엔지니어링에 사용되는 7가지 유형의 다이나믹 씰

이 문서에서는 패킹 씰, 메카니컬 씰, 건식 가스 씰, 래버린스 씰, 오일 씰, 파워 씰 및 나선형 씰을 포함하여 기계 설계에 가장 널리 사용되는 7가지 동적 씰 형태에 대한 개요를 설명합니다.

동적 기계의 효과적인 씰링 문제는 장비의 작동 수명 주기 내내 지속적인 관심사로 남아 있습니다. 이 포괄적인 분석에서는 모바일 장비에 일반적으로 사용되는 다양한 씰링 기술을 세심하게 정리하고 분류했습니다. 기계 공학에서 중요한 씰링 문제에 대한 독자의 이해를 높이기 위해 특정 애플리케이션, 성능 특성 및 작동 매개 변수를 조사했습니다.

이러한 고급 씰링 솔루션을 살펴봄으로써 엔지니어와 기술자에게 특정 용도에 가장 적합한 씰링 방법을 선택할 수 있는 귀중한 통찰력을 제공하는 것이 목표입니다. 이러한 지식은 장비 성능을 최적화하고 유지보수 요구 사항을 최소화하며 다양한 산업 부문에서 동적 기계의 작동 수명을 연장하는 데 매우 중요합니다.

1. 포장 씰

• 1-하단 부시
• 2 스터핑 박스
• 3-씰링 링
• 4-필러
• 5샘
• 6-글랜드 볼트

구조적 특성에 따라 패킹 씰은 다음과 같이 나눌 수 있습니다:

• 소프트 패킹 씰
• 하드 패킹 씰
• 모양 포장 씰

1). 소프트 패킹 씰

유형: 포장

이동식 장비의 씰링 문제는 장비가 작동하는 동안 항상 존재합니다. 씰링 문제에 대한 이해를 돕기 위해 이동식 장비에 일반적으로 사용되는 씰의 종류와 사용 범위 및 특성을 정리했습니다.

패킹은 일반적으로 부드러운 실을 엮어 정사각형 단면의 스트립을 통해 밀봉된 캐비티에 채우는 방식으로 만들어집니다. 패킹을 압축하고 밀봉 표면(샤프트의 외부 표면과 씰 캐비티)에 압력을 가하는 글랜드에 의해 압력이 발생하여 밀봉 효과가 있는 반경 방향의 힘이 발생합니다.

포장 재료의 선택은 밀봉 효과에 영향을 미칩니다. 일반적으로 포장에 사용되는 재료는 작업 매체의 온도, 압력 및 pH뿐만 아니라 다음과 같은 조건에 따라 제한됩니다. 표면 거칠기, 편심 및 패킹이 작동하는 기계 장비의 선형 속도에 영향을 미칩니다. 이러한 요소는 또한 재료 선택 포장의

흑연 패킹은 고온 및 고압 씰링에 매우 효과적인 솔루션입니다. 부식에 대한 저항성, 우수한 밀봉 성능, 안정적이고 신뢰할 수 있는 작동으로 잘 알려져 있습니다.

아라미드 패킹은 고강도 유기 섬유의 일종입니다. 그런 다음 편조 포장에 PTFE 라텍스와 윤활제를 함침시킵니다.

PTFE 패킹은 순수 PTFE 분산 수지를 원료로 만들어집니다. 원료 필름을 먼저 생산한 다음 꼬고, 꼰 다음 포장재로 직조합니다. 식품, 제약, 제지, 화학 섬유 등 청결 요구 사항이 높은 산업의 밸브 및 펌프에 널리 사용되며 부식성이 강한 매체를 효과적으로 처리할 수 있습니다.

2). 하드 패킹 씰

하드 패킹 씰에는 오프닝 루프와 스플릿 루프의 두 가지 유형이 있습니다.

오프닝 루프 링은 피스톤 기계에서 피스톤 링으로, 로터리 기계에서 확장 링으로 사용되는 금속 자체 장력 씰링입니다. 스플릿 링은 증기 터빈 및 항공 엔진의 회전식 다이나믹 씰과 증기 엔진, 내연 기관 및 피스톤 컴프레서의 왕복 씰(피스톤 로드와 실린더 사이의 씰링)로 사용할 수 있는 원통형 표면 접촉식 다이나믹 씰입니다.

주요 스터핑 박스 구조

• 압축기 실린더와 중간 본체 사이에 배치됨
• 진공에서 3000bar까지 밀봉 압력
• 윤활, 냉각, 보호 가스 및 누출 복구를 필요에 따라 설정할 수 있습니다.

