Sellos de laberinto Equilibran las altas diferencias de presión en turbinas y compresores dividiéndolas en pasos más pequeños y manejables. En lugar de gestionar una caída de presión masiva de una sola vez, estos sellos utilizan múltiples dientes afilados y cámaras para reducir gradualmente la presión, minimizando las fugas. Son los caballos de batalla de la turbomaquinaria porque son simples, confiables y pueden soportar velocidades y temperaturas extremas sin desgastarse.
Mecanismo de estadificación de la presión
Los sellos laberínticos dividen una gran caída de presión en muchas gotas más pequeñas al forzar el paso del fluido a través de una serie de estrechos espacios bajo dientes afilados. Cada diente actúa como un pequeño acelerador que acelera el fluido y convierte la presión en energía cinética. Justo después de pasar bajo un diente, el fluido se expande en una cavidad donde su velocidad se disipa en forma de turbulencia y calor.
Este enfoque por etapas implica que ningún diente tiene que soportar toda la diferencia de presión. La caída de presión total se distribuye entre todos los dientes, y cada uno absorbe una porción manejable. El resultado es una serie de pasos de presión en lugar de un único precipicio.
La suma de todas estas caídas de presión individuales equivale a la diferencia de presión total que gestiona el sello. Es como bajar escaleras en lugar de saltar de un edificio: se llega al mismo lugar, pero con mucha más seguridad.
Distribución de la presión y carga en los dientes
La caída de presión a través de un sello laberíntico no es perfectamente uniforme: el primer diente más cercano al lado de alta presión suele ser el más afectado. A veces, un solo diente puede soportar casi la mitad de la diferencia de presión total, lo que lo somete a tensión y reduce su eficacia. Esta distribución desigual es la razón por la que los diseñadores añaden más dientes para distribuir la carga.
Con suficientes dientes, cada uno solo necesita soportar una pequeña fracción de la presión total. Esto protege a cada diente de una tensión excesiva y aumenta la durabilidad del sello. Las gotas escalonadas también reducen la fuerza que empuja el fluido a través de cualquier espacio, equilibrando eficazmente la presión en incrementos manejables.
Elementos de diseño para una reducción eficaz de la presión
- Numero de dientesUn mayor número de dientes genera mayores caídas de presión y menos fugas; es el factor más importante en el rendimiento del sello. Los estudios demuestran que el número de dientes influye más en las fugas que la holgura o el tamaño de los dientes. Se necesitan suficientes dientes para distribuir la presión de forma segura (normalmente de 10 a 20 para aplicaciones de alta presión), pero añadir demasiados produce rendimientos decrecientes y ocupa demasiado espacio.
- Geometría del dienteLos dientes afilados, delgados y afilados funcionan mejor porque promueven la separación del flujo y crean vórtices más grandes aguas abajo. La altura y el paso de los dientes también son importantes: los dientes más altos crean cavidades más profundas para una mejor expansión, mientras que un espaciamiento más estrecho permite que quepan más dientes en una longitud determinada.
- Holgura del selloLa holgura entre las puntas de los dientes y la superficie opuesta determina el rendimiento en cuanto a fugas: duplicar la holgura puede aumentarla ocho veces. Las holguras típicas son de apenas milésimas de pulgada, siendo una regla general de aproximadamente 0.001″ de holgura por pulgada de diámetro del eje.
- Diseño de cavidadLas cavidades más anchas y profundas permiten una mejor expansión del flujo y vórtices de recirculación más grandes, lo que elimina más energía cinética. Si las cavidades son demasiado superficiales, el chorro de alta velocidad se dispara con mínima pérdida, lo que reduce la eficacia del siguiente diente. Algunos diseños incluyen revestimientos de panal o frenos de remolino en las cavidades para aumentar la turbulencia y mejorar la estabilidad.
- Configuración recta vs. escalonadaLos laberintos escalonados (con diámetros alternados mayores y menores) pueden reducir las fugas hasta en un 30 % en comparación con los diseños de paso recto. Crean cavidades asimétricas que inducen turbulencia adicional y mayores caídas de presión por etapa. Los diseñadores eligen sellos escalonados cuando se requieren holguras mayores o cuando se manejan relaciones de presión extremas, aunque su fabricación es más compleja.
