Che cosa è un sigillo del labirinto

Nel campo dei macchinari, la tecnologia di tenuta è un aspetto critico che assicura un funzionamento efficiente e la longevità delle attrezzature. Tra le varie soluzioni di tenuta, la tenuta a labirinto ha attirato notevole attenzione grazie al suo design unico e alle sue caratteristiche prestazionali.

Questo articolo del blog approfondisce i complessi meccanismi delle guarnizioni a labirinto, esplorandone la struttura, i principi di funzionamento e le applicazioni in diversi contesti di macchinari.

Che cosa è un sigillo del labirinto

Un sigillo labirinto è un tipo di tenuta meccanica che utilizza una serie di camere a cascata formate da sporgenze e scanalature simili a denti per creare un percorso tortuoso, limitando efficacemente il flusso del fluido e riducendo le perdite. Le guarnizioni a labirinto sono ampiamente utilizzate in varie applicazioni industriali, in particolare in apparecchiature rotanti come motori a turbina a gas, compressori e pompe, dove aiutano a mantenere le differenze di pressione e impediscono la fuoriuscita di fluidi di processo o l'ingresso di contaminanti.

Lo scopo principale di una tenuta a labirinto è di ridurre al minimo le perdite tra due regioni con pressioni diverse, come tra una camera ad alta pressione e una camera a bassa pressione, o tra una parte mobile (ad esempio, un albero rotante) e un componente stazionario (ad esempio, un alloggiamento o uno statore). Creando un percorso complesso per la navigazione del fluido, le tenute a labirinto riducono significativamente la portata e la caduta di pressione attraverso la tenuta, migliorando così l'efficienza complessiva e le prestazioni del sistema.

Come funzionano le guarnizioni del labirinto

Il principio di funzionamento delle guarnizioni a labirinto si basa sulla creazione di una serie di cadute di pressione lungo la lunghezza della guarnizione. Quando il fluido entra nella guarnizione a labirinto, incontra una serie di denti e scanalature alternate che lo costringono a cambiare direzione più volte. Questo percorso tortuoso fa sì che il fluido perda energia cinetica attraverso attrito e turbolenza, con conseguente diminuzione della pressione a ogni fase.

La caduta di pressione in ogni camera della tenuta a labirinto è proporzionale al quadrato della velocità del fluido. Mentre il fluido si muove attraverso la tenuta, subisce una rapida espansione e contrazione, che porta alla formazione di vortici e mulinelli. Questi vortici contribuiscono ulteriormente alla caduta di pressione e aiutano a dissipare l'energia del fluido.

Tipi di sigilli a labirinto

Guarnizioni per alberi rotanti

Le guarnizioni per alberi rotanti, note anche come guarnizioni dinamiche, sono utilizzate in applicazioni in cui l'albero è in movimento rispetto allo statore. Queste guarnizioni si trovano comunemente nei motori a turbina a gas, nei compressori e nelle pompe. Esistono diversi tipi di guarnizioni a labirinto per alberi rotanti:

1. Guarnizioni a labirinto dritte: queste guarnizioni presentano un percorso semplice e dritto per la navigazione del fluido. Sono utilizzate in applicazioni con differenziali di pressione inferiori e requisiti di tenuta meno esigenti.
2. Guarnizioni a labirinto sfalsate: le guarnizioni sfalsate hanno denti alternati sul rotore e sullo statore, creando un percorso più tortuoso per il fluido. Questo design migliora le prestazioni di tenuta aumentando la turbolenza e riducendo la velocità del fluido.
3. Guarnizioni a gradini: le guarnizioni a labirinto a gradini incorporano gradini o modifiche nel gioco della guarnizione lungo il percorso del fluido. Questa progettazione crea una serie di cadute di pressione, riducendo ulteriormente le perdite.
4. Guarnizioni radiali: le guarnizioni radiali a labirinto sono progettate per controllare le perdite nella direzione radiale, perpendicolarmente all'asse dell'albero. Sono spesso utilizzate insieme ad altri tipi di guarnizioni per fornire una soluzione di tenuta completa.

