Qu'est-ce qu'un joint à labyrinthe de valve

Qu’est-ce qu’un joint à labyrinthe de valves ?

Un joint labyrinthe se compose d’une série de dents d’étanchéité annulaires disposées séquentiellement autour d’un arbre rotatif. Les espaces et les chambres d'expansion formés entre ces dents créent un effet d'étranglement sur le fluide scellé lors de son passage à travers le labyrinthe alambiqué, permettant ainsi d'éviter les fuites.
En raison de l'espace entre le rotor et le boîtier dans un joint labyrinthe, il n'y a pas de contact solide, pas besoin de lubrification et permet une dilatation thermique. Cela le rend adapté aux applications à haute température, haute pression et grande vitesse. Par conséquent, cette méthode d'étanchéité est largement utilisée pour les joints d'extrémité d'arbre et les joints inter-étages dans les turbines, les turbines à gaz, les compresseurs, les soufflantes et autres joints dynamiques.
Mécanisme de scellement des sceaux du labyrinthe

La résistance créée par le fluide traversant le labyrinthe, qui réduit son débit, est connue sous le nom d'« effet labyrinthe ». Pour les liquides, il existe des effets dynamiques des fluides, notamment des effets de résistance hydraulique et de contraction du débit. Pour les gaz, il existe des effets thermodynamiques, tels que la conversion de chaleur due à la compression ou à la dilatation au sein du labyrinthe. De plus, il existe un « effet de perméation ». L’effet labyrinthe est le résultat combiné de ces facteurs, rendant le mécanisme d’étanchéité des joints labyrinthes assez complexe.
1. Effet de friction : lorsque le liquide qui fuit traverse le labyrinthe, la friction due à la viscosité du liquide ralentit le débit et réduit la quantité de fuite. En termes simples, l'effet de frottement comprend à la fois un frottement longitudinal le long du trajet d'écoulement et une résistance locale provoquée par les courbures et les formes géométriques du labyrinthe. Généralement, des trajets d'écoulement plus longs, des virages plus serrés et des dents pointues entraînent une plus grande résistance et une perte de pression importante, réduisant ainsi les fuites.
2. Effet de contraction du débit : lorsque le fluide traverse l'espace du labyrinthe, il se contracte en raison de l'inertie, réduisant ainsi la section transversale du débit. Si la surface de l'orifice est A, la surface minimale du flux contracté est Cc A, où Cc est le coefficient de contraction. De plus, la vitesse du gaz change après avoir traversé l’orifice. En supposant que la vitesse d'écoulement idéale est u1, la vitesse réelle est plus petite, donnée par Cd comme coefficient de vitesse. Ainsi, la vitesse d'écoulement réelle u1 = Cdu1 et le débit à travers l'orifice sont q = CcCdAu1, où Cc·Cd = a (coefficient de débit). Le coefficient d'écoulement d'un espace labyrinthe dépend de la forme de l'espace, du profil des dents et de la rugosité de la paroi. Pour les fluides incompressibles, cela dépend également du nombre de Reynolds, tandis que pour les fluides compressibles, cela dépend du rapport de pression et du nombre de Mach. L'état d'écoulement avant l'écart l'affecte également. Par conséquent, dans les labyrinthes complexes, on ne peut pas supposer que le coefficient d’écoulement d’un seul espace s’applique à tous les espaces. Les expériences montrent que le coefficient d'écoulement du premier étage est plus petit et que les étages suivants ont des coefficients plus élevés. Généralement, le coefficient d'écoulement est pris égal à 1, mais il est d'environ 0,7 pour les dents pointues et proche de 1 pour les dents rondes. Habituellement, a=1 est utilisé, conduisant à une surestimation des fuites.
3. Effet thermodynamique : Un modèle de chemin d'écoulement labyrinthique idéal se compose d'une série d'espaces et de cavités annulaires. Le gaz circulant à travers chaque espace et cavité peut être décrit comme suit : à l’entrée de l’espace, l’état du gaz est p0, T0 et sa vitesse est nulle. À mesure que le gaz s’approche de l’entrée, il se contracte et accélère, atteignant sa vitesse maximale peu après la partie la plus étroite. En entrant dans la cavité, la section transversale d’écoulement se dilate soudainement, formant de puissants vortex. D'un point de vue énergétique, l'énergie de pression se convertit en énergie cinétique avant et après l'écart. À mesure que la température baisse (l'enthalpie h diminue), le gaz pénètre à grande vitesse dans la chambre annulaire entre les dents, se dilatant soudainement et formant des vortex intenses. La friction vortex convertit la majeure partie de l'énergie cinétique en chaleur, absorbée par le gaz dans la chambre, augmentant la température et rétablissant l'enthalpie proche de sa valeur avant l'espace. Seule une petite partie de l’énergie cinétique reste pour l’espace suivant, en répétant le processus étape par étape.
