ラビリンスシールとは何か、どのように機能するのか

回転機械における液体やガスの漏れは、壊滅的な故障やダウンタイムにつながる可能性があります。ラビリンス シールは、流体の流れを制限する曲がりくねった経路を作成することで、ターボ機械におけるこの漏れを効果的に制御します。これらの非接触シールは、歯のある回転要素と、漏れを大幅に削減するために連携して機能する空洞のある固定要素で構成されています。

このブログ投稿では、ラビリンス シールの包括的な概要を示し、その機能、主要なコンポーネント、利用可能なさまざまなタイプ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、タービン、コンプレッサー、ポンプなどの回転機器の漏れを制御し、摩耗を減らすために使用される非接触型メカニカル シールの一種です。これは、流体またはガスの曲がりくねった経路を作成する一連の複雑に設計された溝またはチャネルで構成され、回転部品と固定部品が直接接触することなく、流れを効果的に制限します。

ラビリンスシールの仕組み

ラビリンス シールの主なシール機構は、流体が複雑な迷路のような通路を通過する際に、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、ローターとステーターの表面にある一連の交互に並んだ歯またはフィンに遭遇します。これらの歯は、回転部品と固定部品の間に小さな隙間を維持するように精密に機械加工されています。流体が狭い通路を通過すると、突然の膨張と収縮が発生し、乱流と流体せん断が発生します。

流れの方向が繰り返し変化し、それに伴う乱流により、流体は各ラビリンス ステージで速度と圧力を失います。この圧力低下によりシール効果が生まれ、シールから漏れる流体の量が最小限に抑えられます。ラビリンス パスが複雑でシール ステージの数が多いほど、シール効率は高くなります。

ラビリンスシールの構成要素

回転子（ローター）

ローターはシールの動的コンポーネントであり、通常は回転シャフトに取り付けられるか、または一体化されています。ローターには、ラビリンス経路の片側を形成する、放射状に外側に伸びる一連の突起または歯が付いています。

固定子（ステータ）

ステーターはシールの回転しない部分で、通常は機器ハウジング内に取り付けられています。ステーターにはローターのプロファイルに一致する溝やチャネルが組み込まれており、複雑なラビリンス経路を形成します。

ラビリンスシールの種類

ストレートスルーラビリンスシール

この設計では、ローターとステーターの歯またはフィンが、回転軸に対して垂直な直線経路に沿って配置されています。流体が歯によって作られた各狭窄部を通過すると、圧力が低下して速度が上昇し、漏れが減少します。ストレートスルー設計は製造が簡単で、圧力差が低い用途に適しています。

階段状ラビリンスシール

段付きラビリンス シールは、歯またはフィンが互いにオフセットされており、流体が移動する経路がより曲がりくねっています。流体はシールを通過する際に方向を何度も変更する必要があるため、圧力と速度がさらに低下します。この設計は、ストレート スルー シールに比べて優れたシール性能を提供し、圧力差が大きい用途や漏れ要件が厳しい用途に適しています。

ラビリンスシールの材質

1. トルロンPAI（ポリアミドイミド）: Torlon PAI は、優れた機械的強度、剛性、熱安定性を備えた高性能熱可塑性プラスチックです。摩耗、クリープ、化学腐食に対する優れた耐性があり、厳しい環境におけるラビリンス シールに適しています。Torlon PAI ラビリンス シールは、最高 275°C (527°F) の温度で動作し、航空宇宙、石油・ガス、化学処理業界で広く使用されています。
2. PEEK（ポリエーテルエーテルケトン）: PEEK は、優れた機械的特性、耐薬品性、熱安定性で知られる半結晶性熱可塑性プラスチックです。PEEK 製のラビリンス シールは、最高 250°C (482°F) の温度に耐えることができ、優れた耐摩耗性を発揮します。PEEK シールは、石油・ガス、化学、航空宇宙産業などの高温、高圧、化学的に攻撃的な環境でよく使用されます。
3. ベスペルPI（ポリイミド）: Vespel PI は、優れた熱安定性、耐薬品性、寸法安定性を備えた高性能ポリイミド材料です。Vespel PI 製のラビリンス シールは、最高 300°C (572°F) の温度で動作し、優れた耐摩耗性と低摩擦性を備えています。これらのシールは、航空宇宙、半導体、高温産業用途で広く使用されています。
4. フッ素樹脂（強化PTFE）: フロロシントは、PTFE の低摩擦性と耐薬品性の特性と、改善された機械的強度および耐摩耗性を兼ね備えた強化ポリテトラフルオロエチレン (PTFE) 材料です。フロロシント製のラビリンス シールは、最高 260°C (500°F) の温度で動作し、化学的に腐食性の高い環境でも優れたシール性能を発揮します。これらのシールは、化学処理、食品および飲料、製薬業界でよく使用されます。