Cos'è un sigillo a labirinto e come funziona

Nel settore dei macchinari, una tenuta inadeguata può causare perdite, contaminazione e prestazioni ridotte, con conseguenti costosi tempi di fermo e riparazioni.

Le guarnizioni a labirinto offrono una soluzione di tenuta robusta e senza contatto che affronta queste sfide. Utilizzando un percorso complesso di componenti interbloccati e sfruttando la forza centrifuga e la turbolenza, le guarnizioni a labirinto riducono al minimo le perdite e mantengono prestazioni ottimali in varie applicazioni.

In questo articolo, approfondiremo le complessità delle guarnizioni a labirinto, esplorandone i componenti, i principi di progettazione e le tipologie. Discuteremo anche dei materiali utilizzati nella loro costruzione, dei loro principali vantaggi rispetto ad altri metodi di tenuta e delle loro diverse applicazioni nei vari settori.

Che cosa è un sigillo del labirinto

Una tenuta a labirinto è un tipo di tenuta meccanica senza contatto progettata per controllare le perdite e ridurre le differenze di pressione tra due aree in varie applicazioni di apparecchiature rotanti. È costituita da una serie di denti o scanalature interbloccate disposte in un complesso schema labirintico tra un componente rotante (rotore) e un componente stazionario (statore).

L'intricato design del labirinto crea un percorso arduo per fluidi o gas da navigare, limitando significativamente il loro flusso da un lato all'altro della guarnizione. Quando il mezzo tenta di passare attraverso la guarnizione, incontra molteplici cambiamenti di direzione, contrazioni ed espansioni. Questo percorso tortuoso, combinato con effetti fluidodinamici, è ciò che consente alle guarnizioni a labirinto di ridurre al minimo le perdite in modo efficace.

Componenti delle guarnizioni a labirinto

• Rotore: Il rotore è la parte rotante del gruppo di tenuta a labirinto. Di solito è attaccato o integrato con l'albero che deve essere sigillato. Il rotore presenta una serie di denti o creste che si incastrano con il componente dello statore.
• Statore: Lo statore è la parte fissa della tenuta a labirinto, solitamente fissata all'alloggiamento o alla cassa che circonda l'albero rotante. Come il rotore, lo statore ha una serie di denti o creste che corrispondono a quelli sul rotore, creando un percorso complesso per il fluido o il gas da sigillare.
• Denti ad incastro: I denti ad incastro sono i principali elementi di tenuta in una tenuta a labirinto. Questi denti, presenti sia sul rotore che sullo statore, creano una serie di piccoli giochi o fessure che rendono difficile il passaggio del fluido o del gas.
• Scanalature: Le scanalature sono gli spazi tra i denti ad incastro sul rotore e sullo statore. Queste scanalature creano un percorso tortuoso per il fluido o il gas, costringendolo a navigare attraverso più giri e cambi di direzione.
• Camere: Le guarnizioni a labirinto spesso presentano camere o cavità tra i denti del rotore e dello statore. Queste camere fungono da spazi di espansione per il fluido o il gas, consentendogli di perdere pressione e velocità mentre si muove attraverso la guarnizione.
• Creste: Oltre ai denti ad incastro, le guarnizioni a labirinto possono incorporare creste o alette sulle superfici del rotore o dello statore. Queste creste interrompono ulteriormente il flusso del fluido o del gas, creando ulteriore turbolenza e resistenza.

Come funzionano le guarnizioni del labirinto

Le guarnizioni a labirinto impediscono la perdita di fluido creando un percorso tortuoso che rende difficile la fuoriuscita del fluido. Quando il fluido entra nella guarnizione a labirinto, incontra una serie di camere formate dai denti ad incastro sui componenti del rotore e dello statore.

Dinamica dei fluidi

Il fluido è costretto a navigare attraverso queste camere strette, perdendo energia cinetica a ogni giro. Questa perdita di energia si verifica a causa dell'attrito e della turbolenza generati all'interno delle camere. Man mano che il fluido avanza più in profondità nel labirinto, la sua pressione e velocità diminuiscono sostanzialmente.

