KR930007684Y1 - 자기(自己) 역회전 스월 주입형 시일 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

자기(自己) 역회전 스월 주입형 시일
제 1 도는 시일의 성능을 실험하기 위한 시일링(sealing) 실험장치의 개략도.
제 2 도는 종래 기술의 시일을 사용한 장치에서의 물의 누수 상태를 도시한 도면.
제 3 도는 본 고안의 시일을 사용한 장치에서의 물의 누수 상태를 도시한 도면.
제 4 도는 본 고안에 따른 자기(自己) 역회전 스월(swirl) 주입형 시일의 각 패턴을 나타내는 단면도.
제 5 도는 자기 역회전 스월 주입형 시일들의 압력 분포를 도시한 도표.
제 6 도는 자기 역회전 스월 주입형 시일들의 강력 강하에 대한 누설 성능을 비교한 도표.
제 7 도는 자기 역회전 스월 주입형 시일들의 축회전 속도에 대한 누설 성능을 비교한 도표.
제 8 도는 평시일, 댐퍼 시일, 자기 역회전 스월 주입형 시일들의 압력강하에 대한 누설 반응을 비교한 도표.
제 9 도 및 제 10 도는 평시일, 댐퍼 시일, 자기 역회전 스월 주입형 시일들의 축회전 속도에 대한 누설 성능을 비교한 도표.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
301 : 시일 303 : 구멍
304 : 축 305 : 시일 표면
306 : 관통 구멍 307 : 홈
본 고안은 유체 기계 시일(seal)에 관한 것으로, 특히 회전축이 회전함에 따라 발생하는 유체의 스월(swirl)에 기인한 시스템의 불안전성을 획기적으로 개선하고 누수 (leakage)를 줄이기 위하여 스월이 역방향으로 자기(自己) 주입이 가능하도록 시일의 형상을 고안함으로써 안정성 및 누수특성을 증대시킨 시일에 관한 것이다.
일반적으로, 터빈, 압축기 그리고 펌프 등과 같은 유체 기계에서 많이 이용되는 시일은 압력 구배로 인한 유체의 누수를 줄이기 위하여 사용된다. 특히, 고속으로 회전하거나 고온, 고압을 받는 영역에서는 재질의 한계성 등으로 인하여 접촉 시일을 사용할 수 없다. 따라서, 고성능 유체 기계에서는 비(非)접촉 시일이 많이 사용되며 스테이터(stator)와 임펠러(impeller) 사이에 흐르는 누수를 줄임으로써 시스템의 효율을 증대시키고, 또한 이를 위해 틈새가 좁아지는 추세이다. 그러나, 이로 인하여 예전에는 무시될 수 있었던 관성이나, 비(非)선형성 뿐만 아니라, 시일 내의 급격한 압력 강하로 인하여 동적 불안정성을 야기시키게 되고, 결국 시스템의 전체에 악영향을 주는 심각한 문제가 발생된다. 그러므로, 시스템의 효율에 따른 누주량의 고려뿐만 아니라 동적 안정성에 대한 상호 연구의 필요성이 대두되어 왔다.
이와 같은 시일의 성능을 실험하기 위한 실험 장치의 구성을 설명하면 다음과 같다.
제 1 도에 도시된 바와 같이, 하우징 본체(102)의 중앙부에 2개의 유입구 (111)을 가공하여 유체가 유입되도록 하였으며, 상기 유입된 유체는 두개의 실험 시일을 통하여 축방향으로 유출되어 유출구(112)를 통하여 물 탱크로 유입된다. 실험할 시일은 하우징 본체에 삽입되어 압력 측정용 구멍을 통하여 스캐니 밸브 (scannivalve)에 연결되며 2개의 열전대가 유출 부위와 유입 부위에 각각 삽입되어 있다. 시일의 동특성을 파악하기 위하여 4개의 스프링(115)와 4개의 쇠막대(117)로 유연하게 지지 구조물에 연결되도록 설계하였으며 전체 하우징의 위치를 미세 조정할수 있도록 설계하였다. 양단 2개의 립 시일(lip seal, 114)는 축선을 타고 유출되는 유체를 막는 기밀 유지용 고무 시일을 하였다.
또한, 하우징과 회전축과의 상대 변위를 측정하기 위하여 와전류형의 변위 센서(displacement secsor, 118)을 좌우측 양단에 90도 간격으로 설치하여 연직과 좌우 방향의 변위를 측정할 수 있도록 하였다.
중앙에 상, 하 기하학적으로 대칭인 2개의 유입구로부터 유체가 고압, 고속으로 유입되고, 하우징 내의 좌, 우로 장착되어 있는 시일과 회전축 사이의 틈새 (0.2mm)를 통하여 출구로 유체가 유출된다. 이때 시일의 입구와 출구 사이에 모두 7개의 압력 측정점으로부터 압력구배를 측정하고 시스템 출구로부터 유출되는 유량을 측정함으로써 시일의 누수 특성을 알 수 있다. 일반적으로, 누수 성능을 판단하는 무차원 누수 상수 CL은 다음과 같다.
