Pompy są jednym z największych użytkowników uszczelnień mechanicznych. Jak sama nazwa wskazuje, uszczelnienia mechaniczne to uszczelnienia stykowe, różniące się od uszczelnień aerodynamicznych lub labiryntowych bezstykowych.Uszczelnienia mechanicznesą również określane jako uszczelnienia mechaniczne zrównoważone lubnierównoważone uszczelnienie mechaniczneOdnosi się to do tego, jaki procent (jeśli w ogóle) ciśnienia procesowego może przedostać się za nieruchomą powierzchnię uszczelnienia. Jeśli powierzchnia uszczelnienia nie jest dociskana do obracającej się powierzchni (jak w uszczelnieniu typu popychającego) lub jeśli ciecz procesowa pod ciśnieniem, które ma zostać uszczelnione, nie dostanie się za powierzchnię uszczelnienia, ciśnienie procesowe spowoduje odepchnięcie powierzchni uszczelnienia i jej otwarcie. Projektant uszczelnienia musi uwzględnić wszystkie warunki pracy, aby zaprojektować uszczelnienie o wymaganej sile zamykania, ale nie na tyle dużej, aby obciążenie jednostki na dynamiczną powierzchnię uszczelnienia powodowało nadmierne ciepło i zużycie. Jest to delikatna równowaga, która decyduje o niezawodności pompy.
dynamiczne powierzchnie uszczelniające, umożliwiając siłę otwierania, a nie w konwencjonalny sposób
równoważenie siły zamykania, jak opisano powyżej. Nie eliminuje to wymaganej siły zamykania, ale daje projektantowi i użytkownikowi pompy dodatkowe pokrętło do regulacji, umożliwiając odciążenie lub odciążenie powierzchni uszczelniających, przy jednoczesnym zachowaniu wymaganej siły zamykania, co zmniejsza nagrzewanie i zużycie, a jednocześnie rozszerza możliwe warunki pracy.
Uszczelnienia gazowe suche (DGS), często stosowane w sprężarkach, zapewniają siłę otwierającą na powierzchniach uszczelnienia. Siła ta jest generowana dzięki zasadzie łożyska aerodynamicznego, w której drobne rowki pompujące pomagają wtłaczać gaz z wysokociśnieniowej strony uszczelnienia do szczeliny i na powierzchnię uszczelnienia, tworząc bezkontaktowe łożysko filmowe.
Aerodynamiczna siła otwierania łożyska suchej powierzchni uszczelnienia gazowego. Nachylenie linii odzwierciedla sztywność w 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. Efekt ten zapewnia stabilne zatrzymanie i jest ważnym elementem sukcesu hydrodynamicznych łożysk olejowych i DGS. Uszczelnienia mechaniczne nie posiadają drobnych rowków pompujących, które można znaleźć w aerodynamicznym łożysku DGS. Istnieje możliwość wykorzystania zasad działania łożysk gazowych pod ciśnieniem zewnętrznym w celu odciążenia siły zamykającej.powierzchnia uszczelnienia mechanicznegos.
Jakościowe wykresy parametrów łożyska z filmem płynnym w funkcji mimośrodowości czopu. Sztywność, K, i tłumienie, D, są minimalne, gdy czop znajduje się w środku łożyska. W miarę zbliżania się czopu do powierzchni łożyska, sztywność i tłumienie gwałtownie rosną.
Zewnętrznie sprężone łożyska gazowe aerostatyczne wykorzystują źródło sprężonego gazu, podczas gdy łożyska dynamiczne wykorzystują względny ruch między powierzchniami do generowania ciśnienia w szczelinie. Technologia sprężonego powietrza ma co najmniej dwie fundamentalne zalety. Po pierwsze, sprężony gaz może być wtryskiwany bezpośrednio między powierzchnie uszczelnienia w sposób kontrolowany, zamiast wtłaczać go do szczeliny uszczelnienia za pomocą płytkich rowków pompujących, które wymagają ruchu. Umożliwia to rozdzielenie powierzchni uszczelnienia przed rozpoczęciem obrotu. Nawet jeśli powierzchnie zostaną ściśnięte, otworzą się one, umożliwiając beztarciowe rozpoczęcie i zakończenie pracy, gdy ciśnienie zostanie wstrzyknięte bezpośrednio między nie. Dodatkowo, jeśli uszczelnienie się nagrzewa, możliwe jest zwiększenie ciśnienia na powierzchni uszczelnienia za pomocą ciśnienia zewnętrznego. Szczelina zwiększy się wówczas proporcjonalnie do ciśnienia, ale ciepło ścinające będzie proporcjonalne do funkcji sześciennej szczeliny. Daje to operatorowi nową możliwość ograniczenia generowania ciepła.