Turbolenza

I bruschi cambiamenti nella direzione e nella velocità del fluido mentre naviga nel labirinto generano un flusso turbolento, che impedisce ulteriormente la capacità del fluido di fuoriuscire attraverso la guarnizione. La turbolenza favorisce anche la miscelazione delle particelle di fluido, dissipandone l'energia e riducendo il tasso di perdita.

Forze centrifughe

Mentre il rotore gira, impartisce una forza centrifuga alle particelle di fluido che tentano di passare attraverso la guarnizione. Questa forza dirige le particelle di fluido lontano dal centro di rotazione e verso i bordi esterni delle camere di tenuta, rendendo più difficile per loro continuare a muoversi lungo il percorso di perdita.

Ripartizione della pressione

La caduta di pressione in ogni camera del labirinto è determinata dalla velocità e dalla densità iniziali del fluido, nonché dalla geometria del labirinto. Con ogni camera successiva, la pressione continua a diminuire fino a quando non si equalizza con la pressione esterna all'uscita del labirinto.

Nel momento in cui il fluido raggiunge la fine del percorso del labirinto, la sua pressione è scesa notevolmente e la sua velocità è notevolmente ridotta. Ciò rende molto più difficile la fuoriuscita del fluido, anche con un design di tenuta senza contatto.

Tipi di sigilli a labirinto

Le guarnizioni a labirinto possono essere suddivise in due tipologie principali in base alla loro applicazione: guarnizioni per alberi rotanti (dinamiche) e guarnizioni per alberi non rotanti (statiche).

Guarnizioni per alberi rotanti (dinamiche)

Le guarnizioni per alberi rotanti, note anche come guarnizioni a labirinto dinamiche, sono progettate per impedire perdite lungo gli alberi rotanti in vari macchinari. Queste guarnizioni si trovano comunemente in turbine, compressori e pompe. Le guarnizioni a labirinto dinamiche possono essere ulteriormente classificate in tre sottotipi:

1. Guarnizioni a labirinto passanti: In questo design, i componenti rotanti e fissi hanno denti o alette che sono disposti in linea retta, perpendicolari all'asse dell'albero. L'effetto di tenuta è ottenuto tramite la creazione di una serie di piccoli giochi tra le parti rotanti e fisse, che causano la perdita di pressione del fluido mentre passa attraverso ogni gioco.
2. Foche del labirinto sfalsate: Le guarnizioni a labirinto sfalsate presentano denti o alette sui componenti rotanti e fissi che sono sfalsati l'uno dall'altro. Questa disposizione crea un percorso più tortuoso per il fluido, portando a prestazioni di tenuta migliori rispetto ai design a passaggio diretto. La configurazione sfalsata aiuta a dissipare l'energia cinetica del fluido in modo più efficace.
3. Sigilli del labirinto a gradini:Le foche a labirinto a gradini possono essere ulteriormente suddivise in due sottotipi: convergenti e divergenti.
   • In una tenuta a gradini convergenti, il gioco tra i componenti rotanti e fissi diminuisce lungo il percorso di tenuta. Questo design accelera il flusso del fluido, riducendone la pressione e creando una tenuta più efficace.
   • Le guarnizioni a gradini divergenti presentano giochi crescenti lungo il percorso di tenuta, che rallentano il flusso del fluido e provocano un recupero di pressione, migliorando le prestazioni di tenuta.

Guarnizioni per alberi non rotanti (statiche)

Le guarnizioni dell'albero non rotanti, o guarnizioni a labirinto statiche, sono utilizzate in applicazioni in cui non vi è alcun movimento relativo tra l'albero e l'alloggiamento. Queste guarnizioni sono progettate per impedire perdite tra componenti fissi, come nelle flange delle condotte, nei coperchi delle valvole e negli scambiatori di calore.