Q=CL2πR2(2ΔP/ρ)1/2
CL: 누수 상수
Q : 유출 유량
R : 회전축 반경
P : 시일의 압력차
ρ: 유체의 밀도
또한, 시일이 시스템에 주는 안정성(stability)를 판단하기 위해서는 안정성 계수(whirl frequency ratio) f가 사용되는데, 이는 축회전 속도에 따른 연성 강성도(cross-coupled stiffness) k와 직접 댐핑(direct damping) C의 비로 정의된다. 여기서, 크로스(cross)항은 유체의 회전 유입에 기인한 항인데, 안정성 계수 f는 다음과 같다.
f=k/Cw
f : 안정성 계수(whirl frequency ratio)
k : 연성 강성도(cross-coupled stiffness)
C : 직접 댐핑 계수(direct damping coefficient)
w : rpm
먼지 시일이 시스템에 미치는 안정성을 판단하기 위하여 각 레이놀드 수(Ra)와 축회전 속도에 따른 FRF(Frequency Resopnse Function)을 FFT 분석기(Analyzer)로 받고 최소 자승법과 인스트르먼탈 베리어블(instrumental variable) 방법을 사용하여 관성, 댐핑 및 강성 계수들을 도출하였다.
본 고안에서 제시된 자기 역회전 스월 주입형 시일들은 유체가 회전축을 따라 관성의 영향으로 회전 유입됨으로써 야기되는 불안정성을 감소시키기 위하여 유입 유체의 자기력(自己力)에 따른 역방향의 주입구를 마련함으로써 시일 내의 유체 회전을 완화시키도록 고안되었고 회전축의 유선을 따라 유출되는 누수를 줄이기 위하여 유선 반대 방향의 각도로 유체를 유입시켜 누수의 성능을 개선하였다.
제 2 도는 기존의 시일, 그리고 제 3 도는 본 고안의 시일을 각각 사용한 장치에서의 물의 누수 상태를 형상화한 것이다. 제 2 도에 나타낸 바와 같이, 기존의 시일 (201)은 축에 접하는 표면(202)에 구멍이 없고 매끈하다. 따라서, 축(203)의 회전에 의해 물이 축의 회전 방향으로 회전 유입되어 시일의 성능이 저하된다. 반면에, 제 3 도에 도시된 본 고안의 시일(301)은 유체에 접하는 입구 부분에 외주면에 걸쳐 형성된 다수의 구멍(303)과, 이 구멍 및 축(304)에 접하는 시일 표면(305)를 연통시키는 관통 구멍 (306)을 포함한다.
상기 관통 구멍(306)은 제 4 도의 (a) 및 (b)와 같이 축(304)와 직교되거나 (c)와 같이 동일 평면상에서 입구쪽으로 경사지게 형성되어 있지만, 축(304)의 회전 방향 (R)에 대해 역방향 및 입구 방향으로 엇갈리도록 경사지게 형성할 수도 있으며, 제 4b 도와 같이 원주 방향으로 2열 이상으로도 형성할 수 있다. 또한, 시일(301)의 표면 (305)에 홈(307)을 다수열로 형성하여 래비린스 효과를 얻게 할 수도 있다.
축(304)가 회전함으로써, 제 3 도의 화살표로 도시한 바와 같이, 상기 구멍 (303)을 통해 주입된 유체가 관통 구멍(306)을 통해 유체의 유입 방향에 대하여 반대 방향으로 유체를 분사하게 되어 시일(301)의 표면(305)와 축표면 사이에서 축을 따라 유출되는 유체의 유동을 억제하게 된다.
이하, 본 고안의 실시예를 들어 설명하겠다.
먼저, 유체인 물을 섭씨 40도의 평형 온도로 유지시켜 고압 펌프로 실험 장치에 유입시킨다. 시일 내의 압력과 유량에 따른 레이놀드수 Ra(4000, 6000, 8000, 9000) 및 축회전 속도(1500, 2250, 3000, 3750, 4500rpm)을 온라인화된 시스템을 통하여 데이타를 저장하고 가진 햄머로 시스템을 가진시켜 변위 센서를 통하여 FRF를 FFT 분석기에 저장시킨다. 실험은 본 고안의 시일의 성능을 비교하기 위하여 기존 시일들과 함께 전부 7개의 시일에 대하여 상대적인 누수 성능과 안정성을 비교하였다.
[누수 성능]
아래의 표는 실시예에 사용된 시일의 가공 특성 및 형상을 나타낸 것이다.
[표]
시일들은 평면시일(plain seal), 구멍(hole) 형태의 댐퍼 시일(damper seal), 본 고안의 자기 역회전 스월 주입형 시일(ASIS), 그리고 래비린스 시일에 보 고안의 역스월 주입 형태를 복합한 형태인 시일로 대별되는데, 제 4 도는 본 고안의 일련의 자기 역회전 스월 주입형 시일들의 형상도를 나타낸다. 실시예 중 제 5 도에서는 일련의 ASIS 시일에 대하여 측정된 압력을 1500rpm과 4500rpm, Ra 6000과 Ra 9000의 경우에 대하여 각각 비교하였다. 일반적인 시일에서 나타나는 현상, 즉 Ra가 증가함에 따라 압력 강하가 증가하는 점, rpm이 증가함에 따라 압력 강하가 약간 증가하는 점 등이 대체적으로 모든 ASIS 시일에서도 나타났다. 또한, Ra가 클수록 역회전 자기 주입 효과가 더욱 커져 압력 강하 분포가 커짐을 보여 역회전 자기 주입 효과가 잘 나타나고 있음을 알 수 있다. 제 6 도와 제 7 도에서는 누설 계수를 압력 강하와 축회전 속도에 대하여 비교하였다.
전체적으로 압력 강하가 증가할수록 누설 계수가 점근하는 일반적인 현상을 볼 수 있었으며 축회전 속도가 증가할수록 누설 계수가 약간씩 감소하는 일반적 경향을 잘 나타내고 있다. 또한 평면 시일에 역회전 효과만을 고려한 1열 6개 구멍의 시일(시일 3), 2열 12개의 구멍의 시일(시일 4), 1열 12개 구멍의 시일(시일 5)들은 평면 시일에 비하여 (제 10 도 참조) 오히려 누설 성능이 저하하였으나, 역유출 방향 주입 시일 (시일 6)에 래비린스 효과를 추가한 시일 7은 현저히 누설을 저감시키는 결과를 주었다. 제 8 도와 제 9 도에서는 평면시일, 댐퍼시일, ASIS(시일 7)에 대하여 압력 강하와 축회전 속도에 따른 누설 계수를 비교하였다. 압력 강하가 증가할수록 댐퍼 시일과 ASIS의 성능이 비슷하며 축회전에 무관하게 두 시일의 성능이 비슷하였다.
[동적 안정성]
제 10 도는 평면 시일(시일 1), 댐퍼 시일(시일 2), 일련의 ASIS(시일 6) 그리고 래비린스 효과를 추가한 시일(시일 7)들에 대하여 Ra 8000일때 압력강하에 따른 각각의 안정성 계수(f)를 나타낸 도표로서, 댐퍼 시일은 평면 시일에 대하여 상대적으로 댐핑이 크므로 안정성이 다소 증대되었음을 볼 수 있고, ASIS 시일은 역방향 자기 주입의 효과로 안정성이 크게 향상된다는 사실을 알 수 있다. 또한, 시일 7의 경우 래비린스 효과를 추가함으로써 ASIS 시일보다 안정성이 더욱 증대되었다. 결과적으로, 시일에 대한 ASIS의 효과는 유체가 회전축을 따라 관성의 영향으로 회전 유입됨으로써 발생되는 불안정성을 자기력(自己力)에 의한 역방향 주입 효과로 상당한 안정성의 개선 효과를 볼 수 있다.
앞에서 본 고안은 양호한 몇 가지 실시예와 관련해서 설명되어 있지만, 청구 범위에 기재된 발명 사상 내에서 다양한 변경 및 수정도 가능하다.

Claims (6)

  1. 유체 기계에 사용하는 시일에 있어서, 유체에 접하는 입구 부분에 외주변에 걸쳐 형성되어 축(304)의 회전에 따라 유체가 자기 유입되는 다수의 구멍(303)과, 상기 각각의 구멍과 연통되어 구멍과 축(304)에 접하는 시일(301)의 표면(305)를 연통시켜서 상기 구멍(303)을 통해 유입된 유체를 축 표면과 시일의 표면(305)사이에 분사하여 축방향으로의 유체 유동을 억제하게 되는 다수의 관통 구멍(306)을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 역회전 스월 주입형 시일.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 관통 구멍(306)이 축(304)와 직교되게 형성된 것을 특징으로 하는 자기 역회전 스월 주입형 시일.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 관통 구멍(306)이 시일의 입구 부분쪽으로 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 자기 역회전 스월 주입형 시일.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 관통 구멍(306)이 축(304)의 회전 방향과 반대로 축의 외주면에 접하도록 형성된 것을 특징으로 하는 자기 역회전 스월 주입형 시일.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 관통 구멍(306)이 시일의 입구 부분쪽으로 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 자기 역회전 스월 주입형 시일.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 래비린스 효과를 얻도록 시일(301)의 표면(305)에 홈(307)을 다수열로 형성한 것을 특징으로 하는 자기 역회전 스월 주입형 시일.
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