لابیرنت سیل (Labyrinth Seal) نوعی سیل مکانیکی (Mechanical Seal) است که برای کمک به جلوگیری از نشتی، یک مسیر پر پیچ و خم ایجاد میکند. یک نمونه از چنین آببندی گاهی اوقات در بیرینگهای (Bearings) محوری برای جلوگیری از نشت روغن روانکاری بیرینگ یافت میشود. لابیرنت سیل معمولا از آلیاژهای خاص آلومینیوم با مقاومت سایشی بسیار بالا ساخته میشود. نوع دندانه بندی این آلیاژها از لحاظ متالوژی بسیار مهم می باشند.
سیستمهای سیل نقش مهمی را در عملکرد و پایداری سیستمهای سیالاتی به خصوص توربینهای گازی عهده دارند. دو عامل عملکرد سیل را بررسی میکنیم: نشتی و ثبات روتور.
نشتی سیال جاری بین قطعه ثابت و چرخان، منبع اصلی اتلاف در سیستمهای سیالاتی میباشد(جایی که پایداری روتور و جریان سیال نسبی پایا لازم است). زیرا این میتواند نیروی تحریک بر روی روتور را تا حد زیادی افزایش دهد. سیستم های سیل تاثیر مستقیم بر روی امنیت سیستمهای سیالاتی دارند. با گسترش ادامه دار در سیستمهای سیالاتی، ترکیب کردن عکس العملهای بین روتور با سرعت بالا و سیال با فشار بالا بسیار سخت شده است. این موقعیت پیچیده میتواند چالش مهمی برای طراحی و بهینه کردن ساختار پیشرفته سیلها باشد[1].
به منظور رفع نیاز نظامی و غیر نظامی به موتورهایی نیازمندیم که راندمان بالا، مصرف سوخت و سر و صدای پایین داشته باشند[2].
لابیرنت سیل به نوعي سيل گفته مي شود كه معمولا از آلياژهاي خاص آلومينيوم با مقاومت سایشی بسیار بالا ساخته مي شود. همانگونه كه از اسم لابيرنت ها مشخص است اين نوع سيلها حالت دندانهاي ميباشند و با فاصله (clearance) كمي، درحد يك دهم تا سه دهم ميليمتر از شفت يا محور چرخنده قرار دارند. حالت شكل اين دندانه ها و تعداد آنها در مقدار نشتبندي و افت فشاری که ایجاد میکنند، تاثير ميگذارد.
معمولا در يك طرف لابيرنت فشار سيال بالا و در طرف ديگر فشار سیال پايين بوده و بعضي اوقات نوع سيال دو طرف نيز متفاوت ميباشد. زماني كه سيال پرفشار از بين فاصله كم شفت و لابيرنت عبور ميكند حالت گردابي يا پيچشي پيدا كرده و فشار آن تا حدي ميشكند و به همين ترتيب وارد مرحله بعدي لابيرنت شده و مقدار ديگري از فشار ميشكند. بسته به نظر طراح براي رسيدن به فشار خاصي تعداد اين دندانه ها و فاصله آن با شفت مشخص مي گردد[3].
لابیرنت سیلها در شرایط پرپیچ و خم و سخت مانند سرعت چرخش بالا، تغییرات درجه حرارت بالا و اختلاف فشار زیاد کار میکنند، به طوری که لابیرنت سیلها باید عملکرد نشتی خوب و قابل اعتماد داشته باشند. هدف اولیه لابیرنت سیلها کاهش نشتی برای طراحان سیستم هوای دوم، به ویژه برای جعبه دنده میباشد[2].
یک لابیرنت سیل LS معمولی شامل حفرهها و دندانههایی است که در مقابل روتور گردان قرار میگیرند و گاز رها شده در بین حفرهها میتواند سبب افت فشار و تغییر در مقدار نشتی شوند. جریان گاز پیچ و خم خورده در طی مسیر خود در عبور از حفرهها با افت فشار مواجه میشود و سبب کاهش نشتی میشود. یک لابیرنت LS همه دندانهها را در روی روتور شکل (1) دارد (TOR) و یا در روی استاتور شکل (2) دارد (TOS)، در حالیکه طراحی (ILS) همان دندانههایی که در روی روتور دارد، در روی استاتور نیز دارد، شکل(3).
لابیرنت سیل LS به هندسه قطعه وابسته است (شکل دندانهها، گام، عمق و تعداد حفرهها)، شکل گاز، سرعت شفت، فشار و دما(ورودی و خروجی)[4].
