Pompy są jednym z największych użytkowników uszczelnień mechanicznych. Jak sama nazwa wskazuje, uszczelnienia mechaniczne są uszczelnieniami stykowymi, w odróżnieniu od uszczelnień bezdotykowych aerodynamicznych lub labiryntowych.Uszczelnienia mechanicznecharakteryzują się również zrównoważonym uszczelnieniem mechanicznym lubniezrównoważone uszczelnienie mechaniczne. Odnosi się to do tego, jaki procent ciśnienia procesowego, jeśli w ogóle, może wytworzyć się za nieruchomą powierzchnią uszczelnienia. Jeśli powierzchnia uszczelnienia nie zostanie dociśnięta do obracającej się powierzchni (jak w przypadku uszczelnienia typu pchającego) lub jeśli płyn procesowy pod ciśnieniem, który wymaga uszczelnienia, nie przedostanie się za powierzchnię uszczelnienia, ciśnienie procesowe spowoduje wypchnięcie uszczelki do tyłu i otwarte. Projektant uszczelnienia musi wziąć pod uwagę wszystkie warunki pracy, aby zaprojektować uszczelnienie o wymaganej sile zamykania, ale nie na tyle dużej, aby obciążenie jednostkowe na powierzchni uszczelnienia dynamicznego powodowało nadmierne nagrzewanie się i zużycie. Jest to delikatna równowaga, która decyduje o niezawodności pompy lub ją niszczy.
dynamiczne powierzchnie uszczelniające, umożliwiając użycie siły otwierającej zamiast w konwencjonalny sposób
równoważenie siły zamykania, jak opisano powyżej. Nie eliminuje to wymaganej siły zamykania, ale daje projektantowi pompy i użytkownikowi dodatkowe pokrętło do obrócenia, umożliwiając odciążenie lub odciążenie powierzchni uszczelniających, przy jednoczesnym utrzymaniu wymaganej siły zamykania, zmniejszając w ten sposób ciepło i zużycie, jednocześnie poszerzając możliwe warunki pracy.
Uszczelnienia suchego gazu (DGS), często stosowane w sprężarkach, zapewniają siłę otwierającą na powierzchniach uszczelnień. Siła ta jest wytwarzana na zasadzie łożyska aerodynamicznego, w którym drobne rowki pompujące pomagają w tłoczeniu gazu ze strony procesowej uszczelnienia pod wysokim ciśnieniem do szczeliny i w poprzek powierzchni czołowej uszczelnienia, tworząc bezkontaktowe łożysko z warstwą cieczy.
Siła otwarcia łożyska aerodynamicznego na powierzchni suchego uszczelnienia gazowego. Nachylenie linii jest reprezentatywne dla sztywności w szczelinie. Należy pamiętać, że odstęp jest w mikronach.
To samo zjawisko występuje w hydrodynamicznych łożyskach olejowych, które obsługują większość dużych sprężarek odśrodkowych i wirnikach pomp i jest widoczne na wykresach mimośrodu dynamicznego wirnika pokazanych przez firmę Bently. Efekt ten zapewnia stabilne zatrzymanie wsteczne i jest ważnym elementem powodzenia hydrodynamicznych łożysk olejowych i DGS . Uszczelnienia mechaniczne nie mają drobnych rowków pompujących, które można znaleźć w aerodynamicznej powierzchni czołowej DGS. Może istnieć sposób wykorzystania zasad łożyskowania gazu pod ciśnieniem zewnętrznym w celu odciążenia siły zamykającej odpowierzchnia uszczelnienia mechanicznegos.
Wykresy jakościowe parametrów łożyska z warstwą płynu w funkcji mimośrodu czopu. Sztywność K i tłumienie D są minimalne, gdy czop znajduje się pośrodku łożyska. Gdy czop zbliża się do powierzchni łożyska, sztywność i tłumienie gwałtownie wzrastają.
