pompy są jednym z największych użytkowników uszczelnień mechanicznych. Jak sama nazwa wskazuje, uszczelnienia mechaniczne są uszczelnieniami kontaktowymi, różniącymi się od uszczelnień aerodynamicznych lub labiryntowych bezkontaktowych.Uszczelnienia mechanicznesą również określane jako uszczelnienia mechaniczne zrównoważone lubniesymetryczne uszczelnienie mechaniczne. Dotyczy to tego, jaki procent ciśnienia procesowego, jeśli w ogóle, może pojawić się za nieruchomą powierzchnią uszczelnienia. Jeśli powierzchnia uszczelnienia nie jest dociskana do obracającej się powierzchni (jak w uszczelnieniu typu pusher) lub jeśli płyn procesowy pod ciśnieniem, który musi zostać uszczelniony, nie może dostać się za powierzchnię uszczelnienia, ciśnienie procesowe spowoduje odrzucenie powierzchni uszczelnienia i jej otwarcie. Projektant uszczelnienia musi wziąć pod uwagę wszystkie warunki pracy, aby zaprojektować uszczelnienie o wymaganej sile zamykającej, ale nie tak dużej, aby obciążenie jednostki na dynamicznej powierzchni uszczelnienia powodowało zbyt dużo ciepła i zużycia. Jest to delikatna równowaga, która decyduje o niezawodności pompy.
dynamiczne powierzchnie uszczelniające, umożliwiając siłę otwierania, a nie w konwencjonalny sposób
równoważenie siły zamykającej, jak opisano powyżej. Nie eliminuje to wymaganej siły zamykającej, ale daje projektantowi i użytkownikowi pompy kolejne pokrętło do przekręcania, umożliwiając odciążenie lub odciążenie powierzchni uszczelnienia, przy jednoczesnym zachowaniu wymaganej siły zamykającej, zmniejszając w ten sposób ciepło i zużycie, a jednocześnie poszerzając możliwe warunki pracy.
Uszczelnienia gazowe suche (DGS), często stosowane w sprężarkach, zapewniają siłę otwierającą na powierzchniach uszczelnienia. Siła ta jest wytwarzana przez zasadę łożyska aerodynamicznego, w której drobne rowki pompujące pomagają zachęcić gaz z wysokociśnieniowej strony procesu uszczelnienia do szczeliny i przez powierzchnię uszczelnienia jako bezkontaktowe łożysko filmu płynnego.
Aerodynamiczna siła otwierania łożyska suchej powierzchni uszczelnienia gazowego. Nachylenie linii jest reprezentatywne dla sztywności przy szczelinie. Należy zauważyć, że szczelina jest podana w mikronach.
To samo zjawisko występuje w hydrodynamicznych łożyskach olejowych, które podtrzymują większość dużych sprężarek odśrodkowych i wirników pomp, i jest widoczne na wykresach mimośrodowości dynamicznej wirnika przedstawionych przez Bently'ego. Ten efekt zapewnia stabilny ogranicznik i jest ważnym elementem sukcesu hydrodynamicznych łożysk olejowych i DGS. Uszczelnienia mechaniczne nie mają drobnych rowków pompujących, które można znaleźć w aerodynamicznej powierzchni DGS. Może istnieć sposób na wykorzystanie zasad łożysk gazowych pod ciśnieniem zewnętrznym w celu odciążenia siły zamykającej zpowierzchnia uszczelnienia mechanicznegos.
Jakościowe wykresy parametrów łożyska filmu płynnego w stosunku do współczynnika mimośrodowości czopu. Sztywność, K, i tłumienie, D, są minimalne, gdy czop znajduje się w środku łożyska. W miarę zbliżania się czopa do powierzchni łożyska, sztywność i tłumienie gwałtownie wzrastają.