Le guarnizioni a labirinto statiche si basano su una serie di denti o scanalature interbloccate lavorate nelle superfici di accoppiamento dei componenti fissi. La geometria di queste guarnizioni crea un percorso complesso che rende difficile il passaggio del fluido, fornendo così una soluzione di tenuta efficace.

Materiali comuni

• Acciai: gli acciai al carbonio, gli acciai inossidabili e gli acciai legati sono ampiamente utilizzati nella costruzione di guarnizioni a labirinto per la loro resistenza, durevolezza e resistenza all'usura e alla corrosione. Questi materiali sono adatti per ambienti ad alta temperatura e alta pressione.
• Bronzo: le leghe di bronzo, come il bronzo di alluminio e il bronzo di stagno, sono scelte popolari per le guarnizioni a labirinto per la loro eccellente resistenza all'usura e le proprietà di basso attrito. Le guarnizioni in bronzo sono spesso utilizzate in applicazioni che coinvolgono alberi rotanti.
• Polimeri e materie plastiche: le materie plastiche tecniche, come PTFE (politetrafluoroetilene), PEEK (polietere etere chetone) e nylon, sono sempre più utilizzate nei design delle guarnizioni a labirinto. Questi materiali offrono vantaggi come peso ridotto, resistenza alla corrosione e proprietà autolubrificanti, rendendoli adatti per determinate applicazioni a bassa temperatura e bassa pressione.

Vantaggi delle guarnizioni a labirinto

Prestazioni di tenuta efficaci

Le guarnizioni a labirinto forniscono prestazioni di tenuta affidabili creando un percorso tortuoso che rende difficile il passaggio dei fluidi. I denti, le scanalature e le camere interbloccate creano una serie di cadute di pressione, riducendo efficacemente le perdite e mantenendo il differenziale di pressione desiderato.

Funzionamento senza contatto

I componenti del rotore e dello statore non sono fisicamente a contatto tra loro, il che riduce al minimo l'attrito e l'usura.

Tolleranza al disallineamento dell'albero

Gli spazi tra rotore e statore consentono piccoli movimenti radiali e assiali, rendendo le guarnizioni a labirinto meno sensibili ai problemi di allineamento rispetto ad altri tipi di guarnizioni.

Manutenzione ridotta

Le guarnizioni a labirinto non utilizzano parti soggette a usura o componenti consumabili, il che riduce al minimo la necessità di frequenti sostituzioni o regolazioni.

Applicazioni delle guarnizioni a labirinto

Turbomacchine

Le guarnizioni a labirinto sono ampiamente utilizzate nelle turbomacchine, come turbine a gas, turbine a vapore e compressori.

Motori aerospaziali

Nei motori degli aerei, le guarnizioni a labirinto aiutano a contenere l'aria ad alta pressione e i gas di combustione all'interno del motore, garantendo una spinta ottimale e un'efficienza del carburante.

Pompe e sistemi idraulici

Le guarnizioni a labirinto sono utilizzate nelle pompe e nei sistemi idraulici per prevenire perdite di fluido e mantenere la pressione del sistema. Sono particolarmente efficaci nella tenuta di fluidi e fanghi ad alta viscosità.

Riduttori industriali

Nei riduttori industriali, le guarnizioni a labirinto vengono impiegate per sigillare le interfacce tra alberi rotanti e alloggiamenti. Esse impediscono perdite di lubrificante e l'ingresso di contaminanti, che possono causare usura prematura e guasti di ingranaggi e cuscinetti.

Lavorazione chimica e petrolchimica

Le guarnizioni a labirinto trovano applicazione in apparecchiature di lavorazione chimica e petrolchimica, come reattori, colonne di distillazione e scambiatori di calore. Sono utilizzate per sigillare alberi rotanti e impedire perdite di fluidi di processo, che possono essere corrosivi, tossici o infiammabili.