4. Effet de perméation : Dans un labyrinthe idéal, l'énergie cinétique du gaz traversant un espace se convertit entièrement en chaleur dans la chambre d'expansion. Cela suppose que la vitesse au prochain espace s'approche de zéro, ce qui ne se produit que dans les chambres d'expansion particulièrement larges et longues. Dans un labyrinthe direct typique, les flux de gaz ne peuvent diffuser que d'un côté après avoir traversé l'espace, sans conversion d'énergie suffisante. Les parois lisses permettent à une partie du gaz de passer directement du côté basse pression, un phénomène connu sous le nom d'« effet de perméation ».
Types de structure des sceaux labyrinthes
Les joints labyrinthe sont classés en bandes d'étanchéité et en bagues d'étanchéité en fonction de la structure des dents d'étanchéité. Les bandes d'étanchéité sont compactes et se plient latéralement pour réduire la friction au contact du boîtier, et elles sont faciles à remplacer. Les bagues d'étanchéité sont constituées de 6 à 8 blocs sectoriels insérés dans le boîtier et l'arbre, comprimés par des ressorts pour éviter les frottements lors du contact du rotor et de la bague. Ces structures sont plus grandes et plus complexes, ce qui rend les bandes d'étanchéité plus largement utilisées.
Calcul des fuites dans des labyrinthes idéaux
Étant donné les conditions suivantes : (1) Le gaz qui fuit est idéal, ignorant l'effet Joule-Thomson, avec une enthalpie dépendant uniquement de la température ; (2) Le labyrinthe est constitué de multiples espaces continus avec des chambres d'expansion suffisamment grandes entre les espaces ; (3) L'écoulement à travers les interstices subit une expansion adiabatique, avec un coefficient d'écoulement a ; (4) Après avoir traversé les espaces, l'énergie de la vitesse d'écoulement se convertit en chaleur dans la chambre d'expansion dans des conditions isothermes, réduisant la vitesse à zéro avant l'espace suivant, éliminant ainsi le phénomène de perméation.
Caractéristiques des labyrinthes directs
En raison de l'usinage plus facile des rainures ou des dents sur les arbres plutôt que des surfaces intérieures, les trous sont souvent lisses, formant un labyrinthe droit avec des arbres rainurés ou dentés. Ce type est largement utilisé en raison de sa facilité de fabrication. Cependant, il souffre de perméation, ce qui entraîne des fuites plus importantes que les labyrinthes idéaux.
Facteurs influençant les caractéristiques du labyrinthe
1. Influence des dents : les tests montrent qu’avec un pas de dent constant, plus de dents entraînent moins de fuites. Un pas de dent plus grand réduit considérablement les fuites et atténue la perméation.
2. Influence de la chambre d'expansion : les tests indiquent que les chambres d'expansion peu profondes sont plus efficaces pour réduire les fuites. Les tourbillons instables dans les chambres peu profondes dissipent rapidement l’énergie, réduisant ainsi les fuites.
3. Influence des chambres auxiliaires : les chambres auxiliaires situées sur des parois de labyrinthe lisses modifient l'état d'écoulement, réduisant ainsi les fuites si elles sont correctement positionnées.
Lacunes du joint au gaz du labyrinthe
Les joints à gaz labyrinthe sont utilisés dans les turbines et autres machines tournantes, avec des jeux radiaux déterminés par les jeux de roulements, les tolérances de fabrication, les erreurs d'assemblage, la déformation des composants, la déflexion du rotor, les amplitudes de vitesse critiques et la dilatation thermique. La dilatation thermique est particulièrement importante et doit être pré-estimée à l'aide d'une analyse par éléments finis statique et dynamique pour déterminer la taille réelle de l'espace requis.
Considérations de conception pour les joints à labyrinthe
Points clés de l’expérience de conception accumulée :
1. Convertissez l'énergie cinétique en chaleur sans que la vitesse résiduelle n'entre dans l'espace suivant. Maintenez des distances appropriées entre les dents ou utilisez des dents hautes et basses pour changer la direction du débit. L'espacement des dents est généralement de 5 à 9 mm.
2. Gardez les dents de scellement fines et tranchantes, avec une épaisseur de pointe inférieure à 0,5 mm. Les pointes pointues s'usent et se détachent lors d'un contact occasionnel avec l'arbre, évitant ainsi une surchauffe locale et des accidents.
3. En raison de fuites importantes, prenez des précautions lors du scellement des gaz inflammables, explosifs ou toxiques pour éviter toute contamination de l'environnement. Utilisez du gaz inerte dans les espaces pour une pression légèrement supérieure à celle du gaz scellé ; si le mélange est inacceptable, utiliser des joints à labyrinthe sous vide.

Le sceau labyrinthe était normalement conçu pour vanne de régulation haute pressionLa vanne de régulation est une pièce très importante dans le pipeline des centrales électriques. De nombreux fournisseurs chinois de vannes de régulation haute pression se concentrent sur la conception des vannes de régulation, et certains fabricants chinois de vannes de régulation de 2 500 lb ont une bonne expérience en matière de vanne de régulation haute pression.