Guarnizioni per alberi non rotanti

Guarnizioni dell'albero non rotanti, o guarnizioni statiche, vengono utilizzate quando non c'è movimento relativo tra l'albero e lo statore. Queste guarnizioni si trovano spesso in applicazioni quali apparecchiature di lavorazione di petrolio e gas, impianti chimici e turbine a vapore. Alcuni tipi comuni di guarnizioni a labirinto per alberi non rotanti includono:

1. Guarnizioni positive: le guarnizioni a labirinto positive creano una tenuta stagna tra l'albero e lo statore, impedendo perdite grazie al contatto costante tra le superfici di tenuta.
2. Guarnizioni restrittive: le guarnizioni restrittive, note anche come guarnizioni di gioco, mantengono una stretta distanza tra l'albero e lo statore senza contatto diretto. Si basano sullo stretto spazio e sull'effetto labirinto per ridurre al minimo le perdite.
3. Guarnizioni a film liquido: queste guarnizioni utilizzano un sottile film di liquido, spesso olio, per creare una barriera tra l'albero e lo statore. Il film liquido aiuta a ridurre l'usura e a migliorare le prestazioni di tenuta.
4. Guarnizioni terminali dell'albero: le guarnizioni terminali dell'albero sono progettate per impedire perdite all'estremità di un albero, dove si estende attraverso un alloggiamento o una cassa. Queste guarnizioni possono essere positive o restrittive, a seconda dei requisiti dell'applicazione.

Tipi di sigilli a labirinto

Le guarnizioni a labirinto sono disponibili in varie configurazioni progettate per applicazioni e condizioni operative specifiche. Le due categorie principali di guarnizioni a labirinto sono le guarnizioni per alberi rotanti e le guarnizioni per alberi non rotanti.

Guarnizioni per alberi rotanti

Le guarnizioni per alberi rotanti, note anche come guarnizioni dinamiche, sono utilizzate in applicazioni in cui l'albero è in movimento rispetto allo statore. Queste guarnizioni si trovano comunemente nei motori a turbina a gas, nei compressori e nelle pompe. Esistono diversi tipi di guarnizioni a labirinto per alberi rotanti:

1. Guarnizioni a labirinto dritte: queste guarnizioni presentano un percorso semplice e dritto per la navigazione del fluido. Sono utilizzate in applicazioni con differenziali di pressione inferiori e requisiti di tenuta meno esigenti.
2. Guarnizioni a labirinto sfalsate: le guarnizioni sfalsate hanno denti alternati sul rotore e sullo statore, creando un percorso più tortuoso per il fluido. Questo design migliora le prestazioni di tenuta aumentando la turbolenza e riducendo la velocità del fluido.
3. Guarnizioni a gradini: le guarnizioni a labirinto a gradini incorporano gradini o modifiche nel gioco della guarnizione lungo il percorso del fluido. Questa progettazione crea una serie di cadute di pressione, riducendo ulteriormente le perdite.
4. Guarnizioni radiali: le guarnizioni radiali a labirinto sono progettate per controllare le perdite nella direzione radiale, perpendicolarmente all'asse dell'albero. Sono spesso utilizzate insieme ad altri tipi di guarnizioni per fornire una soluzione di tenuta completa.

Guarnizioni per alberi non rotanti

Le guarnizioni per alberi non rotanti, o guarnizioni statiche, vengono utilizzate quando non c'è movimento relativo tra l'albero e lo statore. Queste guarnizioni si trovano spesso in applicazioni quali apparecchiature di lavorazione di petrolio e gas, impianti chimici e turbine a vapore. Alcuni tipi comuni di guarnizioni a labirinto per alberi non rotanti includono:

1. Guarnizioni positive: le guarnizioni a labirinto positive creano una tenuta stagna tra l'albero e lo statore, impedendo perdite grazie al contatto costante tra le superfici di tenuta.
2. Guarnizioni restrittive: le guarnizioni restrittive, note anche come guarnizioni di gioco, mantengono una stretta distanza tra l'albero e lo statore senza contatto diretto. Si basano sullo stretto spazio e sull'effetto labirinto per ridurre al minimo le perdite.
3. Guarnizioni a film liquido: queste guarnizioni utilizzano un sottile film di liquido, spesso olio, per creare una barriera tra l'albero e lo statore. Il film liquido aiuta a ridurre l'usura e a migliorare le prestazioni di tenuta.
4. Guarnizioni terminali dell'albero: le guarnizioni terminali dell'albero sono progettate per impedire perdite all'estremità di un albero, dove si estende attraverso un alloggiamento o una cassa. Queste guarnizioni possono essere positive o restrittive, a seconda dei requisiti dell'applicazione.

Materiali delle guarnizioni a labirinto

Vantaggi delle guarnizioni a labirinto

Basse perdite

Uno dei principali vantaggi delle guarnizioni a labirinto è la loro capacità di ridurre al minimo i tassi di perdita. Il percorso tortuoso creato dal design unico della guarnizione costringe il fluido a navigare attraverso una serie di restrizioni, riducendone la pressione e la velocità. Ciò si traduce in perdite notevolmente inferiori rispetto ad altri tipi di guarnizioni, rendendo le guarnizioni a labirinto una scelta ideale per applicazioni in cui la perdita di fluido deve essere ridotta al minimo.

