의 한 종류인 래버린스 씰(Labyrinth Seal)은 고정자(stator)와 회전자(rotor) 사이의 간극(Clearance)에서 발생하는 누설유량(leakage flow)을 줄이기 위해 사용되며, 형상이 단순하고 밀봉 성능이 우수하여 압축기, 펌프, 가스 터빈 등에 널리 사용되고 있다. 래버린스 씰의 형상은 작동 유체의 운동 에너지를 분산시키는데 효과적이다. 하지만, 래버린스 씰에 의해 축 표면에 불안정안 유체가진력이 발생하고, 이 힘은 회전체 시스템의 안정성을 저하시킬 수 있다. 따라서, 회전체 시스템의 안정성을 보장하는 래버린스 씰을 설계하기 위해 래버린스 씰의 누설유량과 동특성 계수(rotordynamic coefficient) 예측은 필수적이다. 또한, 래버린스 씰의 동특성 계수를 고려한 회전체 시스템의 동역학적 분석을 통해 최적의 래버린스 씰을 설계할 수 있을 것으로 기대된다.
기존 래버린스 씰에 대한 연구는 누설유량과 동특성 계수를 예측하는데 집중되어 있다. 하지만, 유체가 밀봉장치를 통과할 때 발생하는 불안정한 유체가진력은 회전체 시스템의 동적 안정성에 영향을 미친다. 이에 본 연구에서는 누설 유량과 회전체 동역학적 성능지표 항목(유효 감쇠 계수(effective damping coefficient), 증폭 계수(amplification factor), 분리 여유(separation margin), 대수감쇠율(logarithmic decrement) 및 진동 진폭(vibration amplitude))을 모두 만족하는 래버린스 씰 설계 방법을 제시한다. 씰의 누설 유량과 회전체 동특성 계수를 예측하기 위해 1CV 벌크플로우 모델(one control volume bulk-flow model)을 이용하였다. 고정자와 회전자 표면의 마찰계수는 Blasius 마찰계수 모델과 Moody 마찰계수 모델을 사용하여 계산하고, 두 마찰계수 모델에 따른 결과를 비교하였다. 회전체 시스템은 유한 요소(finite element)로 모델링하였으며, 두 개의 선형 베어링에 의해 지지되는 것으로 가정하였다. 회전체 시스템에는 축의 형상, 재료 및 작동 조건, 베어링의 지지 특성이 고려되었으며, 회전자 중앙에 래버린스 씰을 배치하고, 벌크플로우 모델에서 예측한 선형화된 동특성 계수를 해당 위치에 대입하였다. 다중격자법(multi-grid method)을 사용하여 다섯가지 래버린스 씰 매개변수를 변화시켜 가며 씰의 누설유량과 회전체의 동역학적 성능을 모두 만족하는 래버린스 씰 모델을 탐색하였다. 래버린스 씰 설계변수는 프리스월 비(pre-swirl ratio), 씰 잇수(number of teeth), 씰 이 피치(seal tooth pitch), 씰 이 높이(seal tooth height), 그리고 씰 이 두께(seal tooth tip width)이며, 총 100,000가지의 래버린스 씰 모델에 대해 검사한 후 시스템 성능지표 항목을 만족하는 래버린스 씰을 선정하고 비교하였다. 마지막으로, 정규화(normalization)를 수행하여 시스템 요구 성능(system performance requirements)에 따른 최적의 래버린스 씰을 선정하였다.
기존 래버린스 씰에 대한 연구는 누설유량과 동특성 계수를 예측하는데 집중되어 있다. 하지만, 유체가 밀봉장치를 통과할 때 발생하는 불안정한 유체가진력은 회전체 시스템의 동적 안정성에 영향을 미친다. 이에 본 연구에서는 누설 유량과 회전체 동역학적 성능지표 항목(유효 감쇠 계수(effective damping coefficient), 증폭 계수(amplification factor), 분리 여유(separation margin), 대수감쇠율(logarithmic decrement) 및 진동 진폭(vibration amplitude))을 모두 만족하는 래버린스 씰 설계 방법을 제시한다. 씰의 누설 유량과 회전체 동특성 계수를 예측하기 위해 1CV 벌크플로우 모델(one control volume bulk-flow model)을 이용하였다. 고정자와 회전자 표면의 마찰계수는 Blasius 마찰계수 모델과 Moody 마찰계수 모델을 사용하여 계산하고, 두 마찰계수 모델에 따른 결과를 비교하였다. 회전체 시스템은 유한 요소(finite element)로 모델링하였으며, 두 개의 선형 베어링에 의해 지지되는 것으로 가정하였다. 회전체 시스템에는 축의 형상, 재료 및 작동 조건, 베어링의 지지 특성이 고려되었으며, 회전자 중앙에 래버린스 씰을 배치하고, 벌크플로우 모델에서 예측한 선형화된 동특성 계수를 해당 위치에 대입하였다. 다중격자법(multi-grid method)을 사용하여 다섯가지 래버린스 씰 매개변수를 변화시켜 가며 씰의 누설유량과 회전체의 동역학적 성능을 모두 만족하는 래버린스 씰 모델을 탐색하였다. 래버린스 씰 설계변수는 프리스월 비(pre-swirl ratio), 씰 잇수(number of teeth), 씰 이 피치(seal tooth pitch), 씰 이 높이(seal tooth height), 그리고 씰 이 두께(seal tooth tip width)이며, 총 100,000가지의 래버린스 씰 모델에 대해 검사한 후 시스템 성능지표 항목을 만족하는 래버린스 씰을 선정하고 비교하였다. 마지막으로, 정규화(normalization)를 수행하여 시스템 요구 성능(system performance requirements)에 따른 최적의 래버린스 씰을 선정하였다.
목차
제 1 장 서 론 11.1. 연구 배경 및 동향 11.2. 연구의 목적 5제 2 장 래버린스 씰 수치해석 모델 62.1. 1CV 벌크플로우 모델 62.1.1. 지배방정식 62.1.2. 섭동 해석 92.2. 마찰계수 모델 172.2.1. Blasius 마찰계수 모델 172.2.2. Moody마찰계수 모델 182.3. 수치해석 모델 검증 202.3.1. 누설유량 202.3.2. 동특성 계수 20제 3 장 회전체 동역학 모델 27제 4 장 래버린스 씰 설계 방법 314.1. 회전체동역학적 성능지표 선정 314.2. 래버린스 씰 최적 설계 33제 5 장 결과 및 고찰 365.1. 매개변수 평가 365.2. 시스템 성능 평가 425.3. 최적 래버린스 씰 선정 45제 6 장 결 론 47Reference 49Abstract 53감사의 글 55
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