في مجال تقنيات الختم، أختام الفرشاة و أختام المتاهة حلّان مختلفان يُستخدمان للتحكم في تسرب السوائل والحفاظ على فروق الضغط في الآلات الدوارة. ورغم أن كلاهما يُؤدي وظيفة الختم، إلا أن تصميميهما وموادهما وخصائص أدائهما تختلف اختلافًا كبيرًا.
ستتناول هذه المقالة تعقيدات الفرشاة الأختام وأختام المتاهة، ومقارنة هياكلها وتطبيقاتها وفعاليتها في مختلف البيئات الصناعية.
ما هو ختم الفرشاة
ختم الفرشاة هو نوع من ختم آلي يستخدم هذا النظام مجموعة كثيفة من الشعيرات، مصنوعة عادةً من الفولاذ المقاوم للصدأ، لإنشاء آلية إحكام مرنة بين المكونات الثابتة والدوارة في الآلات التوربينية. الشعيرات مائلة باتجاه الدوران، مما يسمح بواجهة إحكام مرنة تستوعب الحركة الشعاعية وانحرافات العمود مع الحفاظ على الحد الأدنى من الخلوص. يُمكّن هذا التصميم الفريد أختام الفرشاة من توفير إحكام فعال حتى في ظل فروق الضغط العالية وسرعات الدوران.
تتميز أختام الفرشاة بمزايا عديدة مقارنةً بأختام المتاهة التقليدية. تتوافق مجموعة الشعيرات مع سطح الدوار، مما يقلل من فجوات التسرب ويخفض تدفق التسرب. كما أن مرونة الشعيرات تسمح بتكيف أفضل مع ديناميكيات الدوار، والنمو الحراري، وعوامل التشغيل الأخرى. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام أختام الفرشاة مع أختام المتاهة أو تقنيات أخرى لتحسين أداء الختم.
توسّع استخدام أختام الفرشاة في مختلف الصناعات، بما في ذلك التوربينات البخارية والغازية ومحركات الطيران. في تطبيقات التوربينات البخارية، تُقلّل أختام الفرشاة بشكل كبير من تسرب البخار، مما يُحسّن الكفاءة العامة للآلات ويُقلّل من خسائر البخار المُكلفة. كما تُستخدم أختام الفرشاة في التوربينات الغازية الصناعية والمحركات النفاثة لتقليل تسرب تدفق الهواء، مما يُحسّن من كفاءة التشغيل.
ما هو ختم المتاهة
ختم المتاهة هو نوع من الفقمات غير التلامسية، يستخدم سلسلة من الممرات المعقدة الشبيهة بالمتاهة لإنشاء مسار معوج لتدفق السوائل. يتكون الختم من سلسلة من أسنان أو زعانف المتاهة مرتبة بنمط محدد، حيث يُحدث كل سن انخفاضًا طفيفًا في الضغط. أثناء مرور السائل عبر المتاهة، يتعرض لسلسلة من التمددات والتقلصات، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في الضغط عبر الختم.
تعتمد أختام المتاهة على مبدأ إحداث انخفاضات ضغط متعددة لتقليل تسرب التدفق. وتعتمد فعالية أختام المتاهة على عوامل مثل عدد أسنان المتاهة، وهندستها، والمسافة الفاصلة بين المكونات الدوارة والثابتة. صُممت هذه المسافة لتكون صغيرة قدر الإمكان مع ضمان التشغيل الآمن ومراعاة عوامل مثل التمدد الحراري وديناميكيات الدوار.
من أهم مميزات أختام المتاهة هي طبيعتها غير الملامسة، مما يقلل من التآكل على سطح الدوار ويمتد حياة الفقمةتتميز أختام المتاهة بتصميمها البسيط نسبيًا، وسهولة تصنيعها وصيانتها. ومع ذلك، فهي حساسة لتغيرات الخلوص، وقد تتعرض لتسريب متزايد إذا أصبح الخلوص كبيرًا جدًا بسبب التآكل أو ظروف التشغيل.
تُستخدم أختام المتاهة في مختلف الآلات الدوارة، مثل التوربينات البخارية والغازية والضواغط. وغالبًا ما تُستخدم مع تقنيات أخرى للأختام، مثل أختام الفرشاة أو الأختام القابلة للتآكل، لتوفير حل شامل للأختام.
الاختلافات الرئيسية بين ختم الفرشاة وختم المتاهة
آلية الختم
تتكون أختام الفرشاة من شعيرات كثيفة، مصنوعة عادةً من الفولاذ المقاوم للصدأ، تُشكل واجهة إحكام مرنة. تنثني الشعيرات وتتكيف مع حركات الدوار، مما يُحافظ على خلوص دقيق.
في المقابل، تعتمد أختام المتاهة على سلسلة من الأسنان الصلبة أو حواف السكاكين التي تُشكّل مسارًا متعرجًا لتدفق السوائل. ولا تحتوي أختام المتاهة على عنصر إحكام مرن مثل أختام الفرشاة.
تواصل معنا
أختام الفرشاة هي أختام تلامسية، أي أن الشعيرات تُلامس سطح الدوار بشكل خفيف. يسمح هذا التلامس لأختام الفرشاة باستيعاب حركات الدوار واهتزازاته مع الحفاظ على إحكام فعال.
من ناحية أخرى، تُعدّ أختام المتاهة أختامًا غير تلامسية. تحافظ على مسافة صغيرة بين أسنانها والدوار، معتمدةً على انخفاض الضغط عبر مسار المتاهة لتقليل التسرب.
تقليل التسرب
توفر مانعات التسرب الفرشاة تقليلًا فائقًا للتسرب مقارنةً بمانعات التسرب المتاهية. تتوافق مجموعة الشعيرات المرنة مع الدوار، مما يقلل من فجوات التسرب. يمكن لمانع تسرب فرشاة واحد أن يقلل التسرب بنسبة تصل إلى 90% مقارنةً بمانعات التسرب المتاهية التقليدية.
على الرغم من فعالية أختام المتاهة، إلا أنها تعاني من تسربات متأصلة بسبب الخلوص بين أسنانها والدوار. يزداد التسرب في أختام المتاهة بمرور الوقت مع زيادة الخلوصات بسبب التآكل والنمو الحراري.
المتانة
تتميز أختام المتاهة عادةً بمتانة أعلى مقارنةً بأختام الفرشاة. فتصميمها الهندسي الصلب يجعلها مقاومة للتآكل والتلف.
تتعرض أختام الفرشاة، بسبب طبيعتها الملامسة، للتآكل بمرور الوقت عندما تحتك الشعيرات بسطح الدوار.
نطاق درجة حرارة
يمكن لكلٍّ من أختام الفرشاة وأختام المتاهة العمل في نطاق واسع من درجات الحرارة. ومع ذلك، تتميز أختام الفرشاة بميزة طفيفة في تطبيقات درجات الحرارة العالية. شعيرات أختام الفرشاة، المصنوعة عادةً من سبائك فائقة أساسها الكوبالت أو النيكل، تتحمل درجات حرارة تصل إلى 800 درجة مئوية (1,472 درجة فهرنهايت). أما أختام المتاهة، حسب المادة المستخدمة، فيمكنها العمل في درجات حرارة تصل إلى حوالي 650 درجة مئوية (1,200 درجة فهرنهايت). إن مرونة أختام الفرشاة تسمح لها بتحمّل النمو الحراري بشكل أكثر فعالية من أختام المتاهة الصلبة.
ذكية ومتخصصة
تُستخدم أختام الفرشاة وأختام المتاهة في مختلف الآلات التوربينية، بما في ذلك التوربينات البخارية والغازية والضواغط والمضخات. تُعد أختام الفرشاة فعالة بشكل خاص في التطبيقات ذات فروق الضغط العالية، مثل التوربينات البخارية. ختم الغدة وختم حوض محامل توربينات الغاز. كما تُستخدم مع أختام المتاهة لتحسين أداء الختم العام.
تُستخدم أختام المتاهة على نطاق واسع في التطبيقات ذات فروق الضغط المنخفضة، حيث يُفضّل استخدام أختام غير تلامسية. تُستخدم عادةً في أختام الشواحن التوربينية، وأختام حلقات الضاغط، وأختام بين المراحل في التوربينات والضواغط.
