ポンプはメカニカルシールを最も多く使用する機器の一つです。名前が示すように、メカニカルシールは接触型のシールであり、空気圧シールやラビリンスシールといった非接触型のシールとは区別されます。メカニカルシールバランス型メカニカルシールとも呼ばれる。アンバランスメカニカルシールこれは、プロセス圧力のうち、固定シール面の背後に回り込むことができる割合（もしあれば）を指します。シール面が回転面に押し付けられていない場合（プッシャー型シールの場合など）、またはシールする必要のある圧力のプロセス流体がシール面の背後に入り込めない場合、プロセス圧力によってシール面が押し戻されて開いてしまいます。シール設計者は、必要な閉鎖力を持ちながらも、動的シール面におけるユニット負荷によって過度の熱や摩耗が発生しないように、適切な閉鎖力を持つシールを設計するために、すべての運転条件を考慮する必要があります。これは、ポンプの信頼性を左右する繊細なバランスです。
従来の方法ではなく、開口力を可能にすることで動的シール面が
上述のように、閉鎖力をバランスさせることで、必要な閉鎖力を排除するのではなく、シール面の荷重を軽減または解放しながら必要な閉鎖力を維持することで、ポンプの設計者と使用者に調整可能な要素を増やし、発熱と摩耗を低減するとともに、使用可能な運転条件を拡大します。
ドライガスシール（DGS）圧縮機などでよく使用されるシールは、シール面に開口力を発生させます。この力は、空気力学的軸受の原理によって生み出されます。微細なポンピング溝が、シールの高圧プロセス側からガスを隙間へと押し込み、シール面全体に非接触流体膜軸受として作用させるのです。
ドライガスシール面の空力軸受開口力。直線の傾きは、ギャップにおける剛性を表します。ギャップの単位はミクロンです。
同じ現象は、ほとんどの大型遠心圧縮機やポンプローターを支える流体潤滑油軸受でも発生し、ベントリーが示したローターの動的偏心プロットにも見られます。この効果は安定したバックストップを提供し、流体潤滑油軸受とDGSの成功の重要な要素となっています。メカニカルシールには、空力DGS面に見られるような細かいポンピング溝はありません。外部加圧ガス軸受の原理を利用して、閉鎖力をメカニカルシール面s.
流体膜軸受のパラメータとジャーナル偏心率の関係を示す定性的なグラフ。剛性Kと減衰Dは、ジャーナルが軸受の中心にあるときに最小値となる。ジャーナルが軸受面に近づくにつれて、剛性と減衰は劇的に増加する。
外部加圧式静圧ガス軸受は加圧ガス源を利用するのに対し、動圧軸受はシール面間の相対運動を利用してギャップ圧力を発生させます。外部加圧式技術には少なくとも2つの基本的な利点があります。まず、加圧ガスは、動きを必要とする浅いポンピング溝によってシールギャップにガスを誘導するのではなく、シール面間に制御された方法で直接注入できます。これにより、回転開始前にシール面を分離できます。シール面が密着していても、圧力が直接注入されると、摩擦ゼロで回転を開始および停止するためにシール面が開きます。さらに、シールが高温になっている場合、外部加圧によってシール面への圧力を高めることができます。するとギャップは圧力に比例して増加しますが、せん断による熱はギャップの3乗に比例します。これにより、オペレーターは発熱を抑制するための新たな手段を得ることができます。
コンプレッサーには、DGSのようにシール面を横切る流れがないという利点もあります。代わりに、シール面間の圧力が最も高くなり、外部圧力は大気中に流れ込むか、片側からコンプレッサーに排出されます。これにより、プロセスがギャップに入り込まないようにすることで信頼性が向上します。ポンプの場合、圧縮性ガスをポンプ内に押し込むことは望ましくないため、これは利点にならない可能性があります。ポンプ内部の圧縮性ガスは、キャビテーションやエアハンマーの問題を引き起こす可能性があります。しかし、ポンププロセスへのガスの流れという欠点なしに、非接触または摩擦のないシールをポンプに使用できれば興味深いでしょう。流れのない外部加圧式ガスベアリングは実現可能でしょうか？
補償
外部加圧式ベアリングはすべて、何らかの補償機構を備えています。補償とは、圧力を予備として保持する一種の制限機構です。最も一般的な補償方法はオリフィスを用いることですが、溝、段差、多孔質構造を用いた補償技術もあります。補償機構により、ベアリングやシール面が接触することなく接近することが可能になります。これは、接近するほど両者間のガス圧が高くなり、互いに反発し合うためです。
