서론 - 목차 - 1. Mechanical seal 의기본원리 2. Mechanical seal 의구성요소 2-1 구성요소 2-2 섭동면 2-3 PACKING 2-4 CARBON 3. Mechanical seal의분류방법 3-1 양산용, 산업용 3-2 인사이드아웃사이드씰 3-3 밸런스, 언밸런스 (Balance, Unbalance) 3-4 싱글씰과더블씰 3-5 회전형, 정지형 (Rotary seal, Stopping seal) 3-6 스프링의형상에따른분류및장단점비교.
- 서론 - 이자료는 Mechanical Seal의이해를돕기위해쓰여진자료로가급적전문용어를피하고그림과도면을첨부하여쉽게보고이해할수있도록구성하였습니다. 특히, 제품을사용하는 User( 사용자 ) 의입장에서구성하였으므로복잡한계산식은배제하고가장기본적인사례를곁들였습니다. 보다상세한기술적자료는안모산업으로문의 [02-444-2262] 하시기바랍니다. 1. 메카니칼씰의기본원리 면접촉식밀봉장치로회전축 (Shaft) 에수직된 2개의섭동면 ( 고정자, 회전자 ) 으로구성되어한면이회전축과함께회전하며스프링의장력혹은유체의압력으로회전부의밀봉을지속적으로유지하는장치이다. Mechanical seal은회전축의누설방지에절대적으로필요한장치이며 Seal face의윤활은자체적으로형성되는유체막 (0.025μ-0.25μ) 에의해이루어진다. 누설경로 -1 누설경로 -1 누설경로 -2 누설경로 -2 상기그림은메카니칼씰의누설경로를보여주는구성한것입니다
2. Mechanical Seal 의구성요소 2-1. 구성요소 (1) Floating ring(mating ring, Cup gasket) packing... 고정자패킹 (2) Floating ring(mating ring, Cup gasket)... 고정자섭동면 (3) Primary seal ring(rotary seal ring, Rotor)... 회전자섭동면 (4) Secondary seal ring(rotary packing)... 회전자패킹 (5) Spring... 스프링 (6) Bellows(Rubber, Teflon, Metal)... 벨로우즈 Description / 부분품명칭 양산용부분품명칭 산업용부분품명칭 1 Lip ring Packing 2 Floating ring Floating ring 3 Primary seal ring Primary seal ring 4 Round case Secondary seal ring 5 PACKING Holder 6 Secondary seal ring Collar 7 One coil spring Set screw ** 동일한기능을수행하는부분품일경우라도양산품에적용되는부분품의명칭과 산업용에적용되는부분품의명칭은상이하게사용된다.
2-2. 섭동면 (Seal ring / Seal face) 메카니칼씰은가동중어떠한경우라도공회전을해서는안되며섭동면에자연적인유체막의형성이불가능한경우에는인위적인 ( 강제 ) 유제막이형성되도록해주어야한다. 섭동면에의한누설은섭동변의재질, 유체의점도, 비중, 압력, 축 (Shaft) 의크기, 회전속도등의조건에의해결정되며섭동면의평면도가 3 Bands(0.087 μm) 이하를유지하면시각적인누설은방지된다. * 평탄도는 Optical plate 라는전용검사장비를이용해검사한다. 섭동면 (Seal face) 의구성재질및마찰계수비교표 고정자 ( 고정부 ) 재질 회전자 ( 회전부 ) 재질 마찰계수 SiC (Silicon Carbide) Carbon, Graphite 0.01 SiC (Silicon Carbide) SiC(Silicon Carbide) 0.02 SiC (Silicon Carbide) Ceramic 0.12 TC (Tungsten Carbide) Carbon, Graphite 0.02 TC (Tungsten Carbide) TC(Tungsten Carbide) 0.03 Ceramic Carbon, Graphite 0.03 Ceramic Copper alloy 0.14 Stellite (coating) Carbon, Graphite 0.07 ** 섭동면의재질구성은유체의부식성, 사용온도, 마모성물질의함유정도등이고려되며제품을구성하는재질에따라구성제품의가격에상당한영향을미친다.
