Joints labyrinthiques: étanchéité sans contact pour arbres et paliers. Un joint labyrinthique contraint un fluide en fuite à passer à travers des dents et des chambres s'emboîtant, faisant chuter la pression par étapes pour que la fuite tombe à un niveau acceptable plutôt que d'être éliminée complètement.
Parce que le rotor et le stator ne se touchent jamais, les joints labyrinthiques évitent la friction, la chaleur et l'usure qui limitent les joints de contact, ce qui en fait le choix standard lorsque les vitesses d'arbre sont élevées, que la durée de vie du joint doit être longue et qu'une petite fuite contrôlée est acceptable.
Un joint labyrinthique se compose de fines ailettes radiales, ou dents, usinées sur l'arbre tournant ou sur le carter fixe, faisant face à une surface de la pièce opposée avec un petit jeu radial.
Chaque dent force le fluide à passer par un jeu étroit vers une chambre légèrement plus grande, où il se détend et perd vitesse et pression, convertissant l'énergie de pression en chaleur turbulente.
La répétition de ce cycle sur de nombreuses dents abaisse le différentiel de pression par petits incréments, de sorte que le débit qui s'échappe de la dernière dent n'est qu'une fraction de ce qu'un seul orifice de la même ouverture laisserait passer.
Les fuites ne sont jamais complètement arrêtées, puisque le joint repose sur un jeu de fonctionnement plutôt que sur une interface frottante. Les débits de fuite de conception sont définis par le nombre de dents, le jeu radial, la géométrie des chambres et le différentiel de pression, et sont acceptés comme une perte contrôlée et prévisible plutôt que comme une anomalie.
En l'absence de contact de frottement, les joints labyrinthiques génèrent une chaleur de friction négligeable et consomment peu ou pas de puissance de l'arbre, un avantage sur les grandes turbomachines où la traînée du joint représenterait autrement une perte d'efficacité mesurable.
Il n'existe pas de fin de vie liée à l'usure en fonctionnement normal, de sorte que la durée de service suit l'état mécanique de la machine plutôt qu'une surface d'usure. Cela rend les joints labyrinthiques particulièrement adaptés à:
Le compromis : l'étanchéité par jeu est plus fuyante qu'un joint de contact correctement fonctionnel, et les performances sont sensibles à la position du rotor, à la dilatation thermique et à tout frottement qui modifie le jeu de fonctionnement.
Les joints labyrinthiques sont l'étanchéité interne par défaut sur les turbines à vapeur et à gaz, contrôlant les fuites entre les étages et au niveau des presse-étoupes d'extrémité d'arbre, tolérant les hautes vitesses et les gaz de procédé chauds et chargés qui encrasseraient un joint de contact.
Dans les compresseurs centrifuges, les joints labyrinthiques, parfois associés à des joints à gaz secs, sont utilisés aux tambours d'équilibrage et aux emplacements inter-étages pour gérer la recirculation et l'effort axial.
Une seconde grande utilisation est comme isolateur de palier: un dispositif labyrinthique compact monté sur le bouchon du palier, en lieu et place d'un joint à lèvres conventionnel.
Sa mission est d'empêcher la poussière, l'eau de lavage et l'humidité d'entrer dans le palier tout en gardant le lubrifiant à l'intérieur, et non de contenir un fluide sous pression.
Beaucoup d'isolateurs associent un trajet labyrinthique à un joint torique tournant ou à un sillon de drainage qui canalise l'humidité vers l'extérieur avant qu'elle n'atteigne le palier.
Le choix entre un joint labyrinthique et un joint de contact tel qu'un joint mécanique ou une garniture d'étanchéité (gland packing) se résume aux fuites acceptables versus l'usure, la friction et la maintenance tolérables.
| Caractéristique | Joint labyrinthique | Joint mécanique | Garniture d'étanchéité |
|---|---|---|---|
| Type de contact | Sans contact, jeu de fonctionnement | Faces en contact, ou sans contact pour les joints à gaz | En contact, bagues comprimées |
| Fuites | Faibles mais non nulles, par conception | Très faibles à quasi-nulles en bon état | Goutte contrôlée, par conception |
| Usure / limite de durée de vie | Aucune en règle générale | Usure des faces, fatigue des ressorts | Usure des bagues, usure de la manchette |
| Adaptation à la vitesse | Très élevée | Élevée, avec purge appropriée | Faible à modérée |
| Perte de puissance | Négligeable | Modérée, friction des faces | De modérée à importante |
| Mission typique | Étages de turbines/compresseurs, isolateurs de paliers | Joints d'arbres de pompes et mélangeurs | Pompes et vannes héritées |
La sélection d'un joint labyrinthique implique plusieurs variables :
Parce que les joints labyrinthiques n'ont pas de composant d'usure à inspecter à intervalles fixes, la surveillance d'état repose sur des indicateurs indirects: une augmentation du taux de fuite, une baisse du rendement d'étage, une contamination des paliers, ou des relevés de gravité des vibrations compatibles avec un frottement rotor-stator.
Suivre ces tendances est préférable à une politique de remplacement calendaire, puisque le joint ne se dégrade pas selon un calendrier prévisible comme le ferait un jeu d'empaquetage ou une face d'étanchéité.
Enregistrer les fuites, l'état du lubrifiant et les événements de frottement dans une GMAO (CMMS) permet à une équipe fiabilité de détecter une dérive lente du jeu avant qu'elle n'entraîne une défaillance de palier. Réservez une démo Fabrico pour voir cet historique suivi dans le dossier d'actif.
Non. Ils limitent les fuites à un débit faible et prévisible en faisant chuter la pression à travers une série de jeux, et non en atteignant une étanchéité nulle. Un certain écoulement passe toujours par le jeu.
Ils génèrent peu de friction et de chaleur, sans usure de faces ni de garniture, de sorte qu'ils fonctionnent de manière fiable à des vitesses et des températures qui détruiraient un joint de contact.
Un isolateur de palier est un dispositif labyrinthique compact monté sur le bouchon du palier. Il empêche la contamination d'entrer et retient le lubrifiant, plutôt que de contenir un fluide de process sous pression, et remplace typiquement un joint à lèvres.
Oui, bien que pas par usure comme un joint de contact. Un frottement du rotor dû à un désalignement ou à une dilatation thermique peut ouvrir le jeu ou endommager les dents, et l'érosion par un fluide abrasif peut élargir l'écart, augmentant les fuites au-delà de la conception.
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