例えば、平らなオリフィスで補償されたガス軸受（図3）の下では、平均
ギャップ内の圧力は、ベアリングにかかる総荷重を面面積で割った値に等しくなります。これは単位荷重です。供給ガスの圧力が60ポンド/平方インチ（psi）で、面面積が10平方インチ、荷重が300ポンドの場合、ベアリングギャップ内の平均圧力は30psiになります。通常、ギャップは約0.0003インチで、ギャップが非常に小さいため、流量は約0.2標準立方フィート/分（scfm）になります。ギャップの直前に圧力を予備として保持するオリフィス絞りがあるため、荷重が400ポンドに増加すると、ベアリングギャップは約0.0002インチに縮小され、ギャップを通る流量が0.1 scfm減少します。この2番目の絞りの増加により、オリフィス絞りはギャップ内の平均圧力を40psiまで増加させ、増加した荷重を支えるのに十分な流量を確保します。
これは、座標測定機（CMM）によく見られるオリフィス式エアベアリングの側面断面図です。空気圧システムが「補償ベアリング」とみなされるためには、ベアリングギャップ制限部の上流側に制限部を設ける必要があります。
オリフィス補償と多孔質補償の比較
オリフィス補償は、最も広く使用されている補償方法です。典型的なオリフィスの穴径は 0.010 インチですが、数平方インチの面積に供給するため、オリフィス自体よりも数桁大きい面積に供給することになり、ガスの速度は高くなります。多くの場合、オリフィスは、オリフィスのサイズの侵食やベアリングの性能の変化を避けるために、ルビーやサファイアから精密に切り出されます。もう 1 つの問題は、ギャップが 0.0002 インチ未満の場合、オリフィスの周囲の領域が残りの面への流れを絞め始め、その時点でガス膜が崩壊することです。リフトオフ時にも同じことが起こり、リフトを開始するために利用できるのはオリフィスの領域と溝のみです。これが、外部加圧ベアリングがシールプランに見られない主な理由の 1 つです。
これは多孔質補償ベアリングには当てはまらず、代わりに剛性は
負荷が増加すると増加し、ギャップは減少します。これは、DGS (図 1) の場合と同様です。
流体潤滑油軸受。外部加圧式多孔質軸受の場合、入力圧力と面積の積が軸受にかかる総荷重と等しくなると、軸受はバランス力モードになります。これは、リフトやエアギャップがゼロであるため、興味深い摩擦学的ケースです。流れはゼロになりますが、軸受面下の対向面に対する空気圧の静水圧によって総荷重が軽減され、接触面が接触しているにもかかわらず、摩擦係数はほぼゼロになります。
例えば、グラファイト製シール面の面積が10平方インチ、閉鎖力が1,000ポンド、グラファイトの摩擦係数が0.1の場合、動作を開始するには100ポンドの力が必要になります。しかし、多孔質グラファイトを通してシール面に100psiの外部圧力を加えると、動作を開始するために必要な力は実質的にゼロになります。これは、2つのシール面を1,000ポンドの閉鎖力で押し付け、物理的に接触しているにもかかわらずです。
グラファイト、カーボン、アルミナや炭化ケイ素などのセラミックといった、ターボ業界でよく知られている滑り軸受材料の一種は、多孔質であるため、非接触流体膜軸受として外部加圧軸受として使用できます。外部圧力を利用して、接触するシール面で発生する摩擦による接触圧力やシールの閉鎖力を緩和するハイブリッド機能があります。これにより、ポンプオペレーターは、メカニカルシールを使用しながら、ポンプ外部で調整を行い、問題のある用途や高速運転に対処できます。
この原理は、ブラシ、整流子、励振器、または回転体との間でデータや電流を取り込むために使用されるあらゆる接触導体にも適用されます。ローターの回転速度が速くなり、振れが大きくなると、これらのデバイスをシャフトに接触させ続けることが難しくなり、多くの場合、シャフトに押し付けるバネの圧力を上げる必要があります。残念ながら、特に高速運転の場合、この接触力の増加は、熱と摩耗の増加にもつながります。上記で説明したメカニカルシール面に適用されるのと同じハイブリッド原理は、静止部と回転部の間の電気伝導のために物理的な接触が必要なここにも適用できます。外部圧力は、油圧シリンダーからの圧力のように使用して、動的界面での摩擦を低減しながら、ブラシまたはシール面を回転シャフトに接触させ続けるために必要なバネ力または閉鎖力を増加させることができます。
投稿日時：2023年10月21日