ラビリンスシールとは何か、どのように機能するのか

機械業界では、密閉が不十分だと漏れや汚染、性能低下を招き、結果としてダウンタイムや修理に多大なコストがかかります。

ラビリンス シールは、これらの課題に対処する堅牢な非接触シール ソリューションを提供します。インターロック コンポーネントの複雑な経路を利用し、遠心力と乱流を活用することで、ラビリンス シールは漏れを効果的に最小限に抑え、さまざまなアプリケーションで最適なパフォーマンスを維持します。

この記事では、ラビリンス シールの複雑さを詳しく調べ、そのコンポーネント、設計原理、およびタイプについて説明します。また、その構造に使用される材料、他のシール方法と比較した主な利点、およびさまざまな業界でのさまざまな用途についても説明します。

ラビリンスシールとは

ラビリンス シールは、さまざまな回転機器アプリケーションにおいて、漏れを制御し、2 つの領域間の圧力差を減らすように設計された非接触型のメカニカル シールの一種です。回転部品 (ローター) と固定部品 (ステーター) の間に、複雑な迷路のようなパターンで配置された一連の連結歯または溝で構成されています。

ラビリンスの複雑な設計により、流体やガスが移動するのが困難な経路が作られ、シールの片側から反対側への流れが大幅に制限されます。媒体がシールを通過しようとすると、方向が何度も変わり、収縮や膨張が発生します。この曲がりくねった経路と流体力学効果により、ラビリンス シールは漏れを効果的に最小限に抑えることができます。

ラビリンスシールの構成要素

• ローターローターはラビリンス シール アセンブリの回転部分です。通常は、シールする必要があるシャフトに取り付けられるか、シャフトと一体化されます。ローターには、ステーター コンポーネントと連動する一連の歯または隆起部があります。
• ステーター: ステーターはラビリンスシールの固定部分で、通常は回転軸を囲むハウジングまたはケーシングに固定されます。ローターと同様に、ステーターにはローターの歯または隆起に対応する一連の歯または隆起があり、シールされる流体またはガスの複雑な経路を作成します。
• 噛み合う歯: インターロッキング歯は、ラビリンスシールの主なシール要素です。ローターとステーターの両方にあるこれらの歯は、一連の小さな隙間またはギャップを作り出し、流体またはガスの通過を困難にします。
• 溝: 溝は、ローターとステーターの噛み合った歯の間のスペースです。これらの溝により、流体またはガスが曲がりくねった経路をたどり、複数の方向転換と方向転換を強いられます。
• チェンバースラビリンス シールは、ローターとステーターの歯の間にチャンバーまたは空洞を備えていることがよくあります。これらのチャンバーは、流体またはガスの膨張スペースとして機能し、シールを通過するときに圧力と速度を低下させます。
• 尾根: インターロック歯に加えて、ラビリンスシールにはローターまたはステーターの表面に隆起部またはフィンが組み込まれている場合があります。これらの隆起部により、流体またはガスの流れがさらに妨げられ、さらなる乱流と抵抗が生じます。

ラビリンスシールの仕組み

ラビリンス シールは、流体が漏れにくい曲がりくねった経路を作成することで、流体の漏れを防止します。流体がラビリンス シールに入ると、ローターとステーターのコンポーネントの噛み合った歯によって形成された一連のチャンバーに遭遇します。

流体力学

流体はこれらの狭いチャンバーを強制的に通過し、回転するたびに運動エネルギーを失います。このエネルギー損失は、チャンバー内で発生する摩擦と乱流によって発生します。流体が迷路の奥深くに進むにつれて、圧力と速度が大幅に低下します。

乱気流

流体がラビリンスを通過する際に方向と速度が突然変化すると乱流が発生し、シールを通り抜ける流体の漏れをさらに妨げます。乱流は流体粒子の混合を促進し、そのエネルギーを消散させ、全体的な漏れを減らします。 漏洩率.

遠心力

ローターが回転すると、シールを通過しようとする流体粒子に遠心力が加わります。この力により、流体粒子は回転の中心から離れてシール チャンバーの外縁に向かい、漏れ経路に沿って移動し続けることが困難になります。

圧力の内訳

ラビリンス内の各チャンバーでの圧力降下は、流体の初期速度と密度、およびラビリンスの形状によって決まります。後続の各チャンバーでは、圧力はラビリンス出口の外部圧力と等しくなるまで低下し続けます。

流体がラビリンス経路の終端に到達するまでに、圧力が大幅に低下し、速度が大幅に低下します。これにより、非接触シール設計であっても、流体が漏れ出すのがはるかに難しくなります。

