ラビリンスシールとは

機械の分野では、シーリング技術は機器の効率的な動作と長寿命を保証する重要な要素です。さまざまなシーリング ソリューションの中でも、ラビリンス シールは、そのユニークな設計と性能特性により、大きな注目を集めています。

このブログ記事では、ラビリンス シールの複雑さを詳しく調べ、その構造、動作原理、さまざまな機械環境での用途について説明します。

ラビリンスシールとは

ラビリンスシールは、 メカニカルシール 歯のような突起と溝で形成された一連のカスケードチャンバーを使用して曲がりくねった経路を作成し、流体の流れを効果的に制限して漏れを減らします。ラビリンスシールは、さまざまな産業用途、特にガスタービンエンジン、コンプレッサー、ポンプなどの回転機器で広く使用されており、圧力差を維持し、プロセス流体の漏れや汚染物質の侵入を防ぎます。

ラビリンス シールの主な目的は、高圧室と低圧室の間、または可動部品 (回転シャフトなど) と固定部品 (ハウジングやステーターなど) の間など、圧力が異なる 2 つの領域間の漏れを最小限に抑えることです。ラビリンス シールは、流体が移動する複雑な経路を作成することで、シール全体の流量と圧力降下を大幅に削減し、システム全体の効率とパフォーマンスを向上させます。

ラビリンスシールの仕組み

ラビリンス シールの動作原理は、シールの長さに沿って一連の圧力降下を発生させることです。流体がラビリンス シールに入ると、交互に並んだ一連の歯と溝に遭遇し、方向を何度も変えざるを得なくなります。この曲がりくねった経路により、流体は摩擦と乱流によって運動エネルギーを失い、各段階で圧力が低下します。

ラビリンス シールの各チャンバーでの圧力降下は、流体速度の 2 乗に比例します。流体がシールを通過すると、急速な膨張と収縮が発生し、渦が発生します。これらの渦は圧力降下をさらに促進し、流体のエネルギーを消散させます。

ラビリンスシールの種類

回転軸シール

回転シャフト シール (ダイナミック シールとも呼ばれる) は、シャフトがステータに対して動くアプリケーションで使用されます。これらのシールは、ガス タービン エンジン、コンプレッサー、ポンプなどでよく使用されます。回転シャフト ラビリンス シールには、いくつかの種類があります。

1. ストレートスルー ラビリンス シール: これらのシールは、流体が通過するシンプルで直線的な経路を特徴としています。圧力差が低く、シール要件がそれほど厳しくないアプリケーションで使用されます。
2. スタッガード ラビリンス シール: スタッガード シールは、ローターとステーターの歯が交互に配置されており、流体の経路がより曲がりくねっています。この設計により、乱流が増加し、流体の速度が減少するため、シール性能が向上します。
3. 段付きシール: 段付きラビリンス シールは、流体経路に沿ってシール クリアランスの段差または変化を組み込んでいます。この設計により、一連の圧力降下が生まれ、漏れがさらに減少します。
4. ラジアル シール: ラジアル ラビリンス シールは、シャフト軸に垂直なラジアル方向の漏れを制御するように設計されています。完全なシーリング ソリューションを提供するために、他の種類のシールと組み合わせて使用されることがよくあります。

非回転シャフトシール

非回転シャフトシール、または 静的シールは、シャフトとステータの間に相対運動がない場合に使用されます。これらのシールは、石油およびガス処理装置、化学プラント、蒸気タービンなどの用途でよく使用されます。回転しないシャフトのラビリンス シールの一般的なタイプには、次のものがあります。

1. ポジティブシール: ポジティブラビリンスシールはシャフトとステータの間に密閉シールを作成し、シール面間の接触を一定に保つことで漏れを防止します。
2. 制限シール: 制限シールはクリアランス シールとも呼ばれ、シャフトとステータ間の直接接触なしに狭いクリアランスを維持します。狭い隙間とラビリンス効果を利用して漏れを最小限に抑えます。
3. 液体フィルムシール: これらのシールは、シャフトとステーターの間にバリアを作成するために、液体 (多くの場合はオイル) の薄いフィルムを使用します。液体フィルムは摩耗を減らし、シール性能を向上させます。
4. シャフト エンド シール: シャフト エンド シールは、ハウジングまたはケーシングを貫通するシャフトの端部での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、アプリケーションの要件に応じて、ポジティブ シールまたは制限シールのいずれかになります。

ラビリンスシールの種類

ラビリンス シールは、特定の用途や動作条件に合わせて設計されたさまざまな構成で提供されます。ラビリンス シールの主な 2 つのカテゴリは、回転シャフト シールと非回転シャフト シールです。

回転軸シール

回転シャフト シール (ダイナミック シールとも呼ばれる) は、シャフトがステータに対して動くアプリケーションで使用されます。これらのシールは、ガス タービン エンジン、コンプレッサー、ポンプなどでよく使用されます。回転シャフト ラビリンス シールには、いくつかの種類があります。