패킹 링의 분류

• 씰링 링 씰
• 초크 링 - 고온 및 고압 상황에서 변형 및 손실을 방지하기 위해 사용됩니다. 비금속 씰링 링
• 감압 링 - 흐름을 차단하여 감압의 목적을 달성합니다.

2. 기계적 밀봉

메카니컬 씰은 회전하는 장비에서 중요한 구성 요소로, 일반적으로 회전하는 부품(노란색 부분)과 고정된 부품(주황색 부분)의 두 가지 주요 요소로 구성됩니다.

이러한 구성 요소는 서로 정밀한 관계로 작동하며 고정된 링 표면이 주요 씰링 인터페이스 역할을 합니다. 샤프트에 부착된 회전 구성품은 하우징에 고정된 고정 구성품에 대항하여 움직이며 동적 씰링 작용을 일으킵니다.

일반적으로 페이스 씰이라고도 하는 메카니컬 씰은 고압 및 고속 애플리케이션에서 유체 누출을 방지하도록 설계되었습니다. 과도한 마모 없이 효율적으로 밀봉할 수 있도록 설계되어 펌프, 컴프레서 및 기타 회전 기계에 사용하기에 이상적입니다.

관련 국내 및 국제 표준(예: API 682 및 ISO 21049)에 따르면 기계적 씰은 회전축에 수직인 한 쌍 이상의 끝면으로 구성된 장치로 정의됩니다. 이러한 끝면은 접촉 상태를 유지하며 다음과 같은 조합을 통해 서로를 기준으로 움직입니다:

1. 유체 압력 분포
2. 보정 메커니즘(예: 스프링)의 탄성력
3. 자기력(일부 고급 디자인에서)
4. 보조 씰(예: O링 또는 벨로우즈)

이러한 정교한 힘의 상호작용은 씰링 면 사이의 미세한 간격을 제어하여 마찰과 마모를 최소화하면서 효과적으로 씰링할 수 있도록 합니다. 기계적 씰의 설계는 작동 온도, 압력, 유체 특성 및 회전 속도와 같은 요소를 고려하여 특정 애플리케이션에 맞게 더욱 최적화할 수 있습니다.

메카니컬 씰을 구성하는 기본 구성 요소는 다음과 같습니다:

1. 정적 링
2. 다이나믹 링
3. Gland
4. 푸시 링
5. 봄
6. 포지셔닝 링
7. 샤프트 슬리브
8. 다이내믹 링 씰
9. 정적 링 씰링 및 기타 구성 요소

3. 건식 가스 밀봉

건식 가스 씰은 샤프트 엔드 씰링 기술의 획기적인 발전으로, 씰 표면에 혁신적인 마이크로 홈 패턴을 사용하여 비접촉식 가스 막 장벽을 형성합니다. 이 기술은 동적 비접촉 씰링의 범주에 속하며 고속 회전 장비의 씰링 솔루션에 혁신을 가져왔습니다.

주요 기능은 다음과 같습니다:

1. 누출률을 최소화하는 우수한 밀봉 성능
2. 운영 수명 연장, 오버홀 간격이 5년을 초과하는 경우가 많음
3. 복잡한 오일 기반 씰링 시스템 제거
4. 기존 씰보다 20-30% 적은 전력 소비량으로 전력 소비량 대폭 감소
5. 간소화된 운영 및 모니터링 요구 사항
6. 수명 주기 유지 관리 비용 대폭 절감

드라이 가스 씰은 외부 냉각이나 윤활 없이 작동하는 자체 조절식 유지보수 최소화 씰링 시스템으로 플로팅 링 씰 및 래버린스 씰과 같은 기존 씰링 방식을 빠르게 대체해 왔습니다. 특히 신뢰성과 효율성이 가장 중요한 석유화학 분야에서 고속 원심 컴프레서의 샤프트 씰링에 대한 업계 표준으로 자리 잡았습니다.

애플리케이션:

건식 가스 씰은 다음에 사용하기에 이상적입니다:

• 고속 원심 컴프레서(최대 20,000RPM 이상)
• 터보 익스팬더
• 고압 펌프
• 가스 터빈

이 씰은 대기로의 공정 가스 누출이 최소로 허용되는 애플리케이션에서 탁월한 성능을 발휘합니다:

• 천연 가스 압축
• 에틸렌 및 프로필렌 생산
• 공기 분리 장치(산소, 질소 및 아르곤 컴프레서)
• 향상된 오일 회수 또는 격리를 위한 이산화탄소 압축

건식 가스 씰의 다양한 기능과 성능으로 인해 운영 효율성, 환경 규정 준수 및 장비 신뢰성이 중요한 요소인 현대 산업 공정에서 없어서는 안 될 필수품이 되었습니다.

