Was ist eine Ventillabyrinthdichtung?

Was ist eine Ventillabyrinthdichtung?

Eine Labyrinthdichtung besteht aus einer Reihe ringförmiger Dichtungszähne, die nacheinander um eine rotierende Welle angeordnet sind. Die zwischen diesen Zähnen gebildeten Lücken und Expansionskammern bewirken eine Drosselwirkung auf das abgedichtete Medium beim Durchgang durch das gewundene Labyrinth und verhindern so Leckagen.
Aufgrund des Spalts zwischen Rotor und Gehäuse in einer Labyrinthdichtung gibt es keinen festen Kontakt, keine Schmierung erforderlich und ermöglicht eine Wärmeausdehnung. Dadurch eignet es sich für Hochtemperatur-, Hochdruck- und Hochgeschwindigkeitsanwendungen. Daher wird diese Dichtungsmethode häufig für Wellenenddichtungen und Zwischenstufendichtungen in Turbinen, Gasturbinen, Kompressoren, Gebläsen und anderen dynamischen Dichtungen verwendet.
Dichtungsmechanismus von Labyrinthdichtungen

Der durch das Labyrinth erzeugte Widerstand, der die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit verringert, wird als „Labyrintheffekt“ bezeichnet. Bei Flüssigkeiten gibt es strömungsdynamische Effekte, einschließlich hydraulischer Widerstands- und Strömungskontraktionseffekte. Bei Gasen gibt es thermodynamische Effekte, wie zum Beispiel die Wärmeumwandlung durch Kompression oder Expansion innerhalb des Labyrinths. Hinzu kommt der „Permeationseffekt“. Der Labyrintheffekt ist ein kombiniertes Ergebnis dieser Faktoren, was den Dichtungsmechanismus von Labyrinthdichtungen recht komplex macht.
1. Reibungseffekt: Wenn austretende Flüssigkeit durch das Labyrinth fließt, verlangsamt die Reibung aufgrund der Flüssigkeitsviskosität den Fluss und verringert die Leckagemenge. Vereinfacht ausgedrückt besteht der Reibungseffekt sowohl aus Längsreibung entlang des Strömungswegs als auch aus lokalem Widerstand, der durch die Biegungen und geometrischen Formen des Labyrinths verursacht wird. Im Allgemeinen führen längere Strömungswege, schärfere Kurven und spitze Zähne zu einem größeren Widerstand und einem erheblichen Druckverlust, wodurch Leckagen reduziert werden.
2. Strömungskontraktionseffekt: Wenn Flüssigkeit durch den Labyrinthspalt strömt, zieht sie sich aufgrund der Trägheit zusammen, wodurch sich der Strömungsquerschnitt verringert. Wenn die Öffnungsfläche A ist, beträgt die minimale Fläche der kontrahierten Strömung Cc A, wobei Cc der Kontraktionskoeffizient ist. Darüber hinaus ändert sich die Gasgeschwindigkeit nach dem Durchgang durch die Öffnung. Unter der Annahme, dass die ideale Strömungsgeschwindigkeit u1 ist, ist die tatsächliche Geschwindigkeit kleiner und wird durch Cd als Geschwindigkeitskoeffizienten angegeben. Somit ist die tatsächliche Strömungsgeschwindigkeit u1 = Cdu1 und die Durchflussrate durch die Öffnung beträgt q = CcCdAu1, wobei Cc·Cd = a (Durchflusskoeffizient) ist. Der Strömungskoeffizient eines Labyrinthspalts hängt von der Spaltform, dem Zahnprofil und der Wandrauheit ab. Bei inkompressiblen Flüssigkeiten hängt sie auch von der Reynolds-Zahl ab, während sie bei kompressiblen Flüssigkeiten vom Druckverhältnis und der Mach-Zahl abhängt. Auch der Strömungszustand vor dem Spalt hat Einfluss darauf. Daher kann man in komplexen Labyrinthen nicht davon ausgehen, dass der Strömungskoeffizient eines einzelnen Spalts für alle Lücken gilt. Experimente zeigen, dass der Durchflusskoeffizient der ersten Stufe kleiner ist und die nachfolgenden Stufen größere Koeffizienten aufweisen. Im Allgemeinen wird der Durchflusskoeffizient mit 1 angenommen, liegt jedoch bei scharfen Zähnen bei etwa 0,7 und bei runden Zähnen nahe bei 1. Normalerweise wird a=1 verwendet, was zu einer Überschätzung der Leckage führt.
3. Thermodynamischer Effekt: Ein ideales Labyrinth-Strömungswegmodell besteht aus einer Reihe ringförmiger Spalten und Hohlräume. Das durch jeden Spalt und Hohlraum strömende Gas kann wie folgt beschrieben werden: Am Spalteingang ist der Gaszustand p0, T0 und die Geschwindigkeit Null. Wenn sich das Gas dem Eingang nähert, zieht es sich zusammen und beschleunigt und erreicht kurz nach der engsten Stelle die maximale Geschwindigkeit. Beim Eintritt in den Hohlraum erweitert sich der Strömungsquerschnitt schlagartig und es bilden sich starke Wirbel. Aus energetischer Sicht wandelt sich Druckenergie vor und nach dem Spalt in kinetische Energie um. Wenn die Temperatur sinkt (Enthalpie h sinkt), dringt Gas mit hoher Geschwindigkeit in die Ringkammer zwischen den Zähnen ein, dehnt sich plötzlich aus und bildet intensive Wirbel. Wirbelreibung wandelt den größten Teil der kinetischen Energie in Wärme um, die vom Gas in der Kammer absorbiert wird, wodurch die Temperatur erhöht wird und die Enthalpie wieder in die Nähe ihres Wertes vor dem Spalt gebracht wird. Für die nächste Lücke bleibt nur noch ein kleiner Teil der kinetischen Energie übrig und der Vorgang wiederholt sich Schritt für Schritt.
4. Permeationseffekt: In einem idealen Labyrinth wandelt sich die kinetische Energie des durch einen Spalt strömenden Gases in der Expansionskammer vollständig in Wärme um. Dies setzt voraus, dass die Geschwindigkeit am nächsten Spalt gegen Null geht, was nur bei besonders breiten und langen Expansionskammern der Fall ist. In einem typischen Labyrinth mit geradem Durchgang können Gasströme ohne ausreichende Energieumwandlung nach dem Durchgang durch den Spalt nur zu einer Seite diffundieren. Durch glatte Wände kann ein Teil des Gases direkt zur Niederdruckseite gelangen, ein Phänomen, das als „Permeationseffekt“ bekannt ist.
Strukturtypen von Labyrinthdichtungen
Labyrinthdichtungen werden anhand der Struktur der Dichtzähne in Dichtleisten und Dichtringe eingeteilt. Die Dichtungsstreifen sind kompakt und seitlich gebogen, um die Reibung beim Berühren des Gehäuses zu verringern, und sie sind leicht auszutauschen. Dichtungsringe bestehen aus 6-8 Sektorblöcken, die in das Gehäuse und die Welle eingesetzt und durch Federn zusammengedrückt werden, um Reibung beim Rotor- und Ringkontakt zu verhindern. Diese Strukturen sind größer und komplexer, wodurch Dichtungsstreifen häufiger eingesetzt werden.
Leckageberechnung in idealen Labyrinthen
Unter folgenden Bedingungen: (1) Das austretende Gas ist ideal, wenn man den Joule-Thomson-Effekt außer Acht lässt, wobei die Enthalpie nur von der Temperatur abhängt; (2) Das Labyrinth besteht aus durchgehenden mehreren Lücken mit ausreichend großen Expansionskammern zwischen den Lücken; (3) Die Strömung durch die Lücken erfährt eine adiabatische Expansion mit einem Strömungskoeffizienten a; (4) Nach dem Passieren der Lücken wird die Energie der Strömungsgeschwindigkeit in der Expansionskammer unter isothermen Bedingungen in Wärme umgewandelt, wodurch die Geschwindigkeit vor der nächsten Lücke auf Null reduziert wird, wodurch das Permeationsphänomen eliminiert wird.
