Was ist ein Labyrinthsiegel und wie funktioniert es?

Austretende Flüssigkeiten und Gase in rotierenden Maschinen können zu katastrophalen Ausfällen und Ausfallzeiten führen. Labyrinthdichtungen kontrollieren diese Leckagen in Turbomaschinen effektiv, indem sie einen gewundenen Pfad schaffen, um den Flüssigkeitsfluss zu begrenzen. Diese berührungslosen Dichtungen bestehen aus einem rotierenden Element mit Zähnen und einem stationären Element mit Hohlräumen, die zusammenarbeiten, um Leckagen deutlich zu reduzieren.

Dieser Blogbeitrag bietet einen umfassenden Überblick über Labyrinthdichtungen und erläutert ihre Funktion, ihre Hauptkomponenten und die verschiedenen verfügbaren Typen.

Was ist ein Labyrinthsiegel?

Eine Labyrinthdichtung ist eine Art berührungslose Gleitringdichtung, die zur Kontrolle von Leckagen und zur Reduzierung des Verschleißes in rotierenden Geräten wie Turbinen, Kompressoren und Pumpen eingesetzt wird. Sie besteht aus einer Reihe kompliziert gestalteter Rillen oder Kanäle, die einen gewundenen Weg für die Flüssigkeit oder das Gas bilden und den Durchfluss effektiv einschränken, ohne dass es zu einem direkten Kontakt zwischen den rotierenden und stationären Komponenten kommt.

Wie Labyrinthdichtungen funktionieren

Der primäre Dichtungsmechanismus einer Labyrinthdichtung beruht auf der Erzeugung einer Reihe von Druckabfällen, während die Flüssigkeit durch die komplexen labyrinthartigen Passagen strömt. Wenn die Flüssigkeit in die Labyrinthdichtung eintritt, trifft sie auf eine Reihe abwechselnder Zähne oder Rippen auf den Rotor- und Statoroberflächen. Diese Zähne sind präzise gefertigt, um einen kleinen Abstand zwischen den rotierenden und stationären Komponenten aufrechtzuerhalten. Wenn die Flüssigkeit durch die engen Passagen fließt, erfährt sie plötzliche Ausdehnungen und Kontraktionen, was zu Turbulenzen und Flüssigkeitsscherung führt.

Die wiederholten Änderungen der Strömungsrichtung und die damit einhergehenden Turbulenzen führen dazu, dass die Flüssigkeit in jeder Labyrinthstufe an Geschwindigkeit und Druck verliert. Dieser Druckabfall erzeugt einen Dichtungseffekt und minimiert die Flüssigkeitsmenge, die durch die Dichtung austreten kann. Je komplizierter der Labyrinthpfad und je höher die Anzahl der Dichtungsstufen, desto höher die Dichtungseffizienz.

Komponenten eines Labyrinthsiegels

Rotierendes Element (Rotor)

Der Rotor ist die dynamische Komponente der Dichtung und ist normalerweise an der rotierenden Welle befestigt oder in diese integriert. Er verfügt über eine Reihe von Vorsprüngen oder Zähnen, die radial nach außen verlaufen und eine Seite des Labyrinthpfads bilden.

Stationäres Element (Stator)

Der Stator ist der nicht rotierende Teil der Dichtung und wird normalerweise im Gerätegehäuse montiert. Er verfügt über entsprechende Nuten oder Kanäle, die dem Profil des Rotors entsprechen und so den komplizierten Labyrinthpfad bilden.

Arten von Labyrinthdichtungen

Durchgehende Labyrinthdichtungen

Bei dieser Konstruktion sind die Zähne oder Lamellen am Rotor und Stator auf einem geraden Weg senkrecht zur Rotationsachse ausgerichtet. Wenn die Flüssigkeit durch jede durch die Zähne erzeugte Verengung fließt, erfährt sie einen Druckabfall und eine Geschwindigkeitszunahme, wodurch Leckagen reduziert werden. Durchgehende Konstruktionen sind einfacher herzustellen und eignen sich für Anwendungen mit geringeren Druckunterschieden.

Stufenlabyrinthdichtungen

Stufenlabyrinthdichtungen sind mit Zähnen oder Lamellen versehen, die gegeneinander versetzt sind, wodurch ein gewundenerer Weg für die Flüssigkeit entsteht. Die Flüssigkeit muss beim Durchströmen der Dichtung mehrmals die Richtung ändern, was Druck und Geschwindigkeit weiter reduziert. Diese Konstruktion bietet im Vergleich zu Durchgangsdichtungen eine bessere Dichtungsleistung und wird für Anwendungen mit höheren Druckunterschieden oder strengeren Dichtheitsanforderungen bevorzugt.

Material der Labyrinthdichtungen

1. Torlon PAI (Polyamidimid): Torlon PAI ist ein Hochleistungsthermoplast mit ausgezeichneter mechanischer Festigkeit, Steifheit und thermischer Stabilität. Es bietet eine gute Beständigkeit gegen Verschleiß, Kriechen und chemische Angriffe und eignet sich daher für Labyrinthdichtungen in anspruchsvollen Umgebungen. Torlon PAI-Labyrinthdichtungen können bei Temperaturen bis zu 275 °C (527 °F) betrieben werden und werden häufig in der Luft- und Raumfahrt, der Öl- und Gasindustrie sowie in der chemischen Verarbeitungsindustrie eingesetzt.
2. PEEK (Polyetheretherketon): PEEK ist ein teilkristalliner thermoplastischer Kunststoff, der für seine außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften, seine chemische Beständigkeit und seine thermische Stabilität bekannt ist. Labyrinthdichtungen aus PEEK halten Temperaturen bis zu 250 °C (482 °F) stand und bieten eine hervorragende Verschleißfestigkeit. PEEK-Dichtungen werden häufig in Umgebungen mit hohen Temperaturen, hohem Druck und chemisch aggressiven Einflüssen eingesetzt, wie sie in der Öl- und Gas-, Chemie- und Luftfahrtindustrie vorkommen.
3. Vespel PI (Polyimid): Vespel PI ist ein Hochleistungs-Polyimidmaterial, das hervorragende thermische Stabilität, chemische Beständigkeit und Dimensionsstabilität bietet. Labyrinthdichtungen aus Vespel PI können bei Temperaturen bis zu 300 °C (572 °F) betrieben werden und bieten hervorragende Verschleißfestigkeit und geringe Reibung. Diese Dichtungen werden häufig in der Luft- und Raumfahrt, Halbleiterindustrie und Hochtemperatur-Industrieanwendungen eingesetzt.
4. Fluorosint (verbessertes PTFE): Fluorosint ist ein verbessertes Polytetrafluorethylen (PTFE)-Material, das die Reibungs- und Chemikalienbeständigkeitseigenschaften von PTFE mit verbesserter mechanischer Festigkeit und Verschleißfestigkeit kombiniert. Labyrinthdichtungen aus Fluorosint können bei Temperaturen bis zu 260 °C (500 °F) eingesetzt werden und bieten eine hervorragende Dichtleistung in chemisch aggressiven Umgebungen. Diese Dichtungen werden häufig in der chemischen Verarbeitung sowie in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie und der Pharmaindustrie eingesetzt.