Wat is een labyrintzegel

In de wereld van machines is afdichtingstechnologie een kritisch aspect dat zorgt voor een efficiënte werking en levensduur van apparatuur. Van de verschillende afdichtingsoplossingen heeft de labyrintafdichting veel aandacht gekregen vanwege zijn unieke ontwerp en prestatiekenmerken.

In deze blogpost duiken we in de complexiteit van labyrintafdichtingen en onderzoeken we hun structuur, werkingsprincipes en toepassingen in uiteenlopende machineomgevingen.

Wat is een labyrintzegel

Een labyrintzegel is een soort mechanische verzegeling die gebruikmaakt van een reeks cascadekamers gevormd door tandachtige uitsteeksels en groeven om een kronkelig pad te creëren, waardoor de vloeistofstroom effectief wordt beperkt en lekkage wordt verminderd. Labyrintafdichtingen worden veel gebruikt in verschillende industriële toepassingen, met name in roterende apparatuur zoals gasturbinemotoren, compressoren en pompen, waar ze helpen drukverschillen te handhaven en het ontsnappen van procesvloeistoffen of het binnendringen van verontreinigingen te voorkomen.

Het primaire doel van een labyrintafdichting is het minimaliseren van lekkage tussen twee gebieden met verschillende druk, zoals tussen een hogedrukkamer en een lagedrukkamer, of tussen een bewegend onderdeel (bijv. een roterende as) en een stationair onderdeel (bijv. een behuizing of stator). Door een complex pad te creëren waar de vloeistof doorheen moet navigeren, verminderen labyrintafdichtingen de stroomsnelheid en drukval over de afdichting aanzienlijk, waardoor de algehele efficiëntie en prestaties van het systeem worden verbeterd.

Hoe labyrintzegels werken

Het werkingsprincipe van labyrintafdichtingen is gebaseerd op het creëren van een reeks drukvallen over de lengte van de afdichting. Wanneer de vloeistof de labyrintafdichting binnenkomt, komt deze een reeks afwisselende tanden en groeven tegen die de vloeistof dwingen om meerdere keren van richting te veranderen. Dit kronkelige pad zorgt ervoor dat de vloeistof kinetische energie verliest door wrijving en turbulentie, wat resulteert in een drukafname in elke fase.

De drukval over elke kamer van de labyrintafdichting is evenredig met het kwadraat van de vloeistofsnelheid. Terwijl de vloeistof door de afdichting beweegt, ervaart deze een snelle uitzetting en inkrimping, wat leidt tot de vorming van wervelingen en kolken. Deze wervelingen dragen verder bij aan de drukval en helpen de energie van de vloeistof af te voeren.

Soorten labyrintafdichtingen

Roterende asafdichtingen

Roterende asafdichtingen, ook wel dynamische afdichtingen genoemd, worden gebruikt in toepassingen waarbij de as in beweging is ten opzichte van de stator. Deze afdichtingen worden vaak aangetroffen in gasturbinemotoren, compressoren en pompen. Er zijn verschillende soorten roterende aslabyrintafdichtingen:

1. Rechte labyrintafdichtingen: Deze afdichtingen hebben een eenvoudig, recht pad waarlangs de vloeistof kan navigeren. Ze worden gebruikt in toepassingen met lagere drukverschillen en minder veeleisende afdichtingsvereisten.
2. Verspringende labyrintafdichtingen: Verspringende afdichtingen hebben afwisselende tanden op de rotor en stator, waardoor een kronkeliger pad voor de vloeistof ontstaat. Dit ontwerp verbetert de afdichtingsprestaties door de turbulentie te verhogen en de vloeistofsnelheid te verlagen.
3. Getrapte afdichtingen: Getrapte labyrintafdichtingen bevatten stappen of veranderingen in de afdichtingsspeling langs het vloeistofpad. Dit ontwerp creëert een reeks drukdalingen, waardoor lekkage verder wordt verminderd.
4. Radiale afdichtingen: Radiale labyrintafdichtingen zijn ontworpen om lekkage in radiale richting, loodrecht op de as van de as, te beheersen. Ze worden vaak gebruikt in combinatie met andere soorten afdichtingen om een complete afdichtingsoplossing te bieden.