4. 미궁 봉인

래버린스 씰은 회전축을 따라 순차적으로 배열된 일련의 환형 씰링 톱니입니다. 이 톱니는 그 사이에 일련의 차단 간격과 확장 공동을 만듭니다.

래버린스 씰은 회전축을 따라 원형 패턴으로 배열된 일련의 환형 씰링 톱니가 특징입니다. 이 톱니는 일련의 틈과 구멍을 만들어 씰 역할을 합니다.

래비린스 씰은 원심 컴프레서의 스테이지 사이와 샤프트 끝단에 사용되는 가장 기본적인 씰링 메커니즘입니다. 그 효과는 가스 흐름을 방해하는 일련의 좁은 틈새와 확장 챔버를 만드는 데서 비롯됩니다.

구조적 특성에 따라 래버린스 씰은 매끄러운, 지그재그, 계단형, 벌집형 등 네 가지 주요 유형으로 분류할 수 있습니다.

1). 부드러운 미로 봉인

스무스 래버린스 씰은 일체형과 인서트의 두 가지 구성으로 제공됩니다. 직관적인 디자인이 특징이며 제조가 비교적 간단합니다. 하지만 복잡한 유로 장애물이 없기 때문에 씰링 성능이 제한적입니다.

2). 지그재그 미로 인장

지그재그 미로 씰은 매끄러운 씰과 마찬가지로 일체형 및 삽입형 변형으로 제공됩니다.

이 유형은 돌출 높이가 다양한 높고 낮은 씰링 톱니가 번갈아 배열되어 있는 것이 특징입니다. 일치하는 샤프트 표면에는 해당 오목 볼록 홈 패턴이 있습니다.

높고 낮은 톱니와 오목한 볼록 홈 사이의 상호 작용으로 인해 매끄러운 씰링 간격이 구불구불한 지그재그 경로로 바뀝니다. 이 구성은 추가적인 난류와 압력 강하를 생성하여 흐름 저항을 크게 증가시키고 씰링 효율을 향상시킵니다.

그러나 지그재그 씰은 수평 분할 표면이 있는 실린더 또는 파티션에 적용하는 것으로 제한되며 복잡한 기하학적 구조로 인해 수평 분할 어셈블리로 구성해야 합니다.

3). 계단식 미로 봉인

계단형 래비린스 씰은 매끄러운 래비린스 씰과 구조적 유사성을 공유하지만 지그재그형 씰과 비슷한 씰링 성능을 제공합니다. 임펠러 커버와 밸런스 피스톤 위치에 자주 사용되며, 계단형 프로파일은 지그재그 씰의 제조 복잡성 없이 향상된 흐름 제한 기능을 제공합니다.

4). 벌집 미로 봉인

허니콤 래버린스 씰은 톱니가 서로 용접되어 복잡한 벌집 모양의 확장 챔버를 형성하는 것이 특징입니다. 이 디자인은 복잡한 3차원 미로 구조를 만듭니다.

이 씰 유형은 다른 구성에 비해 우수한 씰링 성능을 제공하며 특히 고압 원심 컴프레서의 밸런스 피스톤 씰과 같이 압력 차가 큰 응용 분야에 적합합니다.

허니콤 래버린스 씰은 제조 공정이 더 복잡하지만 우수한 씰링 성능을 갖춘 고강도 씰링 표면을 제공합니다. 허니콤 구조는 흐름 저항을 증가시킬 뿐만 아니라 누출 흐름에서 운동 에너지를 분해하고 소멸시켜 씰링 효과를 더욱 향상시킵니다.

5. 오일 씰

오일 씰은 컴팩트한 디자인, 비용 효율성, 낮은 유지보수 요구 사항, 최소 저항 토크가 특징인 자체 조임 립 씰입니다. 이 다용도 씰링 솔루션은 다양한 산업 분야에서 단순성과 효율성의 균형을 제공합니다.

오일 씰은 주로 시스템 내부에서 매체 누출을 방지하고 먼지나 기타 잠재적으로 유해한 입자와 같은 외부 오염 물질의 침입을 방지하는 두 가지 기능을 수행합니다. 씰의 립 디자인은 약간의 오정렬과 샤프트 런아웃에 적응하는 동적 인터페이스를 만들어 씰링 효과를 향상시킵니다.

오일 씰의 주목할 만한 특징 중 하나는 마모에 대한 자체 보상 능력이 제한적이라는 점입니다. 시간이 지남에 따라 립이 점진적으로 마모되면 씰의 고유한 설계로 인해 어느 정도 조정이 가능하여 특정 한도 내에서 씰링 무결성을 유지할 수 있습니다. 그러나 이러한 마모 보정 기능은 유한하므로 최적의 성능을 보장하기 위해 정기적인 점검 및 교체 일정을 실행해야 합니다.

