أختام المتاهة توازن فروق الضغط العالية في التوربينات والضواغط بتقسيمها إلى خطوات أصغر وأكثر سهولة في التحكم. فبدلاً من التعامل مع انخفاض ضغط هائل دفعة واحدة، تستخدم هذه الأختام أسنانًا وحجيرات حادة متعددة لتقليل الضغط تدريجيًا مع الحد الأدنى من التسرب. إنها أساس الآلات التوربينية، نظرًا لبساطتها وموثوقيتها، وقدرتها على تحمل السرعات ودرجات الحرارة القصوى دون أن تتآكل.
آلية ضبط الضغط
تُقسّم أختام المتاهة انخفاض الضغط الكبير إلى عدة انخفاضات أصغر عن طريق دفع السائل عبر سلسلة من الفجوات الضيقة تحت أسنان حادة. يعمل كل سن كمُخنق صغير يُسرّع السائل ويُحوّل الضغط إلى طاقة حركية. بعد مروره تحت السن مباشرةً، يتمدد السائل إلى تجويف حيث تتبدد سرعته على شكل اضطراب وحرارة.
هذا النهج التدريجي يعني أن كل سنٍّ لا يتحمل فرق الضغط بأكمله. يُوزّع إجمالي انخفاض الضغط على جميع الأسنان، بحيث يأخذ كلٌّ منها جزءًا مناسبًا. في النهاية، ستحصل على سلسلة من درجات الضغط بدلًا من جرف ضخم واحد.
مجموع هذه الانخفاضات الفردية في الضغط يساوي فرق الضغط الكلي الذي يتحكم فيه الختم. يشبه الأمر نزول الدرج بدلاً من القفز من مبنى - تصل إلى نفس المكان ولكن بأمان أكبر.
توزيع الضغط والحمل على الأسنان
انخفاض الضغط عبر ختم المتاهة ليس متساويًا تمامًا - فالسنّ الأول الأقرب إلى جانب الضغط العالي غالبًا ما يكون الأكثر تضررًا. أحيانًا، قد يتعرّض سنّ واحد لما يقارب نصف فرق الضغط الإجمالي، مما يُرهق السنّ ويُقلّل من فعاليته. هذا التوزيع غير المتساوي هو سبب إضافة المصممين المزيد من الأسنان لتوزيع الحمل.
مع وجود عدد كافٍ من الأسنان، لا يحتاج كل منها إلا إلى تحمل جزء صغير من الضغط الكلي. هذا يحمي كل سن على حدة من الضغط الزائد ويجعل الختم بأكمله أكثر متانة. كما أن القطرات المتدرجة تقلل من قوة دفع السائل عبر أي فجوة، مما يُوازن الضغط بفعالية بزيادات معقولة.
عناصر التصميم لتقليل الضغط بشكل فعال
- عدد الاسنان:زيادة عدد الأسنان تُؤدي إلى انخفاض أكبر في الضغط وتسرب أقل - وهو العامل الأهم في أداء الختم. تُظهر الدراسات أن عدد الأسنان له تأثير أقوى على التسرب من الخلوص أو حجم السن. تحتاج إلى عدد كافٍ من الأسنان لتوزيع الضغط بأمان (عادةً من 10 إلى 20 سنًا لتطبيقات الضغط العالي)، ولكن إضافة عدد كبير جدًا يُقلل من العائد ويشغل مساحة كبيرة.
- هندسة الأسنانالأسنان الحادة والرفيعة الشبيهة بالسكين هي الأفضل، لأنها تُعزز فصل التدفق وتُنشئ دوامات أكبر في اتجاه مجرى الماء. كما أن ارتفاع الأسنان وتباعدها (درجة ميلها) مهمان أيضًا، فالأسنان الطويلة تُنشئ تجاويف أعمق لتمدد أفضل، بينما تُتيح التباعدات الضيقة مساحة أكبر للأسنان ضمن طول مُحدد.
- إزالة الختم:تُهيمن الفجوة بين أطراف الأسنان والسطح المُقابل على أداء التسرب - إذ يُمكن لمضاعفة الخلوص أن يزيد التسرب ثمانية أضعاف. تبلغ الخلوصات النموذجية جزءًا من ألف من البوصة فقط، وبقاعدة عامة، تُقدّر الخلوص بحوالي 0.001 بوصة لكل بوصة من قطر العمود.
- تصميم التجويفتسمح التجاويف الأوسع والأعمق بتمدد تدفق أفضل ودوامات إعادة تدوير أكبر، مما يقلل من الطاقة الحركية. إذا كانت التجاويف ضحلة جدًا، فإن النفث عالي السرعة ينطلق منها بأقل خسارة، مما يقلل من فعالية السن التالي. تتضمن بعض التصاميم بطانات قرص العسل أو مكابح دوامية في التجاويف لزيادة الاضطراب وتحسين الاستقرار.
- التكوين المستقيم مقابل التكوين المتدرجالمتاهات المتدرجة (بأقطار متناوبة أكبر وأصغر) تُقلل التسرب بنسبة تصل إلى 30% مقارنةً بالتصاميم المستقيمة. فهي تُنشئ تجاويف غير متماثلة تُسبب اضطرابًا إضافيًا وانخفاضًا أعلى في الضغط في كل مرحلة. يختار المصممون الأختام المتدرجة عندما تكون الخلوصات أكبر أو عند التعامل مع نسب ضغط شديدة، على الرغم من أن تصنيعها أكثر تعقيدًا.
