A mechanical seal is a device keeping fluids separated in the machine where a rotating shaft passes between two region containing different fluids. A mechanical seal consists of a stator(primary ring) and a rotor(mating ring), and a gap between those should be kept small for sealing. A gap between a stator and a rotor is determined by the motion of a stator and is varies with manufacturing errors, assembling errors and the vibration of a shaft, and affects the lubrication performance of a mechanical seal.
In this thesis, the effects of manufacturing and assembling errors and the vibration of a rotating shaft on the lubrication performance of a mechanical seal are investigated numerically. Reynolds equation is used in order to calculate fluid pressure distribution in a gap between a stator and a rotor and is solved by the finite volume method. The motion of a stator is calculated by solving the equations of motion considering three degrees of freedom and Reynolds equation. A perpendicularity error is selected as manufacturing and assembling errors, and axial vibration, whirling and conical whirling are selected as the vibration of a rotating shaft. The nondimensional mass of a stator and the nondimensional stiffness of an o-ring affecting the motion of a stator are considered as design parameters including parameters relative to a perpendicularity error, axial vibration, whirling and conical whirling. Friction torque, leakage flow rate and the minimum film thickness between a stator and a rotor are calculated by varying parameters.
The analysis shows that the lubrication performance of mechanical seal is affected by a perpendicularity error, axial vibration, whirling and conical whirling. In addition, it is shown that the lubrication performance of a mechanical seal can be improved by varying the nondimensional mass of a stator and the nondimensional stiffness of o-ring when a perpendicularity error, axial vibration, whirling and conical whirling occur.
미케니컬 시일은 회전축이 통과하는 다른 두 유체가 섞이지 않도록 분리하는 기계요소를 말한다. 미케니컬 시일은 스테이터(주 시일 링)와 로터(메이팅 링)로 구성되며 밀봉을 위해 둘 사이의 틈새는 작게 유지되어야 한다. 스테이터와 로터 사이의 틈새는 스테이터의 운동에 의해 결정되고 가공, 조립오차와 회전축의 떨림에 의해 달라지며 미케니컬 시일의 윤활성능에 영향을 준다.
본 논문에서는 가공, 조립오차와 회전축의 떨림이 미케니컬 시일의 윤활성능에 미치는 영향을 수치해석적으로 연구하였다. 스테이터와 로터 사이의 유막압력 분포를 계산하기 위해 레이놀즈 방정식과 유한체적법을 사용하였다. 스테이터의 운동은 3자유도 운동방정식과 레이놀즈 방정식을 사용하여 계산하였다. 가공, 조립오차로써 직각도 오차를 선정하였고, 회전축의 떨림으로 축방향 진동, 선회운동, 원뿔모양 진동회전을 선정하였다. 스테이터의 운동에 영향을 주는 무차원 스테이터의 질량과 무차원 오링의 강성을 직각도 오차, 축방향 진동, 선회운동 그리고 원뿔모양 진동회전과 관련된 변수와 함께 설계변수로 선정하였다. 변수가 바뀜에 따라 마찰토크와 누설유량과 스테이터와 로터 사이의 최소 유막 두께를 계산하였다.
본 연구는 직각도 오차와 축방향 진동, 선회운동, 원뿔모양 진동회전이 미케니컬 시일의 윤활성능에 미치는 영향을 보여준다. 또한 직각도 오차, 축방향 진동, 선회운동, 원뿔모양 진동회전이 발생하였을 때, 무차원 스테이터의 질량과 무차원 오링의 강성이 바뀜으로써 미케니컬 시일의 윤활성능이 향상될 수 있음을 확인할 수 있다.
