ラビリンスシールとは

ラビリンスシールは回転機器で広く使用されているにもかかわらず、高圧条件下での漏れを完全に防止することが難しいことがよくあります。この制限に対処しないと、システム効率の低下、メンテナンスコストの増加、潜在的な安全上の問題につながる可能性があります。このドキュメントでは、ラビリンスシール、その動作原理、コンポーネント、分類、およびメカニカルシールとの比較について、包括的な概要を提供することを目的としています。

ラビリンスシールとは

ラビリンスシールは、迷路のような経路を利用して 2 つの領域間の流体の漏れや汚染物質の侵入を大幅に減らす特殊なタイプのシールです。非接触シールまたはマイクロラビリンスシールとも呼ばれるこれらのデバイスは、流体や粒子が通過することを非常に困難にする複雑で入り組んだ経路を作成するという基本原理に基づいて動作します。

ラビリンスシールの複雑な通路は、一連の連結した隙間とチャンバーで構成されています。ラビリンスシールは、この曲がりくねった経路を流体や汚染物質が通過するように強制することで、回転部品と固定部品が直接接触することなく、流体や汚染物質の流れを効果的に阻止します。

ラビリンスシールの仕組み

ラビリンスシールの主な機能は、流体や汚染物質の通過を妨げる複雑で曲がりくねった経路を作成することです。これは通常、複数の溝またはチャンバーをシール構造自体に組み込むことによって実現されます。

これらの溝は、しばしば「歯」と呼ばれ、回転部品 (ローター)、固定部品 (ステーター)、または両者の間に戦略的に配置されます。これらの歯の配置を交互にすることで、ラビリンスシールは一連の制限と拡張を形成し、流れを繰り返し遮断して方向転換させます。

遠心力

重要な側面の 1 つは、遠心力の利用です。特に回転シャフトが関係するアプリケーションでは、遠心力の利用が重要です。シャフトが高速で回転すると、遠心効果によって流体が外側に押し出され、シール内の潜在的な漏れ経路から流体が遠ざかります。この外側への動きにより、流体がラビリンスに深く浸透するのを防ぐことができます。

渦の動き

さらに、適切に設計されたラビリンスシール内のチャンバーは、最初のバリアをすり抜けた流体をすべて捕捉するように設計されています。捕捉された流体は、チャンバー内で強制的に渦流運動をします。この渦流運動は、流体がそれ以上漏れるのを防ぐだけでなく、密閉された領域に侵入しようとする他の流体や汚染物質に対するバリアとしても機能します。

乱気流

経路の迷路的な性質は、流体内に乱流を誘発することで、シーリング効果にも寄与します。流体が迷路のねじれ、曲がり、急激な拡張を通過すると、乱流とエネルギー散逸が増加します。この乱流により、流体がシールを通過する能力がさらに妨げられ、全体的なシーリング性能が向上します。

非接触操作

ラビリンスシールの際立った特徴は、非接触動作です。コンポーネント間の直接的な物理的接触に依存する他の多くのシール方法とは異なり、ラビリンスシールはローターとステーターの間に小さいながらも正確な隙間を維持します。この隙間は通常、数千分の 1 インチ (例: 0.003 インチまたは 76 ミクロン) 程度です。

ラビリンスシールの主な構成要素

ラビリンスシールは、効果的なシール性能を実現するために連携して機能するいくつかの重要なコンポーネントで構成されています。

ステーター: ステータはラビリンスシールの固定部分です。ハウジングなどの機械の固定部分にしっかりと取り付けられ、機器の動作中は固定された位置にあります。ステータには、ローターの溝や歯と連動してラビリンス経路を形成する溝や歯が付いています。
ローターローターはラビリンスシールの動的コンポーネントであり、機械の回転シャフトに直接取り付けられています。名前が示すように、ローターはシャフトとともに回転し、その溝または歯がステーターの溝または歯と揃って複雑なシール経路を形成します。
ラビリンスギャップラビリンスギャップとは、ローターとステーターの間にある、緻密に制御された空間を指します。ラビリンスギャップ内の通路は、単純な直線ではなく、複雑なパターンで放射状に内側に伸びており、まさに迷路のような構造になっています。

ラビリンスシールの分類

直進ラビリンスシール

ストレートスルーラビリンスシールは、最も基本的な設計です。固定部品と回転部品の両方に、軸方向の溝または歯が機械加工されています。結果として得られる経路は比較的直線的ですが、溝によって複雑な経路が形成され、流体の流れが効果的に妨げられます。