2-3. Packing (1) 고정자의패킹 : 오링 ( 원형의링 ), 사각링, 테프론류의오링혹은각링이사용되며고정자가장착되는 Gland, Casing, Housing등에서고정자의직각도를보상해줄수있을정도의 Flexbility( 유연성 ) 가있는상태로장착된다. (2) 회전자의패킹 : 섭동면다음으로주용한부분으로 Secondary seal ring으로지칭되며 Shaft의기울기를일부보상할수있도록유연성 (Flexibility) 이있는재질과형상으로구성되어고정자와직각도가유지된평면접촉이되도록한다. * 내식성 ( 화학성 ), 내열성 ( 고온 ) 의유체에많이사용이되는딱딱한테프론재질의패킹은소재의발달로유연성과작업성을대폭향상시킨고무재질이나엔지니어링플라스틱소재로급속히전환되고있는추세다. (3) 패킹의형상 ( 고정자, 회전자 ) Rubber bellows V Packing Wedge ring O-Ring Square ring Lip ring 고정자의 Packing 형상 : O-Ring, Square ring type이주로사용된다. 회전자의 Packing 형상 : O-Ring, V Packing, Wedge ring, Bellows type이주로사용된다.
2-4. Carbon Carbon 소재는 Mechanical seal을구성하는가장핵심적인소재로적용범위가대단히광범위하다. 공업용수펌프, 화학펌프, 섬유, 염색, 식음료, 제지공업용등각종펌프용메카니칼씰의고정또는회전씰로사용되며내식성, 내열성, 내마모성, 자기윤활성이있고열충격에강한것이특징이다. 펌프의압력, 써비스액등상대재질의종류에따라재질을추진하고있습니다. 3. Mechanical Seal 의분류방법 3-1. 대분류 : 양산용, 산업용 (1) 양산용 Press 응용제품과 Rubber 응용제품을금형 (Mould) 을이용하여대량생산하는제품. (EP), 세계수준의 Carbon, Graphite Seal ring재가결합된제품으로가정용온수순환펌프로부터수중펌프 (FKD), 오. 폐수펌프 (FKS, FK-1), 냉동기콤프레셔 (NDS), 고속엔진양수기, 고속엔진분무기 (EP), 자동차쿨링워터펌프, 절삭유이송펌프 (A4C,C2C), 선박엔진용 (BMS), 농ㆍ공업급수펌프, 내산 (Acid) 용, 내알카리 (Alkali) 용등까지다양하게생산하고있다. * 내식성 ( 내화학성 ) 소재의급속한발달로많은부분의산업용제품이양산화된고품질의일반제품으로급속하게대체되고있으며표준화, 대량생산으로값싸게공급되고있다. 양산제품의기준은생산량의다ㆍ소 ( 多ㆍ少 ) 에의한것이아니고 Mould를적용한규격화, 표준화를통한대량생산제품을의미한다.
신소재의개발과제작기술의향상으로양산용 Seal이부식성유체 ( 산, 알카리 ) 에서의사용이가능하며광범위하게산업용에확산적용되고있다. Mold를이용해양질의제품을대량생산품질이우수하고적용범위가대단히넓다. 납기가빠르고가격이대단히저렴하다. (ISO 3069 / DIN 24960 / KS B 1566 기준 ) (2) 산업용 (Process Pump 용 ) 부식성유체, Gas 등의유체이송에장착되는제품으로내마모성, 내식성이탁월한소재가주로사용되며석유화학, 제철ㆍ제강, 원자력발전소등에적용된다. * 통상적으로 Single Seal type을사용하고맹독, 인체에유해한유체, 자체윤활이어려운구조일경우에는 Double seal을사용하여유체가외부로누출되는것을막고누설된유체를희석시킬수있는별도의장치를추가하는방법을채택한다. * 유독성, 부식성이강한유체는비산되지않도록 Gland cover flange에 Bushing이나 Packing을설치하고누설액의결정분이섭동면의주위에남아있지않도록 Clean water quenching을한다.
3-2. 인사이드, 아웃사이드 (Inside, Outside) 유체의압력이작용되는방향에의해결정된다. (1) Inside ( 인사이드 ) 유체의누설압력이 Seal의외부 (Outside) 에서내부 (Inside) 로작용되는형상으로통상적으로유체의압력이섭동면을닫히게하는방향으로작용하는구조. ( 예외 : 고정형 Seal 을적용하는경우에는섭동면이열리는방향 ) (2) Outside ( 아웃사이드 ) 유체의누설압력이 Seal의내부 (Inside) 에서외부 (Outside) 로작용되는형상으로유체의압력이섭동면을열리게하는방향으로작용하는구조. * 인체에유해한화학성유체나보수의편의성에의해사용되며, 저압에서주로사용. *Outside seal은 Inside seal에비해안정성이떨어지며 Seal face가열리면원상복귀가어려운구조로내식성이강한소재 (Taitanium, Hastelloy C / Ceramic, Silicon Carbide) 의개발로대부분 Inside seal로교체되거나 Cartridge Seal 사용.
3-3. 밸런스, 언밸런스 (Balance, Unbalance) (1) 밸런스 ( Balance ) 축 (Shaft) 이이중의단으로구조가복잡하고슬리브 (Sleeve) 를사용하여야한다. 가. Stuffing box 내압력이 10 bar 이상일때적용한다. 나. Radial방향면적배치에의하여섭동면쪽으로작용하는유체의압력이상쇄되는설계로효과적인누설방지를할수있는최저면압이선택되는형상. 다. 최고 80 bar 까지사용이가능하다. 라. API 610 규정에의하면 Process 용은 Balance type 을권장하고있다. (2) 언밸런스 ( Unbalance ) 축의외경이평탄하며 Stuffing box내압력이 10 bar 이하일때적용한다. 가. 섭동면의접촉압력이유체의압력보다크거나같은구조로작용하는형상. 나. 샤프트의구조가굴곡이없이일자형으로구성된형상 3-4. 싱글씰, 떠블씰 (Single seal, Double seal) (1) Single seal( 싱글씰 ) 한쌍의 Seal face( 고정자, 회전자 ) 을지니고섭동면에윤활성유체를부여해줄수있는환경에서 Stuffing box내의유체로 Cooling, Flushing 할수있는경우에사용한다.
(2) Double seal( 더블씰 ) 두쌍의 Seal face을지니고있는이중구조 가 ) 섭동면에적절한윤활성유체를부여해줄수없는환경에서인위적인조치를해줄필요성이있거나나 ) 서로다른두종류의유체를동시에누설방지케해주거나다 ) 마모성유체에서안정성과 Life cycle을증대시킬필요가있을때사용. Double seal 의대표적인형상 (1)Back to back type 사용유체가결정화되거나대기와접촉하여급격히산화될때, 유체내부에마모성 Slurry가많아안전성의증가를필요로할때, 사용유체와구분되는별개의 Sealant를 1 bar 이상높게하여두섭동면사이에 Circulation 시키는형상.( 통상적인 Double Seal type) (2)Tandom seal type 고압의유체를 Sealing 할때압력강하를목적으로설치하는형상. Balance seal type 을사용한다. B ack to B ack seal T a n d o m s e a l
3-5. 회전형, 정지형 (Rotary seal, Stopping seal) (1) 회전형씰 : 회전자 (Primary seal ring) 에스프링이장착되는형상으로대부분의 Mechanical seal이여기에속하며통상 3,600 rpm이하에서사용한다. (2) 고정형씰 : 고정자 (Floating ring) 에스프링이장착되는형상으로 Impeller등의회전체에 Spring장치부가장착되는형상으로고속회전에사용되며고정자회전자모두 Shaft의간섭을받지않는구조로고속엔진분무기 (12,000 rpm), 엔진양수기 (4,200 rpm), 자동차 ( 트랙타 ), 선박엔진의연료펌프 (4,600 rpm 12,000 rpm) 등에사용된다. * 회전형씰과고정형씰의사용범위 회전수 (rpm) 5,000 4,000 3,000 고정형 Seal 사용범위 Multi Spring 사용한계 Coil Spring 사용한계 2,000 1,000 회전형 Seal 사용범위 20 40 60 80 100 Shaft DIA(mm) 120 140 160 180 200
3-6. 스프링의형상에따른분류및장단점비교. (1) 싱글스프링 (Single spring, One coil spring, Mono spring) (2) 멀티스프링 (Multi spring) (3) 웨이브스프링 (Wave spring) (4) 벨로즈 (Bellows) * 내식성소재 (Titanium, Hastelloy C 등 ) 의발달로부식성유체 ( 강산, 알카리등 ) 에서도 Multi spring, Wave spring등이폭넓게사용된다. *Bellows는 Rubber( 고무 ), PTFE( 테프론 ), Cupper( 동 ), Metal( 금속 ) 등이사용된다.