ラビリンスシールの種類

ラビリンス シールは、用途に基づいて、回転シャフト シール (動的) と非回転シャフト シール (静的) の 2 つの主なタイプに分類できます。

回転軸シール（ダイナミック）

回転軸シールはダイナミック ラビリンス シールとも呼ばれ、さまざまな機械の回転軸に沿った漏れを防止するように設計されています。これらのシールは、タービン、コンプレッサー、ポンプでよく使用されます。ダイナミック ラビリンス シールは、さらに 3 つのサブタイプに分類できます。

1. ストレートスルーラビリンスシールこの設計では、回転部品と固定部品に、シャフト軸に垂直な直線状に配置された歯またはフィンがあります。回転部品と固定部品の間に一連の小さな隙間を作ることでシール効果が得られ、流体が各隙間を通過するときに圧力が下がります。
2. 交互に並んだラビリンスシール: スタッガード ラビリンス シールは、回転部品と固定部品に互いにオフセットされた歯またはフィンを備えています。この配置により、流体の経路がより曲がりくねったものになり、ストレートスルー設計に比べてシール性能が向上します。スタッガード構成により、流体の運動エネルギーをより効果的に分散できます。
3. 階段状ラビリンスシール: 階段状ラビリンスシールは、さらに収束型と発散型の 2 つのサブタイプに分類できます。
   • 収束段差シールでは、回転部品と固定部品間のクリアランスがシール経路に沿って減少します。この設計により、流体の流れが加速され、圧力が低減され、より効果的なシールが実現します。
   • 分岐段付きシールは、シール経路に沿ってクリアランスが拡大し、流体の流れを減速して圧力を回復させ、シール性能を向上させます。

非回転シャフトシール（静的）

非回転シャフト シール、または静的ラビリンス シールは、シャフトとハウジングの間に相対的な動きがない用途で使用されます。これらのシールは、パイプライン フランジ、バルブ ボンネット、熱交換器などの固定コンポーネント間の漏れを防止するように設計されています。

静的ラビリンス シールは、固定部品の接合面に機械加工された一連の噛み合う歯または溝に依存します。これらのシールの形状により、流体が通過しにくい複雑な経路が作成され、効果的なシール ソリューションが実現します。

一般的な材料

• 鋼: 炭素鋼、ステンレス鋼、合金鋼は、強度、耐久性、耐摩耗性、耐腐食性に優れているため、ラビリンス シール構造に広く使用されています。これらの材料は、高温高圧環境に適しています。
• 青銅: アルミニウム青銅や錫青銅などの青銅合金は、優れた耐摩耗性と低摩擦特性を備えているため、ラビリンス シールによく使用されます。青銅シールは、回転シャフトが関係する用途でよく使用されます。
• ポリマーとプラスチック: PTFE (ポリテトラフルオロエチレン)、PEEK (ポリエーテルエーテルケトン)、ナイロンなどのエンジニアリングプラスチックは、ラビリンスシールの設計にますます使用されています。これらの材料は、軽量、耐腐食性、自己潤滑性などの利点があり、特定の低温および低圧の用途に適しています。

ラビリンスシールの利点

効果的なシール性能

ラビリンス シールは、流体が通過しにくい曲がりくねった経路を作成することで、信頼性の高いシール性能を提供します。噛み合った歯、溝、チャンバーによって一連の圧力降下が生み出され、漏れを効果的に減らし、必要な圧力差を維持します。

非接触操作

ローターとステーターのコンポーネントは物理的に接触しないため、摩擦と摩耗が最小限に抑えられます。

シャフトのずれに対する許容度

ローターとステーターの間のクリアランスにより、小さな半径方向および軸方向の動きが可能になり、ラビリンス シールは他のシール タイプと比較してアライメントの問題の影響を受けにくくなります。

メンテナンスの削減

ラビリンスシールは摩耗部品や消耗部品に依存しないため、頻繁な交換や調整の必要性が最小限に抑えられます。

ラビリンスシールの用途

ターボ機械

ラビリンスシールは、ガスタービン、蒸気タービン、コンプレッサーなどのターボ機械で広く使用されています。

航空宇宙エンジン

航空機エンジンでは、ラビリンスシールがエンジン内の高圧空気と燃焼ガスを封じ込め、最適な推力と燃料効率を確保します。

ポンプと油圧システム

ラビリンス シールは、ポンプや油圧システムで流体の漏れを防ぎ、システム圧力を維持するために使用されます。特に、高粘度の流体やスラリーのシールに効果的です。

産業用ギアボックス

産業用ギアボックスでは、回転軸とハウジング間の接合部を密閉するためにラビリンスシールが採用されています。これにより、ギアやベアリングの早期摩耗や故障の原因となる潤滑剤の漏れや汚染物質の侵入が防止されます。

化学および石油化学処理

ラビリンス シールは、反応器、蒸留塔、熱交換器などの化学および石油化学処理装置に使用されています。回転軸を密閉し、腐食性、毒性、または可燃性のプロセス流体の漏れを防ぐために使用されます。