この設計は、シンプルさと適度なシール効率のバランスが取れており、ある程度の漏れが許容されるポンプ、タービン、コンプレッサーなどの用途に適しています。ストレートスルー構成は、より複雑な設計に比べて製造が容易で、コスト効率に優れています。

階段状迷路シール

シール経路に沿った溝は軸方向の深さが異なり、段状のプロファイルを形成します。この段状の形状によりシール全体の圧力差が大きくなり、シール効率が向上します。

段付き設計は複雑性が増すため、漏れを最小限に抑えることが重要な高性能アプリケーションに最適です。ガスタービン、蒸気タービン、高圧コンプレッサーでは、最適な効率を維持し、流体の損失を防ぐために、段付きラビリンスシールがよく使用されます。

インターリーブラビリンスシール

この構成では、ローターとステーターの歯または溝が戦略的にオフセットまたは交互に配置されています。この配置により、流体の経路がさらに曲がりくねり、流動抵抗が大幅に増加します。

インターリーブラビリンスシールは、漏れ経路の複雑さを最大限に高めることで、シール性能を強化します。ターボ機械など、回転速度が高く、圧力差が大きい用途では特に効果的です。

ラビリンスシールとメカニカルシール

動作原理

ラビリンスシールは非接触原理に基づいており、複雑な経路と流体力学操作を利用して流れを遮断します。回転部品と固定部品の間に物理的な接触はありません。対照的に、メカニカルシールは接触原理に基づいて動作し、正確にかみ合った2つのシール面間の物理的な接触に依存しています。漏れを防ぐこれらの面は圧力を受けて密着しており、密閉性を維持します。

接触

物理的な接触がないことはラビリンスシールの特徴です。回転部品と固定部品の間には小さいながらも慎重に設計された隙間があり、これがシールの動作に重要です。一方、メカニカルシールシール面間の直接的かつ継続的な接触に依存します。この接触は、一貫したシールを確保するために、スプリング機構またはその他の手段によって維持されます。

シーリング効果

ラビリンスシールは多くの用途で効果的ですが、漏れを完全に防ぐようには設計されていません。一定量の漏れが許容されるか、設計に考慮されているシステムでよく使用されます。対照的に、メカニカルシールは、高圧および高温の条件下でも優れたシール効果を発揮します。漏れ率をより細かく制御できるため、漏れを最小限に抑えることが不可欠な用途に適しています。

デザインの複雑さ

ラビリンスシールは比較的シンプルな設計で、主にシーリングコンポーネントに機械加工された一連の溝またはチャンバーで構成されています。このシンプルさがコスト効率と製造の容易さに貢献しています。一方、メカニカルシールはより複雑で、回転および固定シール面、スプリングメカニズム、O リングやガスケットなどの補助シールなど、複数のコンポーネントが組み込まれています。この複雑さが増すと、シーリング性能を正確に制御できますが、初期コストも高くなります。

料金

ラビリンスシールは設計がシンプルで部品数が少ないため、メカニカルシールに比べて初期コストが低くなります。ただし、長期的なコストの影響を考慮することが重要です。ラビリンスシールは初期費用が低いかもしれませんが、漏れを完全に防ぐことができないため、時間の経過とともに運用コストが増加する可能性があります。メカニカルシールは初期投資額が高いにもかかわらず、流体損失を最小限に抑え、システム効率を維持することで長期的なコスト削減を実現できます。

温度と圧力の取り扱い

ラビリンスシールは、高温高圧の条件下でも効果的に作動します。ただし、極端に高圧になると、隙間からの漏れが増加するため、シール効率が低下する可能性があります。メカニカルシールは、幅広い温度と圧力に対応できる優れた汎用性を備えています。密閉性を維持することが重要な、極端な動作条件では、メカニカルシールが好まれることがよくあります。

代表的なアプリケーション

ラビリンスシールは、ある程度の漏れが許容されるタービン、コンプレッサー、ポンプなどの用途で広く使用されています。非接触型であるため、高速回転装置、低圧環境、重要でないシール用途、汚れや摩耗のある環境に適しています。一方、メカニカルシールは、漏れを最小限に抑えるかなくすことが最優先される用途に最適です。ポンプ、撹拌機、ミキサー、および危険、有毒、または高価な流体を扱うシステムでよく使用されます。メカニカルシールは、高圧用途や正確な漏れ制御が必要な状況でも優れています。

アザラシ

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