Quelle est la différence entre un joint à brosse et un joint à labyrinthe

Dans le domaine des technologies d'étanchéité, les joints à brosse et les joints à labyrinthe sont deux solutions distinctes utilisées pour contrôler les fuites de fluides et maintenir les différences de pression dans les machines rotatives. Bien que tous deux servent à l'étanchéité, leurs conceptions, matériaux et caractéristiques de performance diffèrent considérablement.

Cet article se penchera sur les subtilités des joints à brosse et des joints à labyrinthe, en comparant leurs structures, leurs applications et leur efficacité dans divers environnements industriels.

Qu'est-ce qu'un joint à brosse

Un joint à brosse est un type de garniture mécanique qui utilise un ensemble dense de poils, généralement en acier inoxydable, pour créer un mécanisme d'étanchéité flexible entre les composants fixes et rotatifs des turbomachines. Les poils sont inclinés dans le sens de rotation, ce qui permet une interface d'étanchéité souple qui peut s'adapter aux mouvements radiaux et aux excursions de l'arbre tout en maintenant un jeu minimal. Cette conception unique permet aux joints à brosse d'assurer une étanchéité efficace même sous des différentiels de pression et des vitesses de rotation élevés.

Les joints à brosse offrent plusieurs avantages par rapport aux joints à labyrinthe traditionnels. Le paquet de poils s'adapte à la surface du rotor, minimisant les fuites et réduisant le débit de fuite. La souplesse des poils permet une meilleure adaptation à la dynamique du rotor, à la croissance thermique et à d'autres facteurs opérationnels. De plus, les joints à brosse peuvent être utilisés en combinaison avec des joints à labyrinthe ou d'autres technologies d'étanchéité pour améliorer encore les performances d'étanchéité.

L'utilisation de joints à brosse s'est étendue à de nombreuses industries, notamment les turbines à vapeur, les turbines à gaz et les moteurs aérospatiaux. Dans les applications de turbines à vapeur, les joints à brosse peuvent réduire considérablement les fuites de vapeur, améliorant ainsi l'efficacité globale de la machine et réduisant les pertes de vapeur coûteuses. Les joints à brosse sont également utilisés dans les turbines à gaz industrielles et les moteurs à réaction pour minimiser le flux d'air de fuite, ce qui améliore l'efficacité opérationnelle.

Qu'est-ce que le sceau du labyrinthe

UN joint labyrinthe Il s'agit d'un type de joint sans contact qui utilise une série de passages complexes en forme de labyrinthe pour créer un chemin tortueux pour l'écoulement du fluide. Le joint est constitué d'une série de dents ou d'ailettes en labyrinthe disposées selon un motif spécifique, chaque dent créant une petite chute de pression. Lorsque le fluide navigue dans le labyrinthe, il subit une série d'expansions et de contractions, ce qui entraîne une réduction de pression significative à travers le joint.

Les joints à labyrinthe reposent sur le principe de création de chutes de pression multiples pour minimiser le débit de fuite. L'efficacité d'un joint à labyrinthe dépend de facteurs tels que le nombre de dents du labyrinthe, leur géométrie et le jeu entre les composants rotatifs et fixes. Le jeu est conçu pour être aussi petit que possible tout en permettant un fonctionnement sûr et en tenant compte de facteurs tels que la dilatation thermique et la dynamique du rotor.

L'un des principaux avantages des joints labyrinthes est leur nature sans contact, qui minimise l'usure de la surface du rotor et prolonge la durée de vie du joint. Les joints labyrinthes sont également de conception relativement simple et peuvent être facilement fabriqués et entretenus. Cependant, ils sont sensibles aux variations de jeu et peuvent subir des fuites accrues si le jeu devient trop important en raison de l'usure ou des conditions de fonctionnement.

Les joints labyrinthiques sont utilisés dans diverses machines tournantes, telles que les turbines à vapeur, les turbines à gaz et les compresseurs. Ils sont souvent utilisés en combinaison avec d'autres technologies d'étanchéité, telles que les joints à brosse ou les joints abradables, pour fournir une solution d'étanchéité complète.

Principales différences entre le joint à brosse et le joint à labyrinthe

Mécanisme d'étanchéité

Les joints à brosse sont constitués de poils denses, généralement en acier inoxydable, qui forment une interface d'étanchéité souple. Les poils fléchissent et s'adaptent aux mouvements du rotor, en maintenant un jeu serré.

En revanche, les joints à labyrinthe reposent sur une série de dents rigides ou de lames tranchantes qui créent un chemin tortueux pour l'écoulement du fluide. Les joints à labyrinthe ne disposent pas d'un élément d'étanchéité souple comme les joints à brosse.

Contact

Les joints à brosse sont des joints de type contact, ce qui signifie que les poils entrent en contact léger avec la surface du rotor. Ce contact permet aux joints à brosse de s'adapter aux excursions et aux vibrations du rotor tout en maintenant une étanchéité efficace.

Les joints à labyrinthe, en revanche, sont des joints sans contact. Ils maintiennent un faible jeu entre les dents du joint et le rotor, en s'appuyant sur la chute de pression sur le trajet du labyrinthe pour réduire les fuites.

Réduction des fuites

Les joints à brosse offrent une réduction des fuites supérieure à celle des joints à labyrinthe. Le pack de poils souples s'adapte au rotor, minimisant ainsi les fuites. Un seul joint à brosse peut réduire les fuites jusqu'à 90% par rapport aux joints à labyrinthe classiques.

Les joints à labyrinthe, bien qu'efficaces, présentent des fuites inhérentes dues au jeu entre les dents du joint et le rotor. Les fuites dans les joints à labyrinthe augmentent avec le temps à mesure que les jeux augmentent en raison de l'usure et de la croissance thermique.

Durabilité

Les joints à labyrinthe ont généralement une durabilité supérieure à celle des joints à brosse. La géométrie rigide des joints à labyrinthe les rend résistants à l'usure et à la détérioration.

Les joints à brosse, en raison de leur nature de contact, subissent une usure au fil du temps lorsque les poils frottent contre la surface du rotor.

Écart de température

Les joints à brosse et les joints à labyrinthe peuvent fonctionner dans une large plage de températures. Cependant, les joints à brosse présentent un léger avantage dans les applications à haute température. Les poils des joints à brosse, généralement constitués de superalliages à base de cobalt ou de nickel, peuvent résister à des températures allant jusqu'à 800 °C (1 472 °F). Les joints à labyrinthe, selon le matériau utilisé, peuvent fonctionner à des températures allant jusqu'à environ 650 °C (1 200 °F). La nature souple des joints à brosse leur permet de s'adapter à la croissance thermique plus efficacement que les joints à labyrinthe rigides.

Applications

Les joints à brosse et les joints à labyrinthe sont utilisés dans diverses turbomachines, notamment les turbines à vapeur, les turbines à gaz, les compresseurs et les pompes. Les joints à brosse sont particulièrement efficaces dans les applications à fortes différences de pression, telles que l'étanchéité des presse-étoupes des turbines à vapeur et l'étanchéité des carters de palier des turbines à gaz. Ils sont également utilisés en combinaison avec les joints à labyrinthe pour améliorer les performances d'étanchéité globales.

Les joints labyrinthiques sont largement utilisés dans les applications avec des différentiels de pression plus faibles et où l'étanchéité sans contact est préférée. On les trouve couramment dans l'étanchéité des turbocompresseurs, l'étanchéité des yeux des compresseurs et comme joints inter-étages dans les turbines et les compresseurs.