Łożyska aerostatyczne pod ciśnieniem zewnętrznym wykorzystują źródło gazu pod ciśnieniem, podczas gdy łożyska dynamiczne wykorzystują względny ruch pomiędzy powierzchniami w celu wytworzenia ciśnienia szczelinowego. Technologia pod ciśnieniem zewnętrznym ma co najmniej dwie podstawowe zalety. Po pierwsze, gaz pod ciśnieniem można wtryskiwać bezpośrednio pomiędzy powierzchnie uszczelnienia w kontrolowany sposób, zamiast wtłaczać gaz do szczeliny uszczelnienia za pomocą płytkich rowków pompujących wymagających ruchu. Umożliwia to oddzielenie powierzchni uszczelniających przed rozpoczęciem obrotu. Nawet jeśli powierzchnie zostaną ściśnięte, otworzą się, rozpoczynając i zatrzymując tarcie zerowe, gdy bezpośrednio między nimi zostanie wprowadzone ciśnienie. Dodatkowo, jeśli uszczelka się nagrzewa, możliwe jest zwiększenie nacisku na powierzchnię czołową uszczelki pod wpływem ciśnienia zewnętrznego. Szczelina wówczas zwiększałaby się proporcjonalnie do ciśnienia, ale ciepło powstające w wyniku ścinania spadałoby na funkcję sześcianu szczeliny. Daje to operatorowi nową możliwość wykorzystania efektu ograniczenia wytwarzania ciepła.
Sprężarki mają jeszcze jedną zaletę, polegającą na tym, że nie ma przepływu przez powierzchnię czołową, jak ma to miejsce w przypadku DGS. Zamiast tego najwyższe ciśnienie występuje pomiędzy powierzchniami uszczelnienia, a ciśnienie zewnętrzne będzie przepływać do atmosfery lub ulatniać się z jednej strony i do sprężarki z drugiej strony. Zwiększa to niezawodność, utrzymując proces poza luką. W przypadku pomp może to nie być zaletą, ponieważ wtłaczanie ściśliwego gazu do pompy może być niepożądane. Gazy ściśliwe wewnątrz pomp mogą powodować kawitację lub problemy z uderzeniami pneumatycznymi. Byłoby jednak interesujące posiadanie bezkontaktowego lub pozbawionego tarcia uszczelnienia pomp bez niekorzystnego przepływu gazu do procesu pompowania. Czy możliwe byłoby zastosowanie łożyska gazowego pod ciśnieniem zewnętrznym przy zerowym przepływie?
Odszkodowanie
Wszystkie łożyska pod ciśnieniem zewnętrznym mają jakąś kompensację. Kompensacja jest formą ograniczenia, która utrzymuje ciśnienie w rezerwie. Najpowszechniejszą formą kompensacji jest zastosowanie kryz, ale istnieją również techniki kompensacji rowkowej, schodkowej i porowatej. Kompensacja umożliwia pracę łożysk lub powierzchni uszczelniających blisko siebie, bez dotykania, ponieważ im bliżej się zbliżają, tym większe staje się ciśnienie gazu między nimi, odpychając powierzchnie czołowe.
Na przykład pod łożyskiem gazowym z kompensacją płaskiego otworu (zdjęcie 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), a powierzchnia czołowa ma 10 cali kwadratowych i obciążenie wynosi 300 funtów, w szczelinie łożyska będzie średnio 30 psi. Zazwyczaj szczelina będzie wynosić około 0,0003 cala, a ponieważ szczelina jest tak mała, przepływ będzie wynosić jedynie około 0,2 standardowej stopy sześciennej na minutę (scfm). Ponieważ tuż przed szczeliną znajduje się ogranicznik kryzy utrzymujący rezerwę ciśnienia, jeśli obciążenie wzrośnie do 400 funtów, szczelina łożyska zmniejsza się do około 0,0002 cala, ograniczając przepływ przez szczelinę do 0,1 scfm. To zwiększenie drugiego ograniczenia zapewnia przepływ przez zwężkę otworu wystarczający do umożliwienia wzrostu średniego ciśnienia w szczelinie do 40 psi i utrzymania zwiększonego obciążenia.
