Qual è la differenza tra guarnizione a spazzola e guarnizione a labirinto?

Nel campo delle tecnologie di tenuta, le guarnizioni a spazzola e le guarnizioni a labirinto sono due soluzioni distinte impiegate per controllare le perdite di fluido e mantenere le differenze di pressione nei macchinari rotanti. Mentre entrambe servono allo scopo di tenuta, i loro design, materiali e caratteristiche di prestazione differiscono in modo significativo.

Questo articolo approfondirà i dettagli delle guarnizioni a spazzola e delle guarnizioni a labirinto, confrontandone le strutture, le applicazioni e l'efficacia in vari contesti industriali.

Che cosa è la guarnizione a spazzola

Una guarnizione a spazzola è un tipo di tenuta meccanica che utilizza un denso pacco di setole, solitamente realizzate in acciaio inossidabile, per creare un meccanismo di tenuta flessibile tra componenti fissi e rotanti in turbomacchine. Le setole sono angolate nella direzione di rotazione, consentendo un'interfaccia di tenuta conforme che può adattarsi al movimento radiale e alle escursioni dell'albero mantenendo al contempo un gioco minimo. Questo design unico consente alle guarnizioni a spazzola di fornire una tenuta efficace anche in caso di differenziali di pressione e velocità di rotazione elevate.

Le guarnizioni a spazzola offrono diversi vantaggi rispetto alle tradizionali guarnizioni a labirinto. Il pacco di setole si adatta alla superficie del rotore, riducendo al minimo gli spazi di perdita e il flusso di perdita. La conformità delle setole consente una migliore sistemazione della dinamica del rotore, della crescita termica e di altri fattori operativi. Inoltre, le guarnizioni a spazzola possono essere utilizzate in combinazione con guarnizioni a labirinto o altre tecnologie di tenuta per migliorare ulteriormente le prestazioni di tenuta.

L'applicazione delle guarnizioni a spazzola si è estesa a vari settori, tra cui turbine a vapore, turbine a gas e motori aerospaziali. Nelle applicazioni delle turbine a vapore, le guarnizioni a spazzola possono ridurre significativamente le perdite di vapore, migliorando l'efficienza complessiva della macchina e riducendo le costose perdite di vapore. Le guarnizioni a spazzola sono utilizzate anche nelle turbine a gas industriali e nei motori a reazione per ridurre al minimo il flusso d'aria di perdita, con conseguente miglioramento dell'efficienza operativa.

Cos'è il sigillo del labirinto

UN sigillo a labirinto è un tipo di guarnizione senza contatto che utilizza una serie di passaggi intricati, simili a labirinti, per creare un percorso tortuoso per il flusso del fluido. La guarnizione è composta da una serie di denti o alette a labirinto disposti secondo uno schema specifico, con ogni dente che crea una piccola caduta di pressione. Mentre il fluido naviga attraverso il labirinto, subisce una serie di espansioni e contrazioni, con conseguente significativa riduzione della pressione attraverso la guarnizione.

Le guarnizioni a labirinto si basano sul principio di creare cadute di pressione multiple per ridurre al minimo il flusso di perdita. L'efficacia di una guarnizione a labirinto dipende da fattori quali il numero di denti del labirinto, la loro geometria e il gioco tra i componenti rotanti e fissi. Il gioco è progettato per essere il più piccolo possibile, pur consentendo un funzionamento sicuro e adattandosi a fattori quali l'espansione termica e la dinamica del rotore.

Uno dei principali vantaggi delle guarnizioni a labirinto è la loro natura senza contatto, che riduce al minimo l'usura sulla superficie del rotore e prolunga la durata della guarnizione. Le guarnizioni a labirinto sono anche relativamente semplici nella progettazione e possono essere facilmente prodotte e mantenute. Tuttavia, sono sensibili alle variazioni di gioco e possono subire maggiori perdite se il gioco diventa troppo grande a causa dell'usura o delle condizioni operative.

Le guarnizioni a labirinto trovano applicazione in vari macchinari rotanti, come turbine a vapore, turbine a gas e compressori. Sono spesso utilizzate in combinazione con altre tecnologie di tenuta, come guarnizioni a spazzola o guarnizioni abradibili, per fornire una soluzione di tenuta completa.

Differenze principali tra guarnizione a spazzola e guarnizione a labirinto

Meccanismo di tenuta

Le guarnizioni a spazzola sono costituite da setole fittamente stipate, solitamente realizzate in acciaio inossidabile, che formano un'interfaccia di tenuta conforme. Le setole si flettono e si adattano ai movimenti del rotore, mantenendo una distanza ravvicinata.

Al contrario, le guarnizioni a labirinto si basano su una serie di denti rigidi o lame di coltello che creano un percorso tortuoso per il flusso del fluido. Le guarnizioni a labirinto non hanno un elemento di tenuta conforme come le guarnizioni a spazzola.

Contatto

Le guarnizioni a spazzola sono guarnizioni di tipo a contatto, ovvero le setole entrano in leggero contatto con la superficie del rotore. Questo contatto consente alle guarnizioni a spazzola di adattarsi alle escursioni e alle vibrazioni del rotore, mantenendo al contempo una tenuta efficace.

Le guarnizioni a labirinto, d'altro canto, sono guarnizioni senza contatto. Mantengono un piccolo gioco tra i denti della guarnizione e il rotore, basandosi sulla caduta di pressione attraverso il percorso del labirinto per ridurre le perdite.

Riduzione delle perdite

Le guarnizioni a spazzola offrono una riduzione delle perdite superiore rispetto alle guarnizioni a labirinto. Il pacco di setole conforme si adatta al rotore, riducendo al minimo gli spazi di perdita. Una singola guarnizione a spazzola può ridurre le perdite fino a 90% rispetto alle guarnizioni a labirinto convenzionali.

Le guarnizioni a labirinto, pur essendo efficaci, hanno perdite intrinseche dovute al gioco tra i denti della guarnizione e il rotore. Le perdite nelle guarnizioni a labirinto aumentano nel tempo man mano che i giochi aumentano a causa dell'usura e della crescita termica.

Durabilità

Le guarnizioni a labirinto hanno generalmente una maggiore durata rispetto alle guarnizioni a spazzola. La geometria rigida delle guarnizioni a labirinto le rende resistenti all'usura e al deterioramento.

Le guarnizioni a spazzola, a causa della loro natura a contatto, si usurano nel tempo perché le setole sfregano contro la superficie del rotore.

Intervallo di temperatura

Sia le guarnizioni a spazzola che quelle a labirinto possono funzionare in un ampio intervallo di temperature. Tuttavia, le guarnizioni a spazzola hanno un leggero vantaggio nelle applicazioni ad alta temperatura. Le setole delle guarnizioni a spazzola, solitamente realizzate in superleghe a base di cobalto o nichel, possono resistere a temperature fino a 800 °C (1.472 °F). Le guarnizioni a labirinto, a seconda del materiale utilizzato, possono funzionare a temperature fino a circa 650 °C (1.200 °F). La natura conforme delle guarnizioni a spazzola consente loro di adattarsi alla crescita termica in modo più efficace rispetto alle guarnizioni a labirinto rigide.

Applicazioni

Le guarnizioni a spazzola e le guarnizioni a labirinto trovano applicazione in vari turbomacchinari, tra cui turbine a vapore, turbine a gas, compressori e pompe. Le guarnizioni a spazzola sono particolarmente efficaci in applicazioni con differenziali di pressione elevati, come la tenuta della ghiandola della turbina a vapore e la tenuta della coppa dell'olio della turbina a gas. Sono anche utilizzate in combinazione con le guarnizioni a labirinto per migliorare le prestazioni di tenuta complessive.

Le guarnizioni a labirinto sono ampiamente utilizzate in applicazioni con differenziali di pressione inferiori e dove è preferibile una tenuta senza contatto. Si trovano comunemente nella tenuta del turbocompressore, nella tenuta dell'occhio del compressore e come guarnizioni interstadio in turbine e compressori.