Eigenschaften von Durchgangslabyrinthen
Aufgrund der einfacheren Bearbeitung von Nuten oder Zähnen auf Wellen statt auf Innenflächen sind Löcher oft glatt und bilden mit gerillten oder gezahnten Wellen ein gerades Labyrinth. Dieser Typ ist aufgrund seiner einfachen Herstellung weit verbreitet. Es leidet jedoch unter Permeation, was zu einer höheren Leckage als bei idealen Labyrinthen führt.
Faktoren, die die Labyrintheigenschaften beeinflussen
1. Einfluss der Zähne: Tests zeigen, dass bei einer konstanten Zahnteilung mehr Zähne zu weniger Leckage führen. Eine größere Zahnteilung verringert die Leckage erheblich und verringert die Permeation.
2. Einfluss der Expansionskammer: Tests zeigen, dass flache Expansionskammern besser zur Reduzierung von Leckagen geeignet sind. Instabile Wirbel in flachen Kammern leiten Energie schnell ab und verringern so Leckagen.
3. Einfluss der Hilfskammer: Hilfskammern an glatten Labyrinthwänden verändern den Strömungszustand und verringern bei richtiger Positionierung die Leckage.
Labyrinth-Gasdichtungslücken
Labyrinth-Gasdichtungen werden in Turbinen und anderen rotierenden Maschinen eingesetzt, wobei die Radialspalte durch Lagerspalte, Herstellungstoleranzen, Montagefehler, Bauteilverformung, Rotordurchbiegung, kritische Drehzahlamplituden und Wärmeausdehnung bestimmt werden. Die Wärmeausdehnung ist besonders wichtig und muss mithilfe der statischen und dynamischen Finite-Elemente-Analyse vorab geschätzt werden, um die tatsächlich erforderliche Spaltgröße zu bestimmen.
Designüberlegungen für Labyrinthdichtungen
Wichtige Punkte aus der gesammelten Designerfahrung:
1. Wandeln Sie kinetische Energie in Wärme um, ohne dass Restgeschwindigkeit in die nächste Lücke gelangt. Halten Sie entsprechende Zahnabstände ein oder verwenden Sie Hoch-Tief-Zähne, um die Strömungsrichtung zu ändern. Der Zahnabstand beträgt im Allgemeinen 5–9 mm.
2. Halten Sie die Versiegelungszähne dünn und scharf, mit einer Spitzenstärke von weniger als 0,5 mm. Scharfe Spitzen verschleißen und lösen sich bei gelegentlichem Kontakt mit der Welle, wodurch lokale Überhitzung und Unfälle verhindert werden.
3. Treffen Sie aufgrund erheblicher Leckagen Vorsichtsmaßnahmen beim Abdichten von brennbaren, explosiven oder giftigen Gasen, um eine Kontamination der Umwelt zu vermeiden. Verwenden Sie in den Zwischenräumen Inertgas für einen Druck, der etwas höher ist als der des versiegelten Gases. Wenn eine Vermischung nicht akzeptabel ist, verwenden Sie Vakuum-Labyrinthdichtungen.

Normalerweise wurde eine Labyrinthdichtung entwickelt HochdruckregelventilDas Regelventil ist ein sehr wichtiger Teil der Kraftwerkspipeline. Es gibt viele chinesische Lieferanten von Hochdruckregelventilen, die sich auf die Gestaltung von Regelventilen konzentrieren, und einige chinesische Hersteller von 2500LB-Regelventilen haben gute Erfahrungen mit Hochdruckregelventilen