اگرچه پیشرفتهای مهمی در کاهش نشتی و افزایش عمر مفید در اثر استفاده از لابیرنت سیل حاصل گشته است، اما توجهات زیادی برای عملکرد بهتر لازم است.
نیروی واکنش در اثر گذر از لابیرنت سیل ممکن است باعث بدترشدن ارتعاشات روتور شود. بررسی ارتباط روتور لابیرنت سیل یکی از مهمترین موضوعات توربینهای گازی بوده است. Childs و همکاران و افراد دیگر بررسیهایی در این مورد داشتهاند و این موضوع را نشان میدهد که با تغییر لابیرنت سیل، روتور نیز باید تغییر کند. Subramanian و همکاران، این موضوع را نشان داد که ترکیب اثر گریز از مرکز و گرمایی دندانههای لابیرنت سیل بر روتور تاثیر میگذارد. Shapiro و همکاران، یک کد CFD را گسترش داد که یک جریان سه بعدی را پیشبینی میکرد که ارتباط بین روتور و لابیرنت سیل را نشان میداد و این کد در برنامه توربین گازی NASA برای تحلیل، کارهای نوآورانه و طراحی لابیرنت سیلهای پیشرفته مورد استفاده قرار گرفت.
لقی و توزیع فشار لابیرنت سیل به این کد داده میشود و ارتباط و عکسالعمل بین لابیرنت سیل و روتور بهدست میآید. با گسترش این نرمافزارهای تجاری، کدهای دستنویس جای کدهای تجاری را در شبیهسازی و تحلیل گرفتند. Kwanka و همکاران و Eser و همکاران، یک لابیرت سیل با عملکرد عالی را طراحی کردند ولی با این وجود جریان جاری سبب ناپایداری روتور در لابیرنت سیل میشود[1].
نوع و شکل قرار دادن پوشش در لابیرنت سیل بسیار اهمیت دارد. در اشکال زیر چند نمونه از نوع قرارگیری پوشش و شافت نشان داده شده است. برای مثال در شکل (4)، شافت به صورت شیاردار انتخاب شده است.
نسبت تصویر[1] نقش مهمی در عملکرد لابیرنت سیل دارد به این صورت که افزایش نسبت تصویر همیشه باعث بهبود عملکرد لابیرنت سیل میشود. برای ، شافت به صورت شیاردار بهترین عملکرد را نسبت به پوشش به صورت شیاردار دارد. برای ، بالا و پایین پلهی لابیرنت سیل، برتر از سایر هندسههای دیگر هستند. نسبت گریز از مرکز[2] هر چه بزرگتر باشد، افت فشار برای سرعت نشتی محوری بیشتر خواهد بود.
چرخش شافت تاثیر چندانی بر روی نشتی لابیرنت سیل ندارد، در حالیکه عملکرد بهتری در بالای پله لابیرنت سیل خواهد داشت. چرخش شافت تاثیر عکس در عملکرد پایین پله لابیرنت سیل خواهد داشت[5].
نتیجه گیری و جمعبندی
در تحقیق حاضر، معرفی اجمالی در مورد لابیرنت سیل صورت گرفته است و برای اینکه لابیرنت سیل عملکرد بهتری داشته باشد در دو زمینه ثبات روتور لابیرنت سیل و کاهش نشتی مورد بررسی قرار میگیرد و تاثیر انواع مختلف لابیرنت سیل و نحوه قرارگیری آنها نیز برای عملکرد بهتر لابیرنت سیل مورد بحث قرار میگیرد.
فهرست علائم
نسبت تصویر
نسبت گریز از مرکز
مراجع
[1] X. Jia, Q. Zheng, Y. Jiang, and H. Zhang, “Leakage and rotordynamic performance of T type labyrinth seal,” Aerosp. Sci. Technol., vol. 1, pp. 1–10, 2019.
[2] G. Li, Q. Zhang, Z. Lei, E. Huang, and H. Wu, “Leakage performance of labyrinth seal for oil sealing of aero-engine,” Propuls. Power Res., no. Guoqing Li, 2018.
[3] http://www.kooshaturbo.com.
[4] T. Wu and L. S. Andrés, “Gas labyrinth seals: On the effect of clearance and operating conditions
on wall friction factors – A CFD investigation,” Tribol. Int., 2018.
[5] E. Saber and K. M. Abdou, “Effect of lateral misalignment on performance of a stationary and rotating labyrinth seals,” Alexandria Eng. J., vol. 58, no. 1, pp. 27–38, 2019.
گردآورنده: حامد عباسی – دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک دانشگاه صنعتی اصفهان
[1] Aspect ratio
[2] Eccentricity ratio