¿Qué es un sello laberíntico y cómo funciona?

En la industria de la maquinaria, un sellado inadecuado puede provocar fugas, contaminación y reducción del rendimiento, lo que resulta en costosos tiempos de inactividad y reparaciones.

Los sellos laberínticos ofrecen una solución de sellado robusta y sin contacto que aborda estos desafíos. Al utilizar una ruta compleja de componentes entrelazados y aprovechar la fuerza centrífuga y la turbulencia, los sellos laberínticos minimizan eficazmente las fugas y mantienen un rendimiento óptimo en diversas aplicaciones.

En este artículo, analizaremos en profundidad los detalles de los sellos laberínticos, sus componentes, principios de diseño y tipos. También analizaremos los materiales utilizados en su construcción, sus principales ventajas con respecto a otros métodos de sellado y sus diversas aplicaciones en distintas industrias.

¿Qué es un sello de laberinto?

Un sello laberíntico es un tipo de sello mecánico sin contacto diseñado para controlar las fugas y reducir las diferencias de presión entre dos áreas en diversas aplicaciones de equipos rotativos. Consiste en una serie de dientes o ranuras entrelazadas dispuestas en un patrón complejo, similar a un laberinto, entre un componente rotatorio (rotor) y un componente estacionario (estator).

El intrincado diseño del laberinto crea un camino arduo para que los fluidos o gases naveguen, lo que restringe significativamente su flujo de un lado del sello al otro. A medida que el medio intenta pasar a través del sello, se encuentra con múltiples cambios de dirección, contracciones y expansiones. Esta ruta tortuosa, combinada con los efectos de dinámica de fluidos, es lo que permite que los sellos laberínticos minimicen eficazmente las fugas.

Componentes de los sellos laberínticos

• Rotor:El rotor es la parte giratoria del conjunto de sello laberíntico. Normalmente está unido o integrado al eje que se debe sellar. El rotor tiene una serie de dientes o crestas que se entrelazan con el componente del estator.
• Estator:El estator es la parte estacionaria del sello laberíntico, generalmente fijado a la carcasa o caja que rodea el eje giratorio. Al igual que el rotor, el estator tiene una serie de dientes o crestas que corresponden a los del rotor, creando un camino complejo para el fluido o gas que se está sellando.
• Dientes entrelazados:Los dientes entrelazados son los principales elementos de sellado en un sello laberíntico. Estos dientes, presentes tanto en el rotor como en el estator, crean una serie de pequeñas holguras o huecos que dificultan el paso del fluido o gas.
• Surcos:Las ranuras son los espacios entre los dientes entrelazados del rotor y el estator. Estas ranuras crean un camino tortuoso para el fluido o gas, obligándolo a navegar a través de múltiples vueltas y cambios de dirección.
• Cámaras:Los sellos laberínticos suelen tener cámaras o cavidades entre los dientes del rotor y del estator. Estas cámaras actúan como espacios de expansión para el fluido o gas, lo que le permite perder presión y velocidad a medida que se mueve a través del sello.
• Crestas:Además de los dientes entrelazados, los sellos laberínticos pueden incorporar crestas o aletas en las superficies del rotor o del estator. Estas crestas interrumpen aún más el flujo del fluido o del gas, lo que crea turbulencia y resistencia adicionales.

Cómo funcionan los sellos laberínticos

Los sellos laberínticos evitan la fuga de fluido al crear un camino tortuoso que dificulta la salida del fluido. A medida que el fluido ingresa al sello laberíntico, se encuentra con una serie de cámaras formadas por los dientes entrelazados en los componentes del rotor y el estator.

Dinámica de fluidos

El fluido se ve obligado a navegar a través de estas estrechas cámaras, perdiendo energía cinética con cada giro. Esta pérdida de energía se produce debido a la fricción y la turbulencia generada dentro de las cámaras. A medida que el fluido avanza más profundamente en el laberinto, su presión y velocidad disminuyen sustancialmente.

Turbulencia

Los cambios repentinos en la dirección y velocidad del fluido a medida que navega por el laberinto generan un flujo turbulento, que impide aún más la capacidad del fluido de filtrarse a través del sello. La turbulencia también promueve la mezcla de partículas de fluido, disipando su energía y reduciendo el flujo general. tasa de fuga.

Fuerzas centrífugas

A medida que el rotor gira, aplica una fuerza centrífuga a las partículas de fluido que intentan atravesar el sello. Esta fuerza aleja las partículas de fluido del centro de rotación y las dirige hacia los bordes exteriores de las cámaras del sello, lo que dificulta que sigan avanzando por el camino de la fuga.

Desglose de presión

La caída de presión en cada cámara del laberinto está determinada por la velocidad y la densidad iniciales del fluido, así como por la geometría del laberinto. Con cada cámara subsiguiente, la presión continúa disminuyendo hasta igualarse con la presión externa en la salida del laberinto.

Cuando el fluido llega al final del recorrido del laberinto, su presión ha disminuido significativamente y su velocidad se ha reducido considerablemente. Esto hace que sea mucho más difícil que el fluido se escape, incluso con un diseño de sello sin contacto.

Tipos de sellos laberínticos

Los sellos laberínticos se pueden clasificar en dos tipos principales según su aplicación: sellos de eje giratorios (dinámicos) y sellos de eje no giratorios (estáticos).

Sellos de eje giratorio (dinámicos)

Los sellos de eje giratorio, también conocidos como sellos laberínticos dinámicos, están diseñados para evitar fugas a lo largo de los ejes giratorios de diversas máquinas. Estos sellos se encuentran comúnmente en turbinas, compresores y bombas. Los sellos laberínticos dinámicos se pueden clasificar en tres subtipos:

1. Sellos laberínticos de paso recto:En este diseño, los componentes giratorios y estacionarios tienen dientes o aletas que están dispuestos en línea recta, perpendiculares al eje del eje. El efecto de sellado se logra mediante la creación de una serie de pequeñas holguras entre las partes giratorias y estacionarias, lo que hace que el fluido pierda presión a medida que pasa por cada holgura.
2. Sellos laberínticos escalonados:Los sellos laberínticos escalonados tienen dientes o aletas en los componentes giratorios y estacionarios que están desplazados entre sí. Esta disposición crea un camino más tortuoso para el fluido, lo que mejora el rendimiento del sellado en comparación con los diseños de paso recto. La configuración escalonada ayuda a disipar la energía cinética del fluido de manera más eficaz.
3. Sellos de laberinto escalonados:Los sellos laberínticos escalonados se pueden dividir en dos subtipos: convergentes y divergentes.
   • En un sello escalonado convergente, la holgura entre los componentes giratorios y estacionarios disminuye a lo largo del recorrido de sellado. Este diseño acelera el flujo del fluido, lo que reduce su presión y crea un sello más eficaz.
   • Los sellos escalonados divergentes tienen holguras crecientes a lo largo de la trayectoria de sellado, lo que desacelera el flujo de fluido y provoca una recuperación de presión, mejorando el rendimiento del sellado.

Sellos de eje no giratorios (estáticos)

Los sellos de eje no giratorios, o sellos laberínticos estáticos, se utilizan en aplicaciones en las que no hay movimiento relativo entre el eje y la carcasa. Estos sellos están diseñados para evitar fugas entre componentes estacionarios, como bridas de tuberías, tapas de válvulas e intercambiadores de calor.

Los sellos laberínticos estáticos se basan en una serie de dientes o ranuras entrelazadas mecanizadas en las superficies de contacto de los componentes estacionarios. La geometría de estos sellos crea un camino complejo que dificulta el paso del fluido, lo que proporciona una solución de sellado eficaz.

Materiales comunes

• Aceros: Los aceros al carbono, los aceros inoxidables y los aceros aleados se utilizan ampliamente en la construcción de sellos laberínticos debido a su resistencia, durabilidad y resistencia al desgaste y la corrosión. Estos materiales son adecuados para entornos de alta temperatura y alta presión.
• Bronce: Las aleaciones de bronce, como el bronce de aluminio y el bronce de estaño, son opciones populares para los sellos laberínticos debido a su excelente resistencia al desgaste y sus propiedades de baja fricción. Los sellos de bronce se utilizan a menudo en aplicaciones que involucran ejes giratorios.
• Polímeros y plásticos: los plásticos de ingeniería, como el PTFE (politetrafluoroetileno), el PEEK (poliéter éter cetona) y el nailon, se utilizan cada vez más en los diseños de sellos laberínticos. Estos materiales ofrecen ventajas como bajo peso, resistencia a la corrosión y propiedades autolubricantes, lo que los hace adecuados para ciertas aplicaciones de baja temperatura y baja presión.

Ventajas de los sellos laberínticos

Rendimiento de sellado eficaz

Los sellos laberínticos brindan un rendimiento de sellado confiable al crear un camino tortuoso que dificulta el paso de fluidos. Los dientes, ranuras y cámaras entrelazados crean una serie de caídas de presión, lo que reduce eficazmente las fugas y mantiene la diferencia de presión deseada.

Operación sin contacto

Los componentes del rotor y del estator no entran en contacto físicamente entre sí, lo que minimiza la fricción y el desgaste.

Tolerancia a la desalineación del eje

Las holguras entre el rotor y el estator permiten pequeños movimientos radiales y axiales, lo que hace que los sellos laberínticos sean menos sensibles a los problemas de alineación en comparación con otros tipos de sellos.

Mantenimiento reducido

Los sellos laberínticos no dependen de piezas de desgaste ni componentes consumibles, lo que minimiza la necesidad de reemplazos o ajustes frecuentes.

Aplicaciones de los sellos laberínticos

Turbomáquinas

Los sellos laberínticos se utilizan ampliamente en turbomáquinas, como turbinas de gas, turbinas de vapor y compresores.

Motores aeroespaciales

En los motores de aeronaves, los sellos laberínticos ayudan a contener el aire a alta presión y los gases de combustión dentro del motor, lo que garantiza un empuje y una eficiencia de combustible óptimos.

Bombas y sistemas hidráulicos

Los sellos laberínticos se utilizan en bombas y sistemas hidráulicos para evitar fugas de fluidos y mantener la presión del sistema. Son especialmente eficaces para sellar fluidos y lodos de alta viscosidad.

Cajas de cambios industriales

En las cajas de engranajes industriales, se utilizan sellos laberínticos para sellar las interfaces entre los ejes giratorios y las carcasas. Evitan fugas de lubricante y la entrada de contaminantes, que pueden provocar un desgaste prematuro y fallas en los engranajes y cojinetes.

Procesamiento químico y petroquímico

Los sellos laberínticos se utilizan en equipos de procesamiento químico y petroquímico, como reactores, columnas de destilación e intercambiadores de calor. Se utilizan para sellar ejes giratorios y evitar fugas de fluidos de proceso, que pueden ser corrosivos, tóxicos o inflamables.