ポンプはメカニカルシールの最大の用途の一つです。その名の通り、メカニカルシールは接触型シールであり、空力シールやラビリンスシールなどの非接触型シールとは異なります。メカニカルシールバランス型メカニカルシールまたはアンバランスメカニカルシールこれは、プロセス圧力が静止シール面の裏側に回り込むことができる割合（もしあるとすれば）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）、またはシールに必要な圧力のプロセス流体がシール面の裏側に回り込むことができない場合、プロセス圧力によってシール面が押し戻され、シールが開きます。シール設計者は、あらゆる動作条件を考慮し、必要な閉鎖力を備えつつ、動圧シール面へのユニット負荷によって過度の熱や摩耗が発生するほどの力を持たないシールを設計する必要があります。これは、ポンプの信頼性を左右する微妙なバランスです。
従来の方法ではなく、開く力を有効にすることで、ダイナミックシール面を
前述の通り、閉弁力のバランスをとることで必要な閉弁力は不要になりますが、必要な閉弁力を維持しながらシール面の重量軽減や負荷軽減を可能にすることで、ポンプ設計者とユーザーに新たな調整の余地を与えます。これにより、発熱と摩耗を低減し、動作条件の選択肢を広げることができます。
ドライガスシール（DGS）コンプレッサーによく使用されるこのシールは、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に送り込み、シール面を横切る非接触流体膜軸受として機能します。
ドライガスシール面の空力軸受開口力。直線の傾きは、隙間における剛性を表しています。隙間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のローターを支える流体動圧油軸受にも見られ、ベントリーが示すローターの動圧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、流体動圧油軸受とDGSの成功に重要な要素となっています。メカニカルシールには、空気力学的DGS面にあるような微細なポンピング溝がありません。外部加圧ガス軸受の原理を利用して、閉鎖力を負荷から軽減する方法があるかもしれません。メカニカルシール面s.
流体膜軸受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。
外部加圧式静圧気体軸受は加圧ガス源を用いるのに対し、動圧軸受は表面間の相対運動を利用して隙間圧力を発生させます。外部加圧技術には、少なくとも2つの基本的な利点があります。まず、浅いポンピング溝を用いてシール隙間にガスを流入させるのではなく、加圧ガスを制御された方法でシール面間に直接注入することができます。これにより、回転開始前にシール面を分離することができます。シール面が押しつぶされている場合でも、圧力を直接注入することでシール面が開き、摩擦ゼロで始動および停止します。さらに、シールが高温になっている場合、外部圧力によってシール面への圧力を高めることが可能です。その場合、隙間は圧力に比例して増加しますが、せん断による熱は隙間の3乗に比例します。これにより、オペレータ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 のように面を横切る流れがないという利点もあります。代わりに、最高圧力はシール面の間にあり、外部圧力は大気中に流入するか、片側に排出されて反対側からコンプレッサーに入ります。これにより、プロセスが隙間に入らないため、信頼性が向上します。ポンプの場合、圧縮性ガスをポンプに押し込むことは望ましくない場合があるため、これは利点にならない可能性があります。ポンプ内の圧縮性ガスは、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流入の欠点がなく、非接触または摩擦のないポンプ用シールがあれば興味深いでしょう。流量ゼロの外圧ガスベアリングは可能でしょうか？
補償
すべての外部加圧ベアリングには、何らかの補償機構が備わっています。補償機構とは、圧力を一定量保持する一種の絞り機構です。最も一般的な補償機構はオリフィスですが、溝、段差、多孔質などの補償機構もあります。補償機構により、ベアリングまたはシール面が接触することなく近接して動作することが可能になります。これは、ベアリングまたはシール面が接近するほど、それらの間のガス圧力が高くなり、面同士が反発するからです。
例えば、フラットオリフィス補償ガスベアリング（図3）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。これが単位荷重です。このソースガス圧力が 60 ポンド/平方インチ (psi) で、面の面積が 10 平方インチ、荷重が 300 ポンドの場合、ベアリング ギャップには平均 30 psi の圧力がかかります。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) しかありません。ギャップの直前にオリフィス リストリクタがあり、圧力を予備として保持しているため、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 インチに減少し、ギャップを通る流量が 0.1 scfm に制限されます。2 番目の制限でのこの増加により、オリフィス リストリクタには、ギャップ内の平均圧力が 40 psi に増加して増加した荷重を支えるのに十分な流量が供給されます。
これは、座標測定機（CMM）に搭載される典型的なオリフィスエアベアリングの断面側面図です。空気圧システムを「補正ベアリング」とみなすには、ベアリングギャップ制限部の上流に絞りを設ける必要があります。
オリフィス補償と多孔質補償
オリフィス補正は、最も広く使用されている補正形式です。一般的なオリフィスの穴の直径は 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な面積に供給され、ガスの速度が速くなることがあります。多くの場合、オリフィスは、オリフィス サイズの侵食によるベアリングの性能の変化を避けるために、ルビーまたはサファイアから正確に切り出されています。もう 1 つの問題は、ギャップが 0.0002 インチ未満の場合に、オリフィスの周囲の領域が面の残りの部分への流れを妨げ始め、その時点でガス膜の崩壊が発生することです。リフトオフ時にも同じことが発生し、オリフィス領域と溝のみがリフトの開始に使用できるためです。これが、外部加圧ベアリングがシール プランに示されない主な理由の 1 つです。
これは多孔質補償ベアリングの場合とは異なり、代わりに剛性は
負荷が増加するとギャップが減少するが、これはDGSの場合と同様である（図1）。
流体動圧オイルベアリング。外部加圧式多孔質ベアリングの場合、入力圧力と面積の積がベアリングにかかる総荷重と等しいとき、ベアリングは力の釣り合いが取れた状態になります。これは、揚力またはエアギャップがゼロであるため、トライボロジーの観点から興味深い事例です。流量はゼロですが、ベアリング面下の対向面に対する空気圧の静水力によって総荷重が軽減され、面同士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、グラファイトシール面の面積が10平方インチで、1,000ポンドの閉鎖力があり、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ポンドの力が必要です。しかし、多孔質グラファイトを通して100psiの外部圧力源をシール面に導入すると、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つの面を互いに押し付ける1,000ポンドの閉鎖力が依然として存在し、面が物理的に接触しているにもかかわらずです。
ターボ業界で広く知られているグラファイト、カーボン、アルミナや炭化ケイ素などのセラミックなどの滑り軸受材料は、天然の多孔質であるため、非接触流体膜軸受である外圧軸受として使用できます。外圧を利用することで、接触シール面のトライボロジーによる接触圧力やシールの閉止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、問題のある用途や高速運転に対応するために、ポンプ外部で調整を行うことができます。
この原理は、ブラシ、整流子、励磁機、または回転体からデータや電流を受け取るために使用される可能性のあるすべての接触導体にも適用されます。 ローターが高速で回転し、ラン アウトが増加すると、これらのデバイスをシャフトに接触させたままにすることが困難になる場合があり、シャフトに保持するスプリング圧力を高める必要があることがよくあります。 残念ながら、特に高速動作の場合、この接触力の増加は、熱と摩耗の増加にもつながります。 上で説明したメカニカル シール面に適用されたのと同じハイブリッド原理は、静止部品と回転部品間の導電性のために物理的な接触が必要なここにも適用できます。 外部圧力を油圧シリンダーからの圧力のように使用して、動的インターフェースでの摩擦を減らしながら、ブラシまたはシール面を回転シャフトに接触させたままにするために必要なスプリング力または閉鎖力を高めることができます。
投稿日時: 2023年10月21日