To jest przekrój boczny typowego łożyska powietrznego kryzy znajdującego się we współrzędnościowej maszynie pomiarowej (CMM). Jeśli układ pneumatyczny ma być uważany za „łożysko kompensowane”, musi mieć ograniczenie przed ograniczeniem szczeliny łożyska.
Kompensacja kryzy a porowatości
Kompensacja kryzy jest najpowszechniej stosowaną formą kompensacji. Typowa kryza może mieć średnicę otworu wynoszącą 0,010 cala, ale ponieważ zasila obszar o kilka cali kwadratowych, podaje obszar o kilka rzędów wielkości większy 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 działaniu łożyska. Inną kwestią jest to, że przy szczelinach poniżej 0,0002 cala obszar wokół kryzy zaczyna dławić przepływ do reszty powierzchni czołowej, w którym to momencie następuje zapadnięcie się filmu gazowego. To samo dzieje się przy odrywaniu, ponieważ tylko obszar dostępny jest otwór i wszelkie rowki umożliwiające zainicjowanie podnoszenia. Jest to jeden z głównych powodów, dla których łożyska pod ciśnieniem zewnętrznym nie są widoczne w projektach uszczelnień.
Nie dotyczy to porowatego łożyska kompensacyjnego, zamiast tego sztywność utrzymuje się
zwiększać się wraz ze wzrostem obciążenia i zmniejszaniem się szczeliny, podobnie jak w przypadku DGS (zdjęcie 1) i
hydrodynamiczne łożyska olejowe. W przypadku łożysk porowatych pod ciśnieniem zewnętrznym, łożysko będzie działać w trybie zrównoważonej siły, gdy ciśnienie wejściowe razy powierzchnia równa się całkowitemu obciążeniu łożyska. Jest to interesujący przypadek tribologiczny, ponieważ nie ma siły nośnej ani szczeliny powietrznej. Przepływ będzie zerowy, ale siła hydrostatyczna ciśnienia powietrza działającego na przeciwpowierzchnię pod powierzchnią czołową łożyska nadal odciąża całkowite obciążenie i skutkuje niemal zerowym współczynnikiem tarcia – nawet jeśli powierzchnie czołowe nadal się stykają.
Na przykład, jeśli grafitowa powierzchnia uszczelki 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 o wartości 100 psi przeniesionym przez porowaty grafit na powierzchnię czołową, do zainicjowania ruchu potrzebna byłaby zasadniczo zerowa siła. Dzieje się tak pomimo faktu, że nadal istnieje siła zamykająca wynosząca 1000 funtów ściskająca obie twarze i że twarze pozostają w fizycznym kontakcie.
Klasa materiałów łożysk ślizgowych, takich jak: grafit, węgiel i ceramika, np. tlenek glinu i węglik krzemu, znane w przemyśle turbosprężarek i są naturalnie porowate, dzięki czemu można je stosować jako łożyska pod ciśnieniem zewnętrznym, które są łożyskami bezkontaktowymi z warstwą cieczy. Istnieje funkcja hybrydowa, w której ciśnienie zewnętrzne jest wykorzystywane do odciążenia nacisku kontaktowego lub siły zamykającej uszczelnienia od trybologii zachodzącej na stykających się powierzchniach uszczelnienia. Dzięki temu operator pompy może dokonać regulacji poza pompą, aby poradzić sobie z problematycznymi zastosowaniami i operacjami z większą prędkością przy użyciu uszczelnień mechanicznych.
Zasada ta dotyczy również szczotek, komutatorów, wzbudnic i wszelkich przewodów stykowych, które mogą być używane do pobierania danych lