Effect of Laminar, Turbulent, and Slip Conditions of the Fluid Film on Dry Gas Seal

Abstract

드라이가스실은 메카니컬실의 한 종류로 가스를 이용하는 회전 기계에 적용되어 회전부와 고정부 사이에 기체막을 통해 작동 기체의 누설을 막는데 사용됩니다. 얇은 유체막을 지닌 유체베어링이나 실의 해석에는 일반적으로 유체의 층류 가정을 통해 나비에-스토크스 방정식에서 유도된 레이놀즈 방정식이 사용된다. 드라이가스실은 다양한 회전 기계에 적용되어 그 설계 변수와 작동 조건이 다르기 때문에 가스실의 유체 막은 층류, 난류 그리고 슬립등과 같은 다양한 거동을 나타낼 수 있다. 이러한 드라이가스실의 성능을 정확하게 예측하고 분석하기 위해서는 유체막의 다양한 상태를 고려해야 한다. 유체막의 층류, 난류 그리고 슬립과 같은 다양한 상태를 고려하기 위하여 수정된 레이놀즈 방정식을 제안하였다. 유한요소법과 뉴턴-랩슨 방법을 이용하여 제안된 방정식을 계산하였고 압력 분포를 계산하였다. 계산된 압력 분포와 수학적 섭동법에 의해 유도된 섭동 레이놀즈 방정식을 이용하여 드라이가스실의 동특성을 분석하였다. 제안된 방법과 알고리즘은 이전 연구자들의 해석 결과 및 실험 결과와의 비교를 통하여 검증하였다. 유체막의 층류, 난류 그리고 슬립에 따른 T-그루브 드라이가스실의 정, 동특성을 분석하였다.

첫째, 드라이가스실의 기본 원리, 실 내부의 힘 그리고 압력 등 본 논문의 연구 배경을 설명하였고 연구 목적과 개요를 설명하였다. 둘째, 본 논문은 드라이가스실 내부 유체막의 층류, 난류 그리고 슬립 효과에 의한 정적 특성을 분석하는 방법을 제안한다. 유체막의 층류, 난류, 그리고 슬립의 영향을 고려하기 위하여 수정된 레이놀즈 방정식을 제안하여 유한요소 방정식으로 유도하였다. 유도된 비선형 유한요소방정식은 뉴턴-랩슨 방법을 사용하여 계산하였으며 모든 해석 과정은 C++ 프로그래밍 언어를 사용하여 개발되었다. 개발된 프로그램은 이전 연구자들과 실험과의 비교를 통하여 검증하였다. T-그루브 드라이가스실을 사용하여 외부 압력과 간극이 다른 드라이가스실 정적 특성을 유체막의 층류, 난류 및 슬립 거동에 따라 분석하였다. 마지막으로, 본 논문은 드라이가스실 내부 유체막의 층류, 난류 그리고 슬립 효과에 의한 동적 특성을 분석하는 방법을 제안한다. 수학적 섭동법과 앞서 제안한 수정된 레이놀즈 방정식을 이용하여 3자유도(z, 𝜃𝑥, 𝜃𝑦)에 대한 섭동 레이놀즈 방정식을 도출하였다. 정상 상태 압력은 뉴턴-랩슨 방법을 사용하여 계산되었으며 그 결과를 이용하여 3자유도에 대한 섭동 레이놀즈 방정식을 계산하였다. 모든 해석 과정은 C++ 프로그래밍 언어를 사용하여 개발되었다. 개발된 프로그램은 이전 연구자들의 해석 결과와 비교하여 검증하였다. T-그루브 드라이가스실을 사용하여 외부 압력과 간극이 다른 드라이가스실 동적 특성을 유체막의 층류, 난류 및 슬립 거동을 고려하여 분석하였다.|A dry gas seal, which is a mechanical seal that creates a fluid film between the rotating part and stationary part, is used to prevent leakage of gas from rotating machines utilizing gas as a medium. To analyze rotating fluid bearings or seals with a thin fluid film, the Reynolds equation, derived from the Navier–Stokes equation assuming laminar flow, is generally used as the governing equation. Dry gas seals are used in applications with different design parameters and operating conditions, which allow the fluid film of dry gas seals to exhibit laminar, turbulent, and slip behavior. Therefore, to accurately predict and analyze the performance of the dry gas seal, various conditions of the fluid film must be considered. A modified Reynolds equation was proposed and solved using the finite element and Newton–Raphson methods to calculate the pressure, opening force, and leakage rate. Moreover, the results were used to solve the perturbation Reynolds equation derived by mathematical perturbation to analyze the dynamic characteristics of the dry gas seal. The accuracy of the developed program was verified by comparing the simulated pressure with that recorded in a previous study. The static and dynamic characteristics of a T-groove dry gas seal were investigated according to the laminar, turbulent, and slip behaviors of the fluid film. First, the research background was examined, including the basic principle of dry gas seal, force, and pressure of the fluid film. Then, the research objectives and overview of the dissertation are described. Second, in this dissertation, we propose a method to analyze the static characteristics of dry gas seal due to laminar, turbulent, and slip effects. A modified Reynolds equation that considers the effects of laminar, turbulent, and slip behaviors of a fluid film was proposed and derived to finite element equation. The nonlinear finite element equation was solved using the Newton–Raphson method, and all procedures were developed using C++ programing language. The developed program was verified by comparing the simulated results with that of prior studies and experiments. The static characteristics of a T-groove dry gas seal were investigated according to laminar, turbulent, and slip behaviors in the fluid film with different external pressures and clearances. Third, in this dissertation, we proposed a method to calculate the dynamic characteristics of dry gas seal due to laminar, turbulent, and slip effects. The mathematical perturbation method was used to derive the perturbation Reynolds equation for 3-dergrees of freedom (z, 𝜃𝑥, 𝜃𝑦), and the modified Reynolds equation was used as a governing equation. The steady-state pressure was calculated using Newton–Raphson methods, and the results were used to solve the other equation. All procedures were developed using C++ programing language. The developed program was verified by comparing the simulated results with that of previous studies. The dynamic characteristics of a T-groove dry gas seal were investigated according to laminar, turbulent, and slip behavior in the fluid film with different external pressures and clearances.