오일 씰은 많은 저압 환경에서 탁월한 성능을 발휘하지만 고압 애플리케이션에는 적합하지 않습니다. 상대적으로 낮은 접촉 압력에 의존하는 립 디자인은 씰링 효과를 저하시키거나 마모가 가속화되지 않고는 상당한 차압을 견딜 수 없습니다.

이러한 특성으로 인해 오일 씰은 화학 펌프 내 저압 애플리케이션에서 자주 사용됩니다. 오일 씰은 압력 차가 크지 않은 상황에서 유체 누출과 환경 오염을 효과적으로 차단합니다. 일반적인 적용 분야로는 부식성 또는 민감한 유체를 취급하는 화학 처리 장비의 펌프 샤프트, 베어링 하우징 및 기어박스 씰링이 있습니다.

화학 펌프 애플리케이션용 오일 씰을 선택할 때는 화학물질 호환성, 온도 범위, 샤프트 속도, 예상 사용 수명 등의 요소를 신중하게 고려하여 씰과 씰이 보호하는 장비 모두의 성능과 수명을 최적으로 보장할 수 있도록 해야 합니다.

6. 파워 씰

작동 중에 화학 펌프의 보조 임펠러는 주 임펠러의 배출구에서 고압 유체의 균형을 맞추는 압력을 생성하여 효과적으로 동적 씰을 생성합니다. 이 파워 씰은 펌프의 회전 에너지를 활용하여 차압을 유지하므로 외부 씰링 부품 없이도 누출을 방지합니다. 그러나 펌프가 작동을 멈추면 보조 임펠러의 씰링 기능이 손상되므로 가동 중지 시간 동안 잠재적인 누출을 완화하기 위해 정적 파킹 씰을 구현해야 합니다.

보조 임펠러의 씰링 메커니즘은 단순하고 견고한 것이 특징입니다. 직관적인 설계로 마모를 최소화하고 기계적 고장 위험을 줄여 서비스 수명을 연장하는 데 기여합니다. 이러한 신뢰성은 일관된 성능이 중요한 화학 공정 분야에서 특히 유리합니다. 파워 씰의 유체 누출 방지 효과와 미립자 또는 연마성 불순물이 포함된 매체를 처리하는 능력은 까다로운 환경에서 작동하는 화학 펌프에 이상적인 선택입니다.

또한 씰링 무결성을 손상시키지 않고 부유 물질이 있는 유체를 관리할 수 있는 파워 씰의 성능은 특정 응용 분야에서 기존 기계식 씰에 비해 상당한 이점을 제공합니다. 이러한 특성은 펌프의 다용도성을 향상시킬 뿐만 아니라 유체 순도를 항상 보장할 수 없는 산업에서 유지보수 빈도 및 관련 다운타임 비용을 잠재적으로 줄일 수 있습니다.

7. 나선형 봉인

나선형 씰은 회전하는 기계 애플리케이션에 사용되는 정교한 동적 씰링 장치입니다.

회전하는 샤프트 표면이나 고정된 슬리브의 내경에 정밀 가공된 나선형 홈 패턴이 만들어집니다. 샤프트와 슬리브 사이의 간극 공간은 일반적으로 고점도 유체 또는 그리스와 같은 엄선된 씰링 매체로 채워집니다.

샤프트가 회전하면서 나선형 홈이 유체 역학적 펌핑 작용을 일으킵니다. 이는 압력 구배를 생성하여 고압 조건에서도 공정 유체의 누출을 효과적으로 방지합니다.

나선형 씰의 씰링 성능은 나선 각도, 피치, 지면 폭, 홈 깊이, 활성 씰 길이, 샤프트와 슬리브 사이의 방사형 간격 등 여러 기하학적 파라미터에 따라 크게 달라집니다. 이러한 매개변수는 특정 애플리케이션 요구 사항, 작동 조건 및 유체 특성에 따라 최적화되어야 합니다.

나선형 씰의 주요 장점 중 하나는 씰링 표면 사이의 마찰을 없애는 비접촉식 특성입니다. 따라서 마모가 최소화되고 작동 수명이 매우 길어 시스템의 다른 구성 요소보다 오래 지속되는 경우가 많습니다. 그러나 많은 소형 설계에서 나선형 패턴에 사용할 수 있는 축 길이가 제한되어 있어 고압 애플리케이션에서 씰링 효과가 제한될 수 있습니다.

나선형 씰은 회전 속도에 크게 의존한다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 속도가 감소하면 유체 역학적 펌핑 효과가 크게 감소하여 씰링 무결성이 손상될 수 있습니다. 이러한 특성은 특히 가변 속도 애플리케이션이나 빈번한 시작-정지 주기의 경우 시스템 설계 시 신중하게 고려해야 합니다.