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

Les fuites de fluides et de gaz dans les machines rotatives peuvent entraîner des pannes et des temps d'arrêt catastrophiques. Les joints labyrinthiques contrôlent efficacement ces fuites dans les turbomachines en créant un chemin tortueux pour limiter le débit de fluide. Ces joints sans contact sont constitués d'un élément rotatif avec des dents et d'un élément stationnaire avec des cavités qui fonctionnent ensemble pour réduire considérablement les fuites.

Cet article de blog fournit un aperçu complet des joints à labyrinthe, expliquant leur fonction, leurs composants clés et les différents types disponibles.

Qu'est-ce qu'un sceau de labyrinthe

Un joint labyrinthe est un type de joint mécanique sans contact utilisé pour contrôler les fuites et réduire l'usure des équipements rotatifs tels que les turbines, les compresseurs et les pompes. Il se compose d'une série de rainures ou de canaux de conception complexe qui créent un chemin tortueux pour le fluide ou le gaz, limitant efficacement le débit sans contact direct entre les composants rotatifs et stationnaires.

Comment fonctionnent les joints de labyrinthe

Le mécanisme d'étanchéité principal d'un joint labyrinthe repose sur la création d'une série de chutes de pression lorsque le fluide navigue dans les passages complexes en forme de labyrinthe. Lorsque le fluide pénètre dans le joint labyrinthe, il rencontre une série de dents ou d'ailettes alternées sur les surfaces du rotor et du stator. Ces dents sont usinées avec précision pour maintenir un faible jeu entre les composants rotatifs et stationnaires. Lorsque le fluide s'écoule dans les passages étroits, il subit des dilatations et des contractions soudaines, ce qui entraîne des turbulences et un cisaillement du fluide.

Les changements répétés de direction d'écoulement et les turbulences qui les accompagnent entraînent une perte de vitesse et de pression du fluide à chaque étape du labyrinthe. Cette chute de pression crée un effet d'étanchéité, minimisant la quantité de fluide qui peut fuir à travers le joint. Plus le parcours du labyrinthe est complexe et plus le nombre d'étapes d'étanchéité est élevé, plus l'efficacité de l'étanchéité est élevée.

Composants d'un joint labyrinthique

Élément rotatif (rotor)

Le rotor est le composant dynamique du joint, généralement fixé ou intégré à l'arbre rotatif. Il comporte une série de saillies ou de dents qui s'étendent radialement vers l'extérieur, formant un côté du chemin du labyrinthe.

Élément stationnaire (stator)

Le stator est la partie non rotative du joint, généralement montée dans le boîtier de l'équipement. Il intègre des rainures ou des canaux correspondant au profil du rotor, créant ainsi un chemin labyrinthique complexe.

Types de joints de labyrinthe

Joints à labyrinthe à passage direct

Dans cette conception, les dents ou ailettes du rotor et du stator sont alignées selon une trajectoire rectiligne, perpendiculaire à l'axe de rotation. Lorsque le fluide traverse chaque rétrécissement créé par les dents, il subit une chute de pression et une augmentation de vitesse, ce qui réduit les fuites. Les conceptions à passage direct sont plus simples à fabriquer et conviennent aux applications avec des différentiels de pression plus faibles.

Joints de labyrinthe à gradins

Les joints labyrinthiques étagés sont dotés de dents ou d'ailettes décalées les unes par rapport aux autres, créant un chemin plus tortueux pour le fluide. Le fluide doit changer de direction plusieurs fois lorsqu'il traverse le joint, ce qui réduit encore sa pression et sa vitesse. Cette conception offre de meilleures performances d'étanchéité par rapport aux joints droits et est préférée pour les applications avec des différentiels de pression plus élevés ou des exigences de fuite plus strictes.

Matériau des joints de labyrinthe

1. Torlon PAI (polyamide-imide): Le Torlon PAI est un thermoplastique hautes performances doté d'une excellente résistance mécanique, d'une rigidité et d'une stabilité thermique. Il offre une bonne résistance à l'usure, au fluage et aux attaques chimiques, ce qui le rend adapté aux joints labyrinthes dans des environnements exigeants. Les joints labyrinthes Torlon PAI peuvent fonctionner à des températures allant jusqu'à 275 °C (527 °F) et sont couramment utilisés dans les industries aérospatiales, pétrolières et gazières et de transformation chimique.
2. PEEK (polyétheréthercétone):Le PEEK est un thermoplastique semi-cristallin connu pour ses propriétés mécaniques exceptionnelles, sa résistance chimique et sa stabilité thermique. Les joints labyrinthes fabriqués en PEEK peuvent résister à des températures allant jusqu'à 250 °C (482 °F) et offrent une excellente résistance à l'usure. Les joints PEEK sont souvent utilisés dans des environnements à haute température, haute pression et chimiquement agressifs, tels que ceux que l'on trouve dans les industries pétrolière et gazière, chimique et aérospatiale.
3. Vespel PI (polyimide): Vespel PI est un matériau polyimide hautes performances qui offre une stabilité thermique, une résistance chimique et une stabilité dimensionnelle exceptionnelles. Les joints labyrinthes fabriqués à partir de Vespel PI peuvent fonctionner à des températures allant jusqu'à 300 °C (572 °F) et offrent une excellente résistance à l'usure et un faible frottement. Ces joints sont couramment utilisés dans les applications aérospatiales, semi-conductrices et industrielles à haute température.
4. Fluorosint (PTFE amélioré): Le Fluorosint est un matériau polytétrafluoroéthylène (PTFE) amélioré qui combine les propriétés de faible frottement et de résistance chimique du PTFE avec une résistance mécanique et une résistance à l'usure améliorées. Les joints labyrinthes fabriqués à partir de Fluorosint peuvent fonctionner à des températures allant jusqu'à 260 °C (500 °F) et offrent d'excellentes performances d'étanchéité dans des environnements chimiquement agressifs. Ces joints sont souvent utilisés dans les industries de transformation chimique, agroalimentaire et pharmaceutique.