Honeycomb seals e honeycomb cores in superleghe per turbine e compressori
Chi lavora ogni giorno con turbine e compressori sa che la vera differenza, alla lunga, la fanno i pochi millimetri di gioco tra le parti rotanti e quelle statiche. È lì che ISTAM entra in gioco: produciamo in Italia honeycomb cores metallici in superleghe, realizzati sulla base delle specifiche tecniche del cliente, per applicazioni aerospaziali, energetiche e industriali.
Gli honeycomb seals (tenute a nido d’ape) nascono proprio per rispondere a questo problema: limitare le perdite di gas o vapore tra i componenti rotanti e le parti statiche di una turbomacchina.
La loro superficie è costituita da un honeycomb core metallico: una struttura a celle aperte e geometricamente controllate, che riduce il passaggio del fluido, contiene i giochi tra rotore e statore e gestisce eventuali contatti con le parti in movimento.
Che cosa sono gli honeycomb seals?
Sono tenute impiegate nelle macchine rotanti ad alte prestazioni per controllare le dispersioni di fluido tra elementi fissi e componenti in rotazione. La superficie statica della tenuta è rivestita da una struttura metallica a nido d'ape: le celle interagiscono con il flusso del gas o del vapore, generando resistenza e dissipazione di energia.
Il risultato è un ostacolo efficace al passaggio indesiderato del fluido, che aiuta a mantenere l'efficienza della macchina nel tempo.
Qual è la differenza tra honeycomb core e honeycomb seal?
Sono due cose distinte, spesso confuse.
L'honeycomb core è la struttura metallica alveolare in sé: celle aperte, ottenute assemblando sottili nastri metallici e unendoli con saldatura a punti per una geometria regolare e stabile.
L'honeycomb seal è invece il sistema di tenuta completo, nel quale il core viene integrato: sagomato e applicato a supporti, anelli o settori metallici, in genere tramite brasatura, secondo il progetto del componente.
In sintesi: il core è l'elemento funzionale, il seal è il componente che lo utilizza per controllare le perdite.
Come funziona una tenuta honeycomb?
Quando una turbina o un compressore è in funzione, parte del fluido tende ad attraversare il gioco tra rotore e parte statica. La geometria delle celle honeycomb interrompe questo percorso creando variazioni locali di pressione e microvortici: il fluido perde energia mentre attraversa la tenuta e la portata dispersa si riduce di conseguenza.
Quanto bene funziona dipende da diversi fattori progettuali:
Per questo la geometria dell'honeycomb non è mai standard: va progettata attorno alle condizioni operative della specifica turbomacchina.
Funzione abradable: controllo del gioco e protezione del rotore
Una delle caratteristiche più utili delle strutture honeycomb è la loro natura abradable: sono pensate per consumarsi in modo controllato in caso di contatto con una parte rotante.
Durante l'avviamento, l'arresto o le variazioni di condizioni operative, le dilatazioni termiche e i movimenti del rotore possono ridurre temporaneamente il gioco disponibile, portando le estremità delle pale o i denti rotanti della tenuta a contatto con la struttura honeycomb.
Quando questo accade l'honeycomb si deforma o si consuma localmente, invece di danneggiare il componente rotante che di solito è la parte più critica e costosa da sostituire.
Questo permette di progettare giochi più contenuti, riducendo le dispersioni senza mettere a rischio la sicurezza operativa: è la tenuta che si adatta alla macchina, non il contrario.
Riduzione delle perdite nelle turbine e nei compressori
Ogni porzione di fluido che attraversa la tenuta senza partecipare al processo energetico è, di fatto, una perdita di efficienza. Gli honeycomb seals lavorano su più fronti per limitarla:
Gli studi sperimentali condotti su diverse configurazioni mostrano riduzioni di perdita rispetto a superfici lisce e ad alcune soluzioni tradizionali, con risultati che restano comunque legati a geometria delle celle, gioco, pressione e condizioni di prerotazione del fluido.
Honeycomb seals e labyrinth seals: quali sono le differenze?
Le tenute a labirinto tradizionali usano una sequenza di denti e camere per generare cadute di pressione progressive. Negli honeycomb labyrinth seals, la superficie liscia contrapposta ai denti viene sostituita da una struttura a nido d'ape, che rende il percorso del fluido più complesso e cambia il comportamento fluidodinamico della tenuta.
Nessuna delle due soluzioni è automaticamente la scelta giusta in ogni condizione. La decisione dipende da:
Come vengono prodotti gli honeycomb cores metallici
Si parte da nastri sottili di materiale, lavorati fino a ottenere una successione regolare di celle. Il processo, in sintesi, comprende:
La precisione qui non è un dettaglio: dimensione, profondità e uniformità delle celle influenzano direttamente il comportamento del componente finito.
ISTAM realizza le proprie strutture honeycomb su disegno tecnico o specifica fornita dal cliente. Non esiste una normativa unica di prodotto, perché ogni applicazione richiede una combinazione diversa di materiale, spessore e geometria.
Materiali per temperature elevate e condizioni operative severe
Un honeycomb core destinato a turbine, compressori o motori aeronautici deve reggere temperature elevate, ossidazione, sollecitazioni meccaniche e ambienti aggressivi.
ISTAM realizza honeycomb cores nelle seguenti leghe e materiali:
La scelta del materiale dipende dalla temperatura di esercizio, dalla composizione del fluido, dal processo di brasatura previsto e dalle caratteristiche meccaniche richieste.
Per l'integrazione dell'honeycomb core su supporti, anelli o settori metallici, ISTAM utilizza leghe brasanti a base nichel conformi a normative AMS tra cui:
selezionate in funzione del materiale e delle condizioni operative del componente finale.
Hastelloy è un acciaio speciale?
No, anche se spesso viene chiamato così per la sua resistenza alle alte temperature.
L'Hastelloy è in realtà una superlega a base nichel, con una composizione metallurgica diversa dagli acciai, che sono a base ferro.
ISTAM lavora Hastelloy X per honeycomb cores destinati a turbine a gas, turbine a vapore e compressori industriali.
Dimensione delle celle disponibili
ISTAM produce honeycomb cores nelle dimensioni di cella 3.2 mm, 4.8 mm, 6.4 mm, 9.5 mm, 12.7 mm e 19 mm.
La 3.2 mm è la più richiesta per applicazioni tecniche. È un range che copre bene applicazioni industriali, compressori e componenti abradable a cella medio-grande. Per tenute di precisione a cella più fine (sotto i 3.2 mm), tipiche di alcune applicazioni aeronautiche ad alta velocità, la fattibilità va verificata caso per caso direttamente con ISTAM.
Qualità e certificazioni
ISTAM produce componenti certificati EN 9100:2018 e ISO 9001:2015, rilasciate da Kiwa Cermet Italia sotto accreditamento ACCREDIA.
La certificazione copre la produzione di particolari in lamiera stampati a freddo e il montaggio di sottogruppi tecnologici per i settori industriale, aerospaziale e automotive: gli stessi ambiti in cui vengono impiegati gli honeycomb cores.
Il sistema di gestione qualità certificato include anche i test di taratura delle apparecchiature, a garanzia della ripetibilità dei processi produttivi.
Dove vengono utilizzati gli honeycomb seals
Le strutture honeycomb trovano applicazione ovunque ci siano turbomacchine ad alta velocità e condizioni operative severe.
Motori aeronautici e settore aerospace
Nei motori aeronautici a turbina, le strutture honeycomb controllano il gioco tra parti rotanti e statiche, limitando le perdite e proteggendo i componenti in caso di contatto.
Turbine a gas
Nelle turbine a gas per la produzione di energia, gli honeycomb seals contribuiscono alla gestione dei flussi interni e al mantenimento dell'efficienza della macchina.
Turbine a vapore
Le tenute honeycomb riducono le dispersioni tra le diverse sezioni della macchina e gestiscono il contatto con i componenti rotanti.
Compressori centrifughi
Nei compressori industriali, gli honeycomb seals controllano le perdite di gas e, in determinate configurazioni, contribuiscono alla stabilità rotodinamica del sistema.
Produzione di honeycomb cores in Italia
ISTAM è attiva dal 1973 e lavora nel settore aeronautico da 25 anni, specializzandosi nella lavorazione di lamiera sottile, formatura e saldatura a punti di componenti in alluminio, acciai e leghe speciali.
Dal 2023 ha investito in attrezzature dedicate per estendere questo know-how alla produzione di honeycomb cores in superleghe, diventando oggi uno dei pochi produttori italiani specializzati in questo ambito.
Le strutture vengono sviluppate per rispondere alle esigenze di aziende nei settori aerospaziale, produzione di energia, turbine a gas e a vapore, compressori e turbomacchine industriali.
La produzione su specifica consente di definire materiali, geometria delle celle, spessori e dimensioni in relazione al progetto e alle condizioni operative del componente.
ISTAM è socia del Distretto Aerospaziale Piemonte (DAP), l'associazione che riunisce le principali realtà del settore aerospaziale piemontese, tra imprese, enti di ricerca e istituzioni.
Perché scegliere honeycomb cores prodotti su specifica
Ogni sistema di tenuta lavora in condizioni diverse. Pressione, temperatura, velocità, fluido, gioco e materiali cambiano da un'applicazione all'altra e con loro cambia il comportamento richiesto alla struttura honeycomb.
Produrre su specifica significa poter adattare materiale, spessore del nastro, forma e dimensione delle celle, profondità della struttura, dimensioni del semilavorato e configurazione per la successiva integrazione nel componente.
Lavorare con un produttore specializzato permette di arrivare a una soluzione coerente con i requisiti tecnici dell'applicazione e con i processi di assemblaggio o brasatura a valle.
