ラビリンスシール タービンとコンプレッサー内の高い圧力差を、より小さく扱いやすい段階に分割することで均衡させます。これらのシールは、大きな圧力低下を一度に処理するのではなく、複数の鋭い歯とチャンバーを用いて、漏れを最小限に抑えながら徐々に圧力を下げます。シンプルで信頼性が高く、摩耗することなく極端な速度と温度に耐えられるため、ターボ機械の主力製品となっています。
圧力段階機構
ラビリンスシールは、鋭い歯の下の狭い隙間に流体を通すことで、大きな圧力損失を多数の小さな圧力損失に分割します。それぞれの歯は小さな絞り弁のように機能し、流体の速度を上げて圧力を運動エネルギーに変換します。歯の下を通過すると、流体はキャビティ内で膨張し、そこで速度は乱流と熱として消散します。
この段階的なアプローチにより、1本の歯が圧力差のすべてを負担する必要がなくなります。圧力損失はすべての歯に分散され、それぞれの歯が適切な割合で圧力を受けます。結果として、大きな圧力の崖ではなく、段階的な圧力の段階が実現されます。
これらすべての圧力降下を合計すると、シールが制御する圧力差の合計になります。これは、ビルから飛び降りるのではなく、階段を降りるようなものです。同じ場所にたどり着くことができますが、はるかに安全です。
歯にかかる圧力分布と負荷
ラビリンスシール全体の圧力降下は完全に均一ではありません。高圧側に最も近い最初の歯が最も大きな圧力を受けることがよくあります。場合によっては、1つの歯が全体の圧力差のほぼ半分を受けることもあり、その歯に負荷がかかり、シールの効率が低下します。この不均一な圧力分布のため、設計者は負荷を分散させるために歯の数を増やします。
十分な数の歯があれば、それぞれの歯は全体の圧力のごく一部しか処理する必要がありません。これにより、個々の歯が過度のストレスから保護され、シール全体の耐久性が向上します。また、段階的なドロップにより、特定の隙間を通過する流体の圧力が低減され、管理しやすい圧力の増分で効果的に「バランス」が保たれます。
効果的な圧力低減のための設計要素
- 歯数歯数が多いほど圧力降下は大きくなり、漏れは少なくなります。これはシール性能において最も重要な要素です。研究によると、歯数はクリアランスや歯のサイズよりも漏れに大きな影響を与えることが示されています。圧力を安全に分配するには十分な歯数が必要です（高圧用途では通常10～20歯）。しかし、歯数を多くしすぎると効果は減少し、過剰なスペースを占有してしまいます。
- 歯の形状鋭く薄いナイフのような歯は、流れの剥離を促進し、下流でより大きな渦を発生させるため、最も効果的です。歯の高さと間隔（ピッチ）も重要です。歯が高いほど空洞が深くなり、より効果的に拡張できます。一方、間隔が狭いほど、同じ長さに多くの歯を収めることができます。
- シールクリアランス歯先と対向面の間の隙間が漏れ性能を左右します。隙間が2倍になると、漏れは8倍に増加する可能性があります。一般的な隙間はわずか1000分の1インチで、目安としてはシャフト径1インチあたり約0.001インチの隙間となります。
- キャビティの設計キャビティの幅と深さが広いほど、流れの拡大と循環渦の増大が促進され、運動エネルギーの除去効率が向上します。キャビティが浅すぎると、高速ジェットが最小限の損失で通過してしまい、次の歯の効率が低下します。乱流を増加させ、安定性を向上させるために、キャビティ内にハニカムライニングやスワールブレーキを備えた設計もあります。
- ストレート構成とステップ構成段付きラビリンス（大小の径が交互に配置された構造）は、ストレートスルー設計と比較して最大30%の漏れを低減できます。段付きラビリンスは非対称のキャビティを形成し、乱流を増加させ、段ごとの圧力損失を増加させます。設計者は、クリアランスを大きくする必要がある場合や、極端な圧力比を扱う場合に段付きシールを選択しますが、製造はより複雑になります。