1. ストレートスルー ラビリンス シール: これらのシールは、流体が通過するシンプルで直線的な経路を特徴としています。圧力差が低く、シール要件がそれほど厳しくないアプリケーションで使用されます。
2. スタッガード ラビリンス シール: スタッガード シールは、ローターとステーターの歯が交互に配置されており、流体の経路がより曲がりくねっています。この設計により、乱流が増加し、流体の速度が減少するため、シール性能が向上します。
3. 段付きシール: 段付きラビリンス シールは、流体経路に沿ってシール クリアランスの段差または変化を組み込んでいます。この設計により、一連の圧力降下が生まれ、漏れがさらに減少します。
4. ラジアル シール: ラジアル ラビリンス シールは、シャフト軸に垂直なラジアル方向の漏れを制御するように設計されています。完全なシーリング ソリューションを提供するために、他の種類のシールと組み合わせて使用されることがよくあります。

非回転シャフトシール

非回転シャフト シール、または静的シールは、シャフトとステータの間に相対運動がない場合に使用されます。これらのシールは、石油およびガス処理装置、化学プラント、蒸気タービンなどのアプリケーションでよく使用されます。非回転シャフト ラビリンス シールの一般的なタイプには、次のものがあります。

1. ポジティブシール: ポジティブラビリンスシールはシャフトとステータの間に密閉シールを作成し、シール面間の接触を一定に保つことで漏れを防止します。
2. 制限シール: 制限シールはクリアランス シールとも呼ばれ、シャフトとステータ間の直接接触なしに狭いクリアランスを維持します。狭い隙間とラビリンス効果を利用して漏れを最小限に抑えます。
3. 液体フィルムシール: これらのシールは、シャフトとステーターの間にバリアを作成するために、液体 (多くの場合はオイル) の薄いフィルムを使用します。液体フィルムは摩耗を減らし、シール性能を向上させます。
4. シャフト エンド シール: シャフト エンド シールは、ハウジングまたはケーシングを貫通するシャフトの端部での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、アプリケーションの要件に応じて、ポジティブ シールまたは制限シールのいずれかになります。

ラビリンスシールの材質

ラビリンスシールの利点

低い漏洩率

ラビリンス シールの主な利点の 1 つは、漏れ率を最小限に抑えられることです。シールの独自の設計によって生み出される曲がりくねった経路により、流体は一連の制限を通過することになり、圧力と速度が低下します。その結果、他のタイプのシールに比べて漏れが大幅に少なくなるため、ラビリンス シールは流体損失を最小限に抑える必要がある用途に最適です。

非接触操作

ラビリンス シールは、回転部品と固定部品が直接接触することなく動作します。この非接触設計により、摩擦と摩耗がなくなり、シールの寿命が延び、メンテナンスの必要性が減ります。また、接触がないため、ラビリンス シールは、シール性能を損なうことなく、シャフトのわずかなずれや熱膨張の変動にも対応できます。

コスト効率の高いソリューション

メカニカルシールなどの他のシール技術と比較すると、ラビリンスシールはコスト効率に優れたソリューションです。設計がシンプルで製造が容易で、メンテナンスも最小限で済みます。さらに、ラビリンスシールは非接触で動作するため、高価なシールサポートシステムが不要になり、全体的なコストがさらに削減されます。

ラビリンスシールのデメリット

接触シールに比べて漏れが大きい

ラビリンス シールは他の非接触シールに比べて漏れ率が低いですが、それでもメカニカル シールなどの接触シールよりは漏れが多くなります。非接触動作に必要な回転部品と固定部品の間のクリアランスにより、ある程度の流体が漏れてしまいます。

クリアランス変更に対する感度

ラビリンス シールの性能は、回転部品と固定部品の間の適切なクリアランスを維持することに大きく依存します。熱膨張、遠心成長、摩耗などの要因によってこのクリアランスが変化し、シール性能に影響する可能性があります。

制限された圧力差能力

ラビリンスシールは、中程度の圧力差で作動する場合に最も効果的です。圧力差が大きくなると、 漏洩率 シールを通過する圧力も増加します。この制限により、ラビリンスシールは、他のシール技術の方が適している可能性のある、圧力差が極めて大きい用途にはあまり適していません。

ラビリンスシールの用途

ガスタービンエンジン

ラビリンス シールは、ベアリング チャンバーの密閉、オイル漏れの制御、汚染物質の侵入防止のためにガスタービン エンジンで広く使用されています。ガスタービン エンジンの高温高圧環境では、非接触設計と過酷な条件に対応できる能力により、ラビリンス シールが理想的な選択肢となります。適切に設計されたラビリンス シールは、エンジンの効率と信頼性の維持に役立ちます。

コンプレッサーとタービン

コンプレッサーやタービンでは、ラビリンス シールはステージ間の漏れを最小限に抑え、圧縮ガスや蒸気の損失を防ぐために使用されます。また、シャフトの端を密閉するためにも使用され、大気への流体の漏れを減らします。これらの用途でラビリンス シールを使用すると、機器の効率を維持し、流体の漏れによる環境への影響を軽減できます。

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回転シャフトに沿った流体の漏れを制御するために使用されます。これらのシステムでは、ラビリンス シールは必要な圧力レベルを維持し、流体の汚染を防ぎ、研磨粒子の侵入を最小限に抑えることでベアリングやその他のコンポーネントの寿命を延ばすのに役立ちます。

航空宇宙産業

航空宇宙産業では、エンジン シャフトのシーリング、ブリード エアの制御、燃料システムのシーリングなど、さまざまな用途でラビリンス シールに大きく依存しています。ラビリンス シールは高速で動作し、高温に対応し、航空宇宙用途で発生する振動やストレスに耐える能力を備えているため、航空機システムの安全性と信頼性を確保する上で重要なコンポーネントとなっています。