Qu'est-ce qu'un sceau labyrinthique et comment fonctionne-t-il ?

Dans l’industrie des machines, une étanchéité inadéquate peut entraîner des fuites, une contamination et une réduction des performances, ce qui entraîne des temps d’arrêt et des réparations coûteux.

Les joints à labyrinthe offrent une solution d'étanchéité robuste et sans contact qui répond à ces défis. En utilisant un chemin complexe de composants imbriqués et en tirant parti de la force centrifuge et de la turbulence, les joints à labyrinthe minimisent efficacement les fuites et maintiennent des performances optimales dans diverses applications.

Dans cet article, nous allons nous plonger dans les subtilités des joints labyrinthes, en explorant leurs composants, leurs principes de conception et leurs types. Nous discuterons également des matériaux utilisés dans leur construction, de leurs principaux avantages par rapport aux autres méthodes d'étanchéité et de leurs diverses applications dans différents secteurs.

Qu'est-ce qu'un sceau labyrinthique

Un joint labyrinthe est un type de joint mécanique sans contact conçu pour contrôler les fuites et réduire les différences de pression entre deux zones dans diverses applications d'équipements rotatifs. Il se compose d'une série de dents ou de rainures imbriquées disposées selon un motif complexe en forme de labyrinthe entre un composant rotatif (rotor) et un composant fixe (stator).

La conception complexe du labyrinthe crée un chemin ardu pour les fluides ou les gaz, limitant considérablement leur écoulement d'un côté à l'autre du joint. Lorsque le fluide tente de traverser le joint, il rencontre de multiples changements de direction, contractions et dilatations. Ce parcours tortueux, combiné aux effets de la dynamique des fluides, permet aux joints labyrinthes de minimiser efficacement les fuites.

Composants des joints labyrinthiques

• Rotor:Le rotor est la partie rotative de l'ensemble de joint labyrinthe. Il est généralement fixé ou intégré à l'arbre qui doit être scellé. Le rotor comporte une série de dents ou de crêtes qui s'imbriquent avec le composant du stator.
• Stator:Le stator est la partie fixe du joint labyrinthe, généralement fixée au boîtier ou au carter entourant l'arbre rotatif. Comme le rotor, le stator possède une série de dents ou de crêtes qui correspondent à celles du rotor, créant un chemin complexe pour le fluide ou le gaz à sceller.
• Dents entrelacées:Les dents imbriquées sont les principaux éléments d'étanchéité d'un joint labyrinthe. Ces dents, présentes à la fois sur le rotor et le stator, créent une série de petits jeux ou interstices qui rendent difficile le passage du fluide ou du gaz.
• Rainures:Les rainures sont les espaces entre les dents imbriquées du rotor et du stator. Ces rainures créent un chemin tortueux pour le fluide ou le gaz, le forçant à naviguer à travers de multiples virages et changements de direction.
• Chambres:Les joints labyrinthiques comportent souvent des chambres ou des cavités entre les dents du rotor et du stator. Ces chambres agissent comme des espaces d'expansion pour le fluide ou le gaz, lui permettant de perdre de la pression et de la vitesse lorsqu'il se déplace à travers le joint.
• Crêtes:En plus des dents imbriquées, les joints labyrinthes peuvent comporter des crêtes ou des ailettes sur les surfaces du rotor ou du stator. Ces crêtes perturbent davantage l'écoulement du fluide ou du gaz, créant des turbulences et une résistance supplémentaires.

Comment fonctionnent les joints de labyrinthe

Les joints labyrinthiques empêchent les fuites de fluide en créant un chemin tortueux qui rend difficile la fuite du fluide. Lorsque le fluide pénètre dans le joint labyrinthique, il rencontre une série de chambres formées par les dents imbriquées sur les composants du rotor et du stator.

Dynamique des fluides

Le fluide est forcé de se déplacer dans ces chambres étroites, perdant de l'énergie cinétique à chaque tour. Cette perte d'énergie est due à la friction et à la turbulence générées dans les chambres. Au fur et à mesure que le fluide progresse plus profondément dans le labyrinthe, sa pression et sa vitesse diminuent considérablement.

Turbulence

Les changements soudains de direction et de vitesse du fluide lorsqu'il navigue dans le labyrinthe génèrent un écoulement turbulent, ce qui entrave encore davantage la capacité du fluide à fuir à travers le joint. La turbulence favorise également le mélange des particules de fluide, dissipant leur énergie et réduisant la charge globale. taux de fuite.

Forces centrifuges

Lorsque le rotor tourne, il exerce une force centrifuge sur les particules de fluide qui tentent de traverser le joint. Cette force éloigne les particules de fluide du centre de rotation et les dirige vers les bords extérieurs des chambres du joint, ce qui rend plus difficile leur déplacement le long du trajet de fuite.

Rupture de pression

La chute de pression dans chaque chambre du labyrinthe est déterminée par la vitesse et la densité initiales du fluide, ainsi que par la géométrie du labyrinthe. À chaque chambre suivante, la pression continue de diminuer jusqu'à atteindre la pression externe à la sortie du labyrinthe.

Lorsque le fluide atteint la fin du parcours du labyrinthe, sa pression a considérablement diminué et sa vitesse est considérablement réduite. Il est donc beaucoup plus difficile pour le fluide de s'échapper, même avec une conception de joint sans contact.

Types de joints de labyrinthe

Les joints à labyrinthe peuvent être classés en deux types principaux en fonction de leur application : les joints d'arbre rotatifs (dynamiques) et les joints d'arbre non rotatifs (statiques).

Joints d'arbre rotatifs (dynamiques)

Les joints d'arbre rotatif, également appelés joints à labyrinthe dynamiques, sont conçus pour empêcher les fuites le long des arbres rotatifs de diverses machines. Ces joints se trouvent généralement dans les turbines, les compresseurs et les pompes. Les joints à labyrinthe dynamiques peuvent être classés en trois sous-types :

1. Joints à labyrinthe à passage direct:Dans cette conception, les composants rotatifs et fixes comportent des dents ou des ailettes disposées en ligne droite, perpendiculairement à l'axe de l'arbre. L'effet d'étanchéité est obtenu par la création d'une série de petits jeux entre les pièces rotatives et fixes, ce qui entraîne une perte de pression du fluide lors de son passage à travers chaque jeu.
2. Sceaux du labyrinthe décalés:Les joints labyrinthiques décalés comportent des dents ou des ailettes sur les composants rotatifs et fixes qui sont décalées les unes par rapport aux autres. Cette disposition crée un chemin plus tortueux pour le fluide, ce qui conduit à des performances d'étanchéité améliorées par rapport aux conceptions à passage direct. La configuration décalée permet de dissiper plus efficacement l'énergie cinétique du fluide.
3. Joints de labyrinthe à gradins:Les joints à labyrinthe étagés peuvent être divisés en deux sous-types : convergents et divergents.
   • Dans un joint convergent à paliers, le jeu entre les composants rotatifs et fixes diminue le long du trajet d'étanchéité. Cette conception accélère le débit du fluide, réduit sa pression et crée un joint plus efficace.
   • Les joints divergents à gradins présentent des jeux croissants le long du trajet d'étanchéité, ce qui ralentit le débit du fluide et provoque une récupération de pression, améliorant ainsi les performances d'étanchéité.

Joints d'arbre non rotatifs (statiques)

Les joints d'arbre non rotatifs, ou joints labyrinthes statiques, sont utilisés dans les applications où il n'y a pas de mouvement relatif entre l'arbre et le boîtier. Ces joints sont conçus pour empêcher les fuites entre les composants fixes, tels que les brides de canalisation, les chapeaux de vanne et les échangeurs de chaleur.

Les joints à labyrinthe statiques reposent sur une série de dents ou de rainures imbriquées usinées dans les surfaces de contact des composants fixes. La géométrie de ces joints crée un chemin complexe qui rend difficile le passage du fluide, offrant ainsi une solution d'étanchéité efficace.

Matériaux communs

• Aciers : Les aciers au carbone, les aciers inoxydables et les aciers alliés sont largement utilisés dans la construction de joints labyrinthes en raison de leur solidité, de leur durabilité et de leur résistance à l'usure et à la corrosion. Ces matériaux sont bien adaptés aux environnements à haute température et à haute pression.
• Bronze : Les alliages de bronze, tels que le bronze d'aluminium et le bronze d'étain, sont des choix populaires pour les joints labyrinthes en raison de leur excellente résistance à l'usure et de leurs propriétés de faible frottement. Les joints en bronze sont souvent utilisés dans les applications impliquant des arbres rotatifs.
• Polymères et plastiques : les plastiques techniques, tels que le PTFE (polytétrafluoroéthylène), le PEEK (polyétheréthercétone) et le nylon, sont de plus en plus utilisés dans la conception de joints labyrinthes. Ces matériaux offrent des avantages tels qu'un faible poids, une résistance à la corrosion et des propriétés autolubrifiantes, ce qui les rend adaptés à certaines applications à basse température et basse pression.

Avantages des sceaux labyrinthe

Performance d'étanchéité efficace

Les joints labyrinthiques assurent une étanchéité fiable en créant un chemin tortueux qui rend difficile le passage des fluides. Les dents, rainures et chambres imbriquées créent une série de chutes de pression, réduisant efficacement les fuites et maintenant le différentiel de pression souhaité.

Fonctionnement sans contact

Les composants du rotor et du stator ne se touchent pas physiquement, ce qui minimise la friction et l’usure.

Tolérance au désalignement de l'arbre

Les jeux entre le rotor et le stator permettent de petits mouvements radiaux et axiaux, ce qui rend les joints labyrinthes moins sensibles aux problèmes d'alignement par rapport aux autres types de joints.

Maintenance réduite

Les joints à labyrinthe ne dépendent pas de pièces d’usure ou de composants consommables, ce qui minimise le besoin de remplacements ou de réglages fréquents.

Applications des joints labyrinthiques

Turbomachines

Les joints à labyrinthe sont largement utilisés dans les turbomachines, telles que les turbines à gaz, les turbines à vapeur et les compresseurs.

Moteurs aérospatiaux

Dans les moteurs d'avion, les joints à labyrinthe aident à contenir l'air à haute pression et les gaz de combustion dans le moteur, garantissant une poussée et une efficacité énergétique optimales.

Pompes et systèmes hydrauliques

Les joints labyrinthiques sont utilisés dans les pompes et les systèmes hydrauliques pour empêcher les fuites de fluides et maintenir la pression du système. Ils sont particulièrement efficaces pour assurer l'étanchéité des fluides et des boues à haute viscosité.

Réducteurs industriels

Dans les boîtes de vitesses industrielles, les joints labyrinthes sont utilisés pour assurer l'étanchéité des interfaces entre les arbres rotatifs et les carters. Ils empêchent les fuites de lubrifiant et la pénétration de contaminants, qui peuvent provoquer une usure prématurée et une défaillance des engrenages et des roulements.

Traitement chimique et pétrochimique

Les joints labyrinthiques sont utilisés dans les équipements de traitement chimique et pétrochimique, tels que les réacteurs, les colonnes de distillation et les échangeurs de chaleur. Ils sont utilisés pour assurer l'étanchéité des arbres rotatifs et empêcher les fuites de fluides de traitement, qui peuvent être corrosifs, toxiques ou inflammables.