Niet-roterende asafdichtingen

Niet-roterende asafdichtingen, of statische afdichtingen, worden gebruikt wanneer er geen relatieve beweging is tussen de as en de stator. Deze afdichtingen worden vaak aangetroffen in toepassingen zoals olie- en gasverwerkingsapparatuur, chemische fabrieken en stoomturbines. Enkele veelvoorkomende typen niet-roterende aslabyrintafdichtingen zijn:

1. Positieve afdichtingen: Positieve labyrintafdichtingen zorgen voor een strakke afdichting tussen de as en de stator. Lekkage wordt voorkomen doordat er constant contact is tussen de afdichtingsoppervlakken.
2. Restrictieve afdichtingen: Restrictieve afdichtingen, ook wel spelingafdichtingen genoemd, zorgen voor een nauwe speling tussen de as en de stator zonder direct contact. Ze vertrouwen op de nauwe opening en het labyrinteffect om lekkage te minimaliseren.
3. Vloeistoffilmafdichtingen: Deze afdichtingen maken gebruik van een dunne laag vloeistof, vaak olie, om een barrière te creëren tussen de as en de stator. De vloeistoffilm helpt slijtage te verminderen en de afdichtingsprestaties te verbeteren.
4. Aseindafdichtingen: Aseindafdichtingen zijn ontworpen om lekkage aan het uiteinde van een as te voorkomen, waar deze door een behuizing of omhulsel loopt. Deze afdichtingen kunnen positief of beperkend zijn, afhankelijk van de toepassingsvereisten.

Soorten labyrintafdichtingen

Labyrintafdichtingen zijn er in verschillende configuraties die zijn ontworpen voor specifieke toepassingen en bedrijfsomstandigheden. De twee belangrijkste categorieën labyrintafdichtingen zijn roterende asafdichtingen en niet-roterende asafdichtingen.

Roterende asafdichtingen

Roterende asafdichtingen, ook wel dynamische afdichtingen genoemd, worden gebruikt in toepassingen waarbij de as in beweging is ten opzichte van de stator. Deze afdichtingen worden vaak aangetroffen in gasturbinemotoren, compressoren en pompen. Er zijn verschillende soorten roterende aslabyrintafdichtingen:

1. Rechte labyrintafdichtingen: Deze afdichtingen hebben een eenvoudig, recht pad waarlangs de vloeistof kan navigeren. Ze worden gebruikt in toepassingen met lagere drukverschillen en minder veeleisende afdichtingsvereisten.
2. Verspringende labyrintafdichtingen: Verspringende afdichtingen hebben afwisselende tanden op de rotor en stator, waardoor een kronkeliger pad voor de vloeistof ontstaat. Dit ontwerp verbetert de afdichtingsprestaties door de turbulentie te verhogen en de vloeistofsnelheid te verlagen.
3. Getrapte afdichtingen: Getrapte labyrintafdichtingen bevatten stappen of veranderingen in de afdichtingsspeling langs het vloeistofpad. Dit ontwerp creëert een reeks drukdalingen, waardoor lekkage verder wordt verminderd.
4. Radiale afdichtingen: Radiale labyrintafdichtingen zijn ontworpen om lekkage in radiale richting, loodrecht op de as van de as, te beheersen. Ze worden vaak gebruikt in combinatie met andere soorten afdichtingen om een complete afdichtingsoplossing te bieden.

Niet-roterende asafdichtingen

Niet-roterende asafdichtingen, of statische afdichtingen, worden gebruikt wanneer er geen relatieve beweging is tussen de as en de stator. Deze afdichtingen worden vaak aangetroffen in toepassingen zoals olie- en gasverwerkingsapparatuur, chemische fabrieken en stoomturbines. Enkele veelvoorkomende typen niet-roterende aslabyrintafdichtingen zijn:

1. Positieve afdichtingen: Positieve labyrintafdichtingen zorgen voor een strakke afdichting tussen de as en de stator. Lekkage wordt voorkomen doordat er constant contact is tussen de afdichtingsoppervlakken.
2. Restrictieve afdichtingen: Restrictieve afdichtingen, ook wel spelingafdichtingen genoemd, zorgen voor een nauwe speling tussen de as en de stator zonder direct contact. Ze vertrouwen op de nauwe opening en het labyrinteffect om lekkage te minimaliseren.
3. Vloeistoffilmafdichtingen: Deze afdichtingen maken gebruik van een dunne laag vloeistof, vaak olie, om een barrière te creëren tussen de as en de stator. De vloeistoffilm helpt slijtage te verminderen en de afdichtingsprestaties te verbeteren.
4. Aseindafdichtingen: Aseindafdichtingen zijn ontworpen om lekkage aan het uiteinde van een as te voorkomen, waar deze door een behuizing of omhulsel loopt. Deze afdichtingen kunnen positief of beperkend zijn, afhankelijk van de toepassingsvereisten.

Materialen van labyrintafdichtingen

Voordelen van labyrintafdichtingen

Lage lekkagepercentages

Een van de belangrijkste voordelen van labyrintafdichtingen is hun vermogen om lekkage te minimaliseren. Het kronkelige pad dat door het unieke ontwerp van de afdichting wordt gecreëerd, dwingt de vloeistof om door een reeks beperkingen te navigeren, waardoor de druk en snelheid worden verlaagd. Dit resulteert in aanzienlijk minder lekkage vergeleken met andere soorten afdichtingen, waardoor labyrintafdichtingen een ideale keuze zijn voor toepassingen waarbij vloeistofverlies tot een minimum moet worden beperkt.