Funzionamento senza contatto

Le guarnizioni a labirinto funzionano senza contatto diretto tra i componenti rotanti e fissi. Questo design senza contatto elimina l'attrito e l'usura, prolungando la durata della guarnizione e riducendo i requisiti di manutenzione. L'assenza di contatto significa anche che le guarnizioni a labirinto possono adattarsi a piccoli disallineamenti dell'albero e variazioni nell'espansione termica senza compromettere le prestazioni di tenuta.

Soluzione conveniente

Rispetto ad altre tecnologie di tenuta, come le tenute meccaniche, le tenute a labirinto offrono una soluzione conveniente. Hanno un design semplice, sono facili da produrre e richiedono una manutenzione minima. Inoltre, il funzionamento senza contatto delle tenute a labirinto elimina la necessità di costosi sistemi di supporto delle tenute, riducendo ulteriormente i costi complessivi.

Svantaggi delle guarnizioni a labirinto

Perdite maggiori rispetto alle guarnizioni di contatto

Sebbene le guarnizioni a labirinto forniscano bassi tassi di perdite rispetto ad altre guarnizioni senza contatto, consentono comunque più perdite rispetto alle guarnizioni a contatto, come le guarnizioni meccaniche. La distanza tra i componenti rotanti e fissi, necessaria per il funzionamento senza contatto, consente intrinsecamente la fuoriuscita di una parte del fluido.

Sensibilità alle modifiche di autorizzazione

Le prestazioni delle guarnizioni a labirinto dipendono in larga misura dal mantenimento del corretto gioco tra i componenti rotanti e fissi. Fattori quali l'espansione termica, la crescita centrifuga e l'usura possono alterare questo gioco, influenzando le prestazioni di tenuta.

Capacità di pressione differenziale limitata

Le guarnizioni a labirinto sono più efficaci quando operano con differenziali di pressione moderati. Man mano che il differenziale di pressione aumenta, il tasso di perdita attraverso la guarnizione aumenta. Questa limitazione rende le guarnizioni a labirinto meno adatte per applicazioni con differenziali di pressione estremamente elevati, dove altre tecnologie di tenuta potrebbero essere più appropriate.

Applicazioni delle guarnizioni a labirinto

Motori a turbina a gas

Le guarnizioni a labirinto sono ampiamente utilizzate nei motori a turbina a gas per sigillare le camere dei cuscinetti, controllare le perdite di olio e impedire l'ingresso di contaminanti. L'ambiente ad alta temperatura e alta pressione dei motori a turbina a gas rende le guarnizioni a labirinto una scelta ideale grazie al loro design senza contatto e alla capacità di gestire condizioni difficili. Le guarnizioni a labirinto progettate correttamente aiutano a mantenere l'efficienza e l'affidabilità del motore.

Compressori e Turbine

Nei compressori e nelle turbine, le guarnizioni a labirinto sono utilizzate per ridurre al minimo le perdite tra gli stadi, impedendo la perdita di gas compressi o vapore. Sono inoltre impiegate per sigillare le estremità dell'albero, riducendo la perdita di fluido nell'atmosfera. L'uso di guarnizioni a labirinto in queste applicazioni aiuta a mantenere l'efficienza delle apparecchiature e riduce l'impatto ambientale delle perdite di fluido.

Pompe e sistemi idraulici

Le guarnizioni a labirinto trovano applicazione in pompe e sistemi idraulici, dove vengono utilizzate per controllare le perdite di fluido lungo gli alberi rotanti. In questi sistemi, le guarnizioni a labirinto aiutano a mantenere i livelli di pressione richiesti, a prevenire la contaminazione del fluido e a prolungare la durata di cuscinetti e altri componenti riducendo al minimo l'ingresso di particelle abrasive.

Industria aerospaziale

L'industria aerospaziale fa molto affidamento sulle guarnizioni a labirinto per varie applicazioni, tra cui la sigillatura degli alberi motore, il controllo dell'aria di spurgo e la sigillatura dei sistemi di alimentazione. La capacità delle guarnizioni a labirinto di funzionare ad alte velocità, gestire alte temperature e resistere alle vibrazioni e alle sollecitazioni riscontrate nelle applicazioni aerospaziali le rende un componente fondamentale per garantire la sicurezza e l'affidabilità dei sistemi aeronautici.