Zewnętrznie sprężone łożyska gazowe aerostatyczne wykorzystują źródło sprężonego gazu, podczas gdy łożyska dynamiczne wykorzystują względny ruch między powierzchniami do generowania ciśnienia szczelinowego. Technologia zewnętrznie sprężonego gazu ma co najmniej dwie podstawowe zalety. Po pierwsze, sprężony gaz może być wtryskiwany bezpośrednio między powierzchnie uszczelnienia w sposób kontrolowany, zamiast zachęcać gaz do szczeliny uszczelnienia za pomocą płytkich rowków pompujących, które wymagają ruchu. Umożliwia to rozdzielenie powierzchni uszczelnienia przed rozpoczęciem obrotu. Nawet jeśli powierzchnie są ściśnięte razem, otworzą się one na starty i zatrzymywania bez tarcia, gdy ciśnienie zostanie wstrzyknięte bezpośrednio między nie. Ponadto, jeśli uszczelnienie się nagrzewa, możliwe jest zwiększenie ciśnienia na powierzchni uszczelnienia za pomocą ciśnienia zewnętrznego. Szczelina zwiększyłaby się proporcjonalnie do ciśnienia, ale ciepło ze ścinania spadłoby na funkcję sześcienną szczeliny. Daje to operatorowi nową możliwość wykorzystania dźwigni przeciwko wytwarzaniu ciepła.
Inną zaletą sprężarek jest to, że nie ma przepływu przez powierzchnię, jak w przypadku DGS. Zamiast tego najwyższe ciśnienie występuje między powierzchniami uszczelnienia, a ciśnienie zewnętrzne będzie przepływać do atmosfery lub odpowietrzać się z jednej strony i do sprężarki z drugiej strony. Zwiększa to niezawodność, utrzymując proces poza szczeliną. W pompach może to nie być zaletą, ponieważ niepożądane może być wtłaczanie sprężalnego gazu do pompy. Sprężalne gazy wewnątrz pomp mogą powodować kawitację lub problemy z młotem pneumatycznym. Interesujące byłoby jednak posiadanie bezstykowego lub beztarciowego uszczelnienia pomp bez niedogodności przepływu gazu do procesu pompy. Czy możliwe byłoby posiadanie zewnętrznie sprężonego łożyska gazowego z zerowym przepływem?
Odszkodowanie
Wszystkie łożyska pod ciśnieniem zewnętrznym mają pewien rodzaj kompensacji. Kompensacja jest formą ograniczenia, która utrzymuje ciśnienie w rezerwie. Najczęstszą formą kompensacji jest stosowanie otworów, ale istnieją również techniki kompensacji rowkowej, stopniowej i porowatej. Kompensacja umożliwia łożyskom lub powierzchniom uszczelniającym zbliżanie się do siebie bez dotykania, ponieważ im bliżej się znajdują, tym wyższe jest ciśnienie gazu między nimi, odpychając powierzchnie.
Na przykład pod płaskim otworem kompensującym łożysko gazowe (rysunek 3) średnia
ciśnienie w szczelinie będzie równe całkowitemu obciążeniu łożyska podzielonemu przez powierzchnię czołową, jest to obciążenie jednostkowe. Jeśli to źródłowe ciśnienie gazu wynosi 60 funtów na cal kwadratowy (psi), a powierzchnia czołowa ma 10 cali kwadratowych i obciążenie wynosi 300 funtów, w szczelinie łożyska będzie średnio 30 psi. Zazwyczaj szczelina wynosi około 0,0003 cala, a ponieważ szczelina jest tak mała, przepływ wyniesie tylko około 0,2 standardowych stóp sześciennych na minutę (scfm). Ponieważ tuż przed szczeliną znajduje się ogranicznik otworu utrzymujący ciśnienie w rezerwie, jeśli obciążenie wzrośnie do 400 funtów, szczelina łożyska zmniejszy się do około 0,0002 cala, ograniczając przepływ przez szczelinę o 0,1 scfm. Ten wzrost drugiego ograniczenia daje ogranicznikowi otworu wystarczający przepływ, aby umożliwić wzrost średniego ciśnienia w szczelinie do 40 psi i podtrzymać zwiększone obciążenie.
To jest widok z boku przekroju typowego łożyska powietrznego z otworem, które można znaleźć w maszynie pomiarowej współrzędnościowej (CMM). Jeśli układ pneumatyczny ma być uważany za „łożysko kompensowane”, musi mieć ograniczenie przed ograniczeniem szczeliny łożyska.