Contactloze werking

Labyrintafdichtingen werken zonder direct contact tussen de roterende en stationaire componenten. Dit contactloze ontwerp elimineert wrijving en slijtage, waardoor de levensduur van de afdichting wordt verlengd en de onderhoudsvereisten worden verminderd. Het ontbreken van contact betekent ook dat labyrintafdichtingen kleine asafwijkingen en variaties in thermische uitzetting kunnen opvangen zonder de afdichtingsprestaties in gevaar te brengen.

Kosteneffectieve oplossing

Vergeleken met andere afdichtingstechnologieën, zoals mechanische afdichtingen, bieden labyrintafdichtingen een kosteneffectieve oplossing. Ze hebben een eenvoudig ontwerp, zijn gemakkelijk te produceren en vereisen minimaal onderhoud. Bovendien elimineert de contactloze werking van labyrintafdichtingen de noodzaak voor dure afdichtingsondersteuningssystemen, wat de totale kosten verder verlaagt.

Nadelen van labyrintzegels

Hogere lekkage vergeleken met contactafdichtingen

Hoewel labyrintafdichtingen een lage lekkagegraad hebben vergeleken met andere contactloze afdichtingen, laten ze nog steeds meer lekkage toe dan contactafdichtingen, zoals mechanische afdichtingen. De speling tussen de roterende en stationaire componenten, die nodig is voor contactloze werking, laat inherent wat vloeistof ontsnappen.

Gevoeligheid voor wijzigingen in de klaring

De prestaties van labyrintafdichtingen zijn sterk afhankelijk van het handhaven van de juiste speling tussen de roterende en stationaire componenten. Factoren zoals thermische uitzetting, centrifugale groei en slijtage kunnen deze speling veranderen, wat de afdichtingsprestaties beïnvloedt.

Beperkte drukverschilcapaciteit

Labyrintafdichtingen zijn het meest effectief bij gebruik onder matige drukverschillen. Naarmate het drukverschil toeneemt, lekkagepercentage door de afdichting neemt ook toe. Deze beperking maakt labyrintafdichtingen minder geschikt voor toepassingen met extreem hoge drukverschillen, waar andere afdichtingstechnologieën wellicht geschikter zijn.

Toepassingen van labyrintafdichtingen

Gasturbinemotoren

Labyrintafdichtingen worden veelvuldig gebruikt in gasturbinemotoren om lagerkamers af te dichten, olielekkage te beheersen en het binnendringen van verontreinigingen te voorkomen. De omgeving met hoge temperaturen en hoge druk van gasturbinemotoren maakt labyrintafdichtingen een ideale keuze vanwege hun contactloze ontwerp en vermogen om zware omstandigheden aan te kunnen. Goed ontworpen labyrintafdichtingen helpen de efficiëntie en betrouwbaarheid van de motor te behouden.

Compressoren en turbines

In compressoren en turbines worden labyrintafdichtingen gebruikt om lekkage tussen fasen te minimaliseren, waardoor verlies van samengeperste gassen of stoom wordt voorkomen. Ze worden ook gebruikt om de uiteinden van de assen af te dichten, waardoor vloeistoflekkage naar de atmosfeer wordt verminderd. Het gebruik van labyrintafdichtingen in deze toepassingen helpt de efficiëntie van de apparatuur te behouden en vermindert de milieu-impact van vloeistoflekkage.

Pompen en hydraulische systemen

Labyrintafdichtingen worden toegepast in pompen en hydraulische systemen, waar ze worden gebruikt om vloeistoflekkage langs roterende assen te beheersen. In deze systemen helpen labyrintafdichtingen de vereiste drukniveaus te handhaven, vloeistofverontreiniging te voorkomen en de levensduur van lagers en andere componenten te verlengen door de binnendringing van schurende deeltjes te minimaliseren.

Lucht- en ruimtevaartindustrie

De lucht- en ruimtevaartindustrie vertrouwt zwaar op labyrintafdichtingen voor verschillende toepassingen, waaronder het afdichten van motorassen, het regelen van bleed air en het afdichten van brandstofsystemen. Het vermogen van labyrintafdichtingen om op hoge snelheden te werken, hoge temperaturen aan te kunnen en bestand te zijn tegen de trillingen en spanningen die voorkomen in lucht- en ruimtevaarttoepassingen, maakt ze een cruciaal onderdeel bij het waarborgen van de veiligheid en betrouwbaarheid van vliegtuigsystemen.