Sigilli a labirinto Compensano le elevate differenze di pressione in turbine e compressori suddividendole in fasi più piccole e gestibili. Invece di gestire un'enorme caduta di pressione in una sola volta, queste guarnizioni utilizzano più denti affilati e camere per ridurre gradualmente la pressione, consentendo perdite minime. Sono i cavalli di battaglia delle turbomacchine perché sono semplici, affidabili e possono resistere a velocità e temperature estreme senza usurarsi.
Meccanismo di stadiazione della pressione
Le guarnizioni a labirinto suddividono una grande caduta di pressione in tante gocce più piccole forzando il fluido attraverso una serie di strette fessure sotto denti affilati. Ogni dente agisce come una piccola valvola a farfalla che accelera il fluido e converte la pressione in energia cinetica. Subito dopo essere passato sotto un dente, il fluido si espande in una cavità dove la sua velocità si dissipa sotto forma di turbolenza e calore.
Questo approccio graduale significa che nessun singolo dente deve sopportare l'intera differenza di pressione. La caduta di pressione totale viene distribuita su tutti i denti, con ciascuno che ne assorbe una porzione gestibile. Si ottiene così una serie di gradini di pressione anziché un unico enorme dislivello.
La somma di tutte queste singole cadute di pressione equivale alla differenza di pressione totale gestita dalla guarnizione. È come scendere le scale invece di saltare da un palazzo: si arriva allo stesso punto, ma in modo molto più sicuro.
Distribuzione della pressione e carico sui denti
La caduta di pressione attraverso una tenuta a labirinto non è perfettamente uniforme: il primo dente più vicino al lato ad alta pressione spesso subisce l'impatto maggiore. A volte un singolo dente può subire quasi la metà della differenza di pressione totale, il che lo stressa e ne riduce l'efficacia. Questa distribuzione non uniforme è il motivo per cui i progettisti aggiungono più denti per distribuire il carico.
Grazie al numero sufficiente di denti, ognuno di essi deve gestire solo una piccola frazione della pressione totale. Questo protegge i singoli denti da sollecitazioni eccessive e rende l'intera guarnizione più resistente. Le gocce graduate riducono inoltre la forza che spinge il fluido attraverso ogni fessura, "bilanciando" efficacemente la pressione con incrementi gestibili.
Elementi di progettazione per una riduzione efficace della pressione
- Numero di denti: Un numero maggiore di denti crea maggiori cadute di pressione e minori perdite: è il fattore più importante per le prestazioni della tenuta. Gli studi dimostrano che il numero di denti ha un'influenza maggiore sulle perdite rispetto al gioco o alle dimensioni dei denti. Sono necessari denti sufficienti per distribuire la pressione in modo sicuro (in genere 10-20 per applicazioni ad alta pressione), ma aggiungerne troppi riduce i rendimenti e occupa spazio eccessivo.
- Geometria dei denti: I denti affilati, sottili e simili a coltelli funzionano meglio perché favoriscono la separazione del flusso e creano vortici più grandi a valle. Anche l'altezza e la spaziatura dei denti (passo) sono importanti: denti più alti creano cavità più profonde per una migliore espansione, mentre una spaziatura più ravvicinata consente di inserire più denti in una data lunghezza.
- Liquidazione delle guarnizioni: Lo spazio tra le punte dei denti e la superficie opposta determina le prestazioni di tenuta: raddoppiare il gioco può aumentare il gioco di otto volte. I giochi tipici sono di appena millesimi di pollice, con una regola pratica che indica circa 0.001" di gioco per pollice di diametro dell'albero.
- Progettazione della cavità: Cavità più ampie e profonde consentono una migliore espansione del flusso e vortici di ricircolo più ampi, che assorbono più energia cinetica. Se le cavità sono troppo superficiali, il getto ad alta velocità viene attraversato con perdite minime, riducendo l'efficacia del dente successivo. Alcuni progetti includono rivestimenti a nido d'ape o freni di turbolenza nelle cavità per aumentare la turbolenza e migliorare la stabilità.
- Configurazione dritta vs. a gradini: I labirinti a gradini (con diametri alternati più grandi e più piccoli) possono ridurre le perdite fino al 30% rispetto ai design a passaggio diretto. Creano cavità asimmetriche che inducono maggiore turbolenza e maggiori cadute di pressione per stadio. I progettisti scelgono le tenute a gradini quando i giochi devono essere maggiori o quando si gestiscono rapporti di pressione estremi, sebbene siano più complesse da realizzare.