Kolejną zaletą sprężarek jest brak przepływu przez powierzchnię, jak w przypadku DGS. Najwyższe ciśnienie występuje pomiędzy powierzchniami uszczelnienia, a ciśnienie zewnętrzne przepływa do atmosfery lub uchodzi z jednej strony, a do sprężarki z drugiej. Zwiększa to niezawodność, utrzymując proces poza szczeliną. W pompach może to nie być zaletą, ponieważ wtłaczanie sprężonego gazu do pompy może być niepożądane. Sprężone gazy wewnątrz pomp mogą powodować kawitację lub problemy z młotem pneumatycznym. Interesujące byłoby jednak zastosowanie bezstykowego lub beztarciowego uszczelnienia pomp bez niedogodności związanych z przepływem gazu do procesu pompy. Czy możliwe byłoby zastosowanie łożyska gazowego pod ciśnieniem zewnętrznym z zerowym przepływem?
Odszkodowanie
Wszystkie łożyska ciśnieniowe posiadają pewien rodzaj kompensacji. Kompensacja to forma ograniczenia, która utrzymuje ciśnienie w rezerwie. Najpowszechniejszą formą kompensacji jest zastosowanie otworów, ale istnieją również techniki kompensacji rowkowej, schodkowej 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, co powoduje odpychanie powierzchni.
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 ciśnienie gazu źródłowego wynosi 60 funtów na cal kwadratowy (psi), powierzchnia czołowa ma 10 cali kwadratowych i występuje obciążenie 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. To zwiększenie 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 wentylacyjnym, stosowanego we współrzędnościowej maszynie pomiarowej (CMM). Aby układ pneumatyczny mógł być uznany za „łożysko kompensowane”, musi mieć ograniczenie przed szczeliną 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 większą powierzchnię 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 odrywania, 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 ma to miejsca w przypadku łożyska porowatego kompensowanego, zamiast tego sztywność nadal rośnie
wzrastać wraz ze wzrostem obciążenia i zmniejszaniem się szczeliny, tak jak w przypadku DGS (rysunek 1) i
Łożyska hydrodynamiczne z olejem. W przypadku łożysk porowatych z dociskiem zewnętrznym, łożysko będzie w trybie siły zrównoważonej, gdy iloczyn ciśnienia wejściowego i powierzchni będzie równy całkowitemu obciążeniu łożyska. Jest to interesujący przypadek tribologiczny, ponieważ nie występuje siła nośna ani szczelina powietrzna. Przepływ będzie zerowy, ale siła hydrostatyczna ciśnienia powietrza działająca na powierzchnię oporową pod powierzchnią łożyska nadal odciąża całkowite obciążenie i skutkuje bliskim zeru współczynnikiem tarcia – mimo że powierzchnie nadal się stykają.
Na przykład, jeśli grafitowa powierzchnia uszczelnienia ma powierzchnię 10 cali kwadratowych i siłę zamykającą 1000 funtów, a grafit ma współczynnik tarcia 0,1, do zainicjowania ruchu potrzebna byłaby siła 100 funtów. Jednak przy zewnętrznym źródle ciśnienia 100 psi (100 psi) przepuszczonym przez porowaty grafit do jej powierzchni, do zainicjowania ruchu potrzebna byłaby praktycznie zerowa siła. Dzieje się tak pomimo faktu, że nadal istnieje siła zamykająca 1000 funtów (450 kg) ściskająca obie powierzchnie i że powierzchnie te stykają się ze sobą fizycznie.
Klasa materiałów łożysk ślizgowych, takich jak grafit, węgle i ceramika, np. tlenek glinu i węgliki krzemu, znana w przemyśle turbodoładowania. Charakteryzuje się naturalną porowatością, dzięki czemu może być stosowana jako łożyska ciśnieniowe zewnętrzne, czyli bezkontaktowe łożyska z warstwą płynu. Istnieje funkcja hybrydowa, w której ciśnienie zewnętrzne jest wykorzystywane do odciążenia nacisku styku lub siły zamykającej uszczelnienia, wynikającej z trybologii zachodzącej w stykających się powierzchniach uszczelnienia. Pozwala to operatorowi pompy na regulację poza pompą, co pozwala na radzenie sobie z trudnymi zastosowaniami i pracą przy wyższych prędkościach podczas korzystania z uszczelnień mechanicznych.
Zasada ta ma również zastosowanie do szczotek, komutatorów, wzbudników lub dowolnego przewodnika stykowego, który może być używany do pobierania danych lub przepływu prądu elektrycznego na lub z obracających się obiektów. Wraz ze wzrostem prędkości obrotowej wirników i wzrostem bicia, utrzymanie tych urządzeń w kontakcie z wałem może być trudne i często konieczne jest zwiększenie nacisku sprężyny dociskającej je do wału. Niestety, szczególnie w przypadku pracy z dużą prędkością, ten wzrost siły styku powoduje również większe nagrzewanie i zużycie. Tę samą zasadę hybrydową, opisaną powyżej, zastosowaną do powierzchni uszczelnienia mechanicznego, 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 siłownika hydraulicznego, do zmniejszenia tarcia na styku dynamicznym, jednocześnie zwiększając siłę sprężyny lub siłę zamykającą wymaganą do utrzymania szczotki lub powierzchni uszczelnienia w kontakcie z obracającym się wałem.
Czas publikacji: 21.10.2023