Kompensacja otworu i porowata
Kompensacja otworu jest najpowszechniej stosowaną formą kompensacji. Typowy otwór może mieć średnicę otworu 0,010 cala, ale ponieważ zasila kilka cali kwadratowych powierzchni, zasila o kilka rzędów wielkości więcej powierzchni niż on sam, więc prędkość gazu może być wysoka. Często otwory są precyzyjnie wycinane z rubinów lub szafirów, aby uniknąć erozji rozmiaru otworu, a tym samym zmian w wydajności łożyska. Innym problemem jest to, że przy szczelinach poniżej 0,0002 cala obszar wokół otworu zaczyna dławić przepływ do reszty powierzchni, w którym to momencie następuje zapadnięcie się filmu gazowego. To samo dzieje się podczas startu, ponieważ tylko obszar otworu i wszelkie rowki są dostępne, aby zainicjować unoszenie. Jest to jeden z głównych powodów, dla których łożyska pod ciśnieniem zewnętrznym nie są widoczne w planach uszczelnień.
Nie dotyczy to porowatego łożyska kompensowanego, zamiast tego sztywność nadal wzrasta
wzrastać wraz ze wzrostem obciążenia i zmniejszaniem się szczeliny, tak jak w przypadku DGS (rysunek 1) i
łożyska hydrodynamiczne. W przypadku łożysk porowatych pod ciśnieniem zewnętrznym łożysko będzie w trybie siły zrównoważonej, gdy ciśnienie wejściowe pomnożone przez powierzchnię będzie równe całkowitemu obciążeniu łożyska. Jest to interesujący przypadek tribologiczny, ponieważ nie ma podnoszenia ani szczeliny powietrznej. Przepływ będzie zerowy, ale siła hydrostatyczna ciśnienia powietrza działająca na powierzchnię przeciwną pod powierzchnią łożyska nadal odciąża całkowite obciążenie i skutkuje niemal zerowym współczynnikiem tarcia — nawet jeśli powierzchnie nadal się stykają.
Na przykład, jeśli powierzchnia uszczelki grafitowej ma powierzchnię 10 cali kwadratowych i 1000 funtów siły zamykającej, a grafit ma współczynnik tarcia 0,1, do zainicjowania ruchu potrzeba 100 funtów siły. Jednak przy zewnętrznym źródle ciśnienia 100 psi przepuszczonym przez porowaty grafit do jego powierzchni, do zainicjowania ruchu potrzeba zasadniczo zerowej siły. Dzieje się tak pomimo faktu, że nadal istnieje 1000 funtów siły zamykającej ściskającej obie powierzchnie razem i że powierzchnie te są w fizycznym kontakcie.
Klasa materiałów łożysk ślizgowych, takich jak: grafit, węgiel i ceramika, taka jak tlenek glinu i węgliki krzemu, które są znane w przemyśle turbo i są naturalnie porowate, dzięki czemu mogą być stosowane jako łożyska ciśnieniowe zewnętrzne, które są łożyskami bezkontaktowymi z warstwą cieczy. Istnieje funkcja hybrydowa, w której ciśnienie zewnętrzne jest wykorzystywane do odciążenia nacisku styku lub siły zamykającej uszczelnienia z trybologii, która zachodzi w stykających się powierzchniach uszczelnienia. Pozwala to operatorowi pompy na dostosowanie czegoś poza pompą, aby poradzić sobie z aplikacjami problemowymi i operacjami o wyższej prędkości podczas korzystania z uszczelnień mechanicznych.
Zasada ta dotyczy również szczotek, komutatorów, wzbudników lub dowolnego przewodnika stykowego, który może być używany do pobierania danych lub prądu elektrycznego na lub z obracających się obiektów. W miarę jak wirniki obracają się szybciej i wzrasta wybieg, utrzymanie tych urządzeń w kontakcie z wałem może być trudne i często konieczne jest zwiększenie nacisku sprężyny, która trzyma je na wale. Niestety, szczególnie w przypadku pracy z dużą prędkością, ten wzrost siły styku powoduje również więcej ciepła i zużycia. Tę samą zasadę hybrydową, która została zastosowana do powierzchni uszczelnienia mechanicznego, opisaną powyżej, można zastosować również tutaj, gdzie wymagany jest kontakt fizyczny w celu zapewnienia przewodnictwa elektrycznego między częściami nieruchomymi i obracającymi się. Ciśnienie zewnętrzne można wykorzystać podobnie jak ciśnienie z cylindra hydraulicznego, aby zmniejszyć tarcie na styku dynamicznym, jednocześnie zwiększając siłę sprężyny lub siłę zamykania wymaganą do utrzymania szczotki lub powierzchni uszczelnienia w kontakcie z obracającym się wałem.
Czas publikacji: 21-paź-2023