Mechanical Seal 기본 원리

 

Mechanical Seal이라 함은 기계적 구조를 갖춘 Face Seal이 Shaft에 수직된 섭동면 으로 구성되어 한 면이 회전축과 함께 회전하며 스프링의 장력 혹은 유체의 압력으로 회전부의 밀봉을 지속적 으로 유지하는 축 밀봉장치이다.

 

 

Mechanical Seal 기본 원리

 

초기의 밀봉 장치로는 Elastomer Ring이나 Gland Packing 이용하여 누설방지를 하였으나 이러한 방법은 일정량의 누설을 허용하여야만 했다.

산업의 발달로 품질의 변화에 따라 운전조건이 고압, 고온 등의 고부하 상태에서 운전하여야 하는 기술을 요구함에 따라 그러한 조건에 사용할 수 있는 Seal을 개발하여 Mechanical Seal로 변천하였고 현재까지 계속 기술발전을 하고 있다.

Mechanical Seal은 유체나 Gas를 동반하여 회전하는 축과 Gland사이의 누설방지에 절대적인 것이며, 성공적인 누설방지는 유체의 유막 에서 결정 지어진다. 유막 형성은 사용하는 장비의 운전조건에 절대적인 영향이 있으며, 사용 유체의 Vaporization 온도 이하에서 사용되어야 한다.

Mechanical Seal의 가장 큰 장점은 거의 완벽한 누설방지와 사용중 축의 마모가 없다는데 있다. Mechanical Seal의 모든 마모 현상은 섭동면에서만 일어나며 Spring 장력에 의하여, 마모된 양만큼 자체 보상되며, 마모성 물질이 없는 한 섭동면의 Lapping 상태 및 밀착이 자체적으로 유지된다.

Mechanical Seal의 성능,수명 및 품질은 단순히 섭동면의 Lapping 상태에 의하여 결정지어지는 것이 아니며 각각의 부품요소 및 적용장비(설비)와 정확한 조화를 이루어야 최상의 품질및 성능을 발휘할수 있다.

Mechanical Seal은 다음 그림과 같이 Shaft와 회전하는 회전자, Casing과 고정되어 있는 고정자로 나뉘어지며 각각의 구성요소들은 다음 그림 2를 참조하라. 

 

<그림 1> Mechanical Seal 구성 요소(Source:https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/mechanical-seal)

 

 

Mechanical Seal 구조

Mechanical Seal은 다음 그림과 같이 Compression Ring, Collar, Set Screw, Drive Pin 등으로 구성되어 있으며, Shaft의 동력을 Seal Ring으로 전달하는 역할을 한다. 

 

<그림 2> Mechanical Seal 구조 

 

 

 

Mechanical Seal, Oil Seal, Gland packing의 차이점

 

구분	Mechanical Seal	Oil Seal	Gland Packing
구조	부품수가 많고 복잡하나, 부품의 정밀도 높음.	부품수가 적고 간소하나, 부품의 정밀도 낮음.	부품수가 적고 간소하나, 부품의 정밀도 낮음.
누설량	고압 조건에서도 누설이 방지되거나 최소로 억제할 수 있다.	아주 낮은 압력 에서는 사용가능 하나 1kg/㎠ 이상의 에서는 사용이 불가.	윤활을 위해서 100-299cc/Hr의 누설. 압력과 비례하여 Leakage 증가.
펌프	부품의 마모현상이 없음.	Shaft 의 마모가 발생 함.	Stuffing box와 Shaft에 직접 압력을 가하므로 마모현상이 발생 함.
동력	접촉면이 Seal face에 국한되며 마찰계수 적어 동력손실이 거의 없다.	Casing 외벽, Shaft와 접촉압력이 커서 접촉저항에 따른 동실동력이 많다.	Casing 외벽, Shaft와 접촉압력이 커서 접촉저항에 따른 동실동력이 많다.
보수	섭동면의 마모가 스프링장력, 유체의 압력에 의해 자동보상 되므로 인력손실이 없다.	시간과 더불어 Shaft 의 마모가 발생 하여 누설량이 증가 빠른 교체 필요	시간과 더불어 누설량이 증가하고 주기적으로 End plate의 조정이 필요하므로 인력손실 많다.
수명	수명이 길어 장기간 연속운전이 가능하고 별도의 점검기간이 불필요 하다	수명이 짧아 사용기간내 정기적인 보수가 필요하고 교환 및 점검기간이 필요	수명이 짧아 사용기간내 정기적인 보수가 필요하고 교환 및 점검기간이 필요
설치	초기 설치비는 높지만 Running cost가 낮고교체, 가동중단에 의한 Loss time 비용 없다	초기 금형비가 비싸며Shaft 의 마모가 발생 하여 Running cost가 비싸다	초기 설치비는 저렴하지만 Running cost가 대단히 비싸다(인건비, Loss time 비용)

 

Reference : KD Seal Tech 기술자료