En el ámbito de las tecnologías de sellado, los sellos de cepillo y los sellos laberínticos son dos soluciones distintas que se emplean para controlar las fugas de fluidos y mantener las diferencias de presión en la maquinaria rotativa. Si bien ambos sirven para sellar, sus diseños, materiales y características de rendimiento difieren significativamente.
Este artículo profundizará en las complejidades de los sellos de cepillo y los sellos laberínticos, comparando sus estructuras, aplicaciones y eficacia en varios entornos industriales.
¿Qué es el sello de cepillo?
Un sello de cepillo es un tipo de sello mecánico que utiliza un denso paquete de cerdas, generalmente hechas de acero inoxidable, para crear un mecanismo de sellado flexible entre los componentes estacionarios y giratorios en la turbomaquinaria. Las cerdas están en ángulo en la dirección de rotación, lo que permite una interfaz de sellado flexible que puede adaptarse al movimiento radial y las excursiones del eje mientras mantiene una holgura mínima. Este diseño único permite que los sellos de cepillo proporcionen un sellado eficaz incluso con altas diferencias de presión y velocidades de rotación.
Los sellos de cepillo ofrecen varias ventajas sobre los sellos de laberinto tradicionales. El paquete de cerdas se adapta a la superficie del rotor, lo que minimiza los espacios de fuga y reduce el flujo de fuga. La flexibilidad de las cerdas permite una mejor adaptación a la dinámica del rotor, el crecimiento térmico y otros factores operativos. Además, los sellos de cepillo se pueden utilizar en combinación con sellos de laberinto u otras tecnologías de sellado para mejorar aún más el rendimiento del sellado.
La aplicación de los sellos de cepillo se ha extendido a diversas industrias, incluidas las turbinas de vapor, las turbinas de gas y los motores aeroespaciales. En aplicaciones de turbinas de vapor, los sellos de cepillo pueden reducir significativamente las fugas de vapor, mejorando la eficiencia general de la máquina y reduciendo las costosas pérdidas de vapor. Los sellos de cepillo también se utilizan en turbinas de gas industriales y motores a reacción para minimizar el flujo de aire de fuga, lo que da como resultado una mejor eficiencia operativa.
¿Qué es el sello laberíntico?
A sello laberíntico Es un tipo de sello sin contacto que utiliza una serie de pasajes intrincados y laberínticos para crear un camino tortuoso para el flujo de fluido. El sello consta de una serie de dientes o aletas laberínticas dispuestas en un patrón específico, y cada diente crea una pequeña caída de presión. A medida que el fluido navega a través del laberinto, experimenta una serie de expansiones y contracciones, lo que resulta en una reducción significativa de la presión en todo el sello.
Los sellos laberínticos se basan en el principio de crear múltiples caídas de presión para minimizar el flujo de fuga. La eficacia de un sello laberíntico depende de factores como la cantidad de dientes laberínticos, su geometría y la holgura entre los componentes giratorios y estacionarios. La holgura está diseñada para ser lo más pequeña posible, permitiendo al mismo tiempo un funcionamiento seguro y teniendo en cuenta factores como la expansión térmica y la dinámica del rotor.
Una de las principales ventajas de los sellos laberínticos es su naturaleza sin contacto, lo que minimiza el desgaste en la superficie del rotor y extiende la vida útil del sello. Los sellos laberínticos también tienen un diseño relativamente simple y se pueden fabricar y mantener fácilmente. Sin embargo, son sensibles a los cambios en la holgura y pueden experimentar un aumento de fugas si la holgura se vuelve demasiado grande debido al desgaste o las condiciones operativas.
Los sellos laberínticos se utilizan en diversas máquinas rotativas, como turbinas de vapor, turbinas de gas y compresores. A menudo se utilizan en combinación con otras tecnologías de sellado, como sellos de cepillo o sellos abrasivos, para proporcionar una solución de sellado integral.
Diferencias clave entre el sello de cepillo y el sello de laberinto
Mecanismo de sellado
Los sellos de cepillo están compuestos por cerdas densamente compactas, generalmente de acero inoxidable, que forman una interfaz de sellado flexible. Las cerdas se flexionan y se adaptan a los movimientos del rotor, manteniendo una distancia mínima.
Por el contrario, los sellos laberínticos se basan en una serie de dientes rígidos o bordes afilados que crean un camino tortuoso para el flujo de fluido. Los sellos laberínticos no tienen un elemento de sellado flexible como los sellos de cepillo.
Contacto
Los sellos de cepillo son sellos de tipo contacto, lo que significa que las cerdas hacen un ligero contacto con la superficie del rotor. Este contacto permite que los sellos de cepillo se adapten a las oscilaciones y vibraciones del rotor mientras mantienen un sellado eficaz.
Por otro lado, los sellos laberínticos son sellos sin contacto. Mantienen una pequeña holgura entre los dientes del sello y el rotor, y dependen de la caída de presión a lo largo del recorrido del laberinto para reducir las fugas.
Reducción de fugas
Los sellos de cepillo brindan una reducción de fugas superior en comparación con los sellos de laberinto. El paquete de cerdas flexibles se adapta al rotor, lo que minimiza los espacios de fuga. Un solo sello de cepillo puede reducir las fugas hasta en un 90% en comparación con los sellos de laberinto convencionales.
Los sellos laberínticos, si bien son efectivos, tienen fugas inherentes debido a la holgura entre los dientes del sello y el rotor. Las fugas en los sellos laberínticos aumentan con el tiempo a medida que aumentan las holguras debido al desgaste y al crecimiento térmico.
Durabilidad
Los sellos laberínticos suelen tener una mayor durabilidad en comparación con los sellos de cepillo. La geometría rígida de los sellos laberínticos los hace resistentes al desgaste y al deterioro.
Los sellos de cepillo, debido a su naturaleza de contacto, experimentan desgaste con el tiempo a medida que las cerdas rozan contra la superficie del rotor.
Rango de temperatura
Tanto los sellos de cepillo como los sellos laberínticos pueden funcionar en un amplio rango de temperaturas. Sin embargo, los sellos de cepillo tienen una ligera ventaja en aplicaciones de alta temperatura. Las cerdas de los sellos de cepillo, generalmente hechas de superaleaciones a base de cobalto o níquel, pueden soportar temperaturas de hasta 800 °C (1472 °F). Los sellos laberínticos, según el material utilizado, pueden funcionar a temperaturas de hasta aproximadamente 650 °C (1200 °F). La naturaleza flexible de los sellos de cepillo les permite adaptarse al crecimiento térmico de manera más efectiva que los sellos laberínticos rígidos.
Aplicaciones
Los sellos de cepillo y los sellos laberínticos se utilizan en diversas turbomáquinas, incluidas turbinas de vapor, turbinas de gas, compresores y bombas. Los sellos de cepillo son particularmente eficaces en aplicaciones con altos diferenciales de presión, como el sellado de casquillos de turbinas de vapor y el sellado de cárteres de cojinetes de turbinas de gas. También se utilizan en combinación con sellos laberínticos para mejorar el rendimiento general del sellado.
Los sellos laberínticos se utilizan ampliamente en aplicaciones con diferenciales de presión más bajos y donde se prefiere el sellado sin contacto. Se encuentran comúnmente en el sellado de turbocompresores, sellado de ojos de compresores y como sellos entre etapas en turbinas y compresores.
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