A Study on the Forming Process of Honeycomb Seal by Finite Element Analysis

Abstract

최근 산업기술의 발달과 더불어 터보기계의 운용환경이 더욱 고속, 고압 및 고온화 됨으로 해서 시일(Seal)효율을 극대화하기 방안이 주요 연구주제가 되고 있다. 따라서 터빈 및 압축기와 같은 고압축성 유체의 유동이 장비의 에너지 효율과 밀접한 관계가 있는 터보기계에 있어서, 유동유체의 시일(Seal)효율은 지속적인 기술적 관심과 개발 대상이 되고 있으며 개발 시에 시일(Seal) 재료의 물성치 및 기하학적 최적설계가 반영되지 않으면 적용의 실효성이 없게 된다. 이러한 관점에서 다수개의 미로형 육각구조를 갖는 환형 시일(Seal)은 발전 및 엔진용 증기터빈이나 가스터빈의 회전체 내부에 장착되어 Stator Parts와 Rotor Parts 사이의 유격을 통한 증기나 가스등과 같은 작동유체의 누설을 최소화하여 터빈의 효율을 극대화하는 부품이다. 한편 터빈의 Rotor Parts와 Turbine Seal 사이에는 미세한 유격이 존재하는데 이 유격사이로 유출되는 작동유체가 많을수록 터빈의 운동에너지양이 감소하게 된다. 이를 방지하기 위해서 시일(Seal)이 미로형 구조를 갖게 되면 작동유체가 미로형 구조내에서 난류를 형성하여 유격사이로 흐르는 유체를 차단하는 효과를 갖게 된다. 이러한 원리를 적용한 것이 미로형 Turbine Seal이다. 이러한 육각구조의 미로형 Turbine Seal은 박판의 Super-Alloy를 성형, 용접하여 다수개의 육각구조를 갖는 Seal Core를 제작하고 이를 환형의 Seal Ring Body에 진공 Brazing을 통해 정밀히 부착하여 그 형태를 갖는다. 이에 따라 Seal Ring의 표면에는 무수히 많은 육각구조의 미로가 형성되고 여기서 발생되는 복합난류에 의해 작동유체의 유출을 효율적으로 차단할 수 있다. 본 논문에서는 상용 유한요소해석 프로그램인 DEFORM-3D를 이용하여 이러한 육각구조의 하니컴 시일(Honeycomb Seal)을 제조하는 성형공정을 해석하였으며, 연구결과는 실제 제조공정 개발에 적용하였다.

With the increase of the utilization in automobile, aerospace and electrical fields, there has been a growing interest in the forming of honeycomb. There are two basic techniques used to convert the sheet material into honeycomb: the expansion process and the corrugation process. The main constructional materials are aluminum, glass fiber reinforced plastic and aramid paper. The standard hexagonal honeycomb has a uniform hexagonal structure defined by the material, cell size, cell wall thickness and bulk density. In this thesis, the corrugation process is applied to investigate feasibility of the honeycomb manufacturing using finite element code, DEFORM-3D. Because of the thin thickness of the honeycomb sheet, the sheet is easily fractured in the process. The main factors of the honeycomb manufacturing consist of addendum angle and dedendum angle, fillet on the addendum face, number of the gear teeth, sheet initial location and gear initial location, bevel clearance and vertical clearance. These main factors are compared with some numerical cases each other. The effects of these five factors and why these effects happen in the different conditions are discussed. Through this study, the optimum parameters of honeycomb can be obtained. According to the result, the angle of honeycomb is followed the dedendum angle of the gear in the simulation. Also, a large fillet on the addendum face and a proper number of the gear teeth can reduce the stress concentration. Because the better way is to bend a corner than turn a corner while the sheet is being involved into the gear, the sheet and the gear initial location need to be considered. In addition, to get a honeycomb used in the honeycomb seal, the larger bevel clearance and smaller vertical clearance between the gears is applied. This result reflects that the honeycomb seems to be close to the standard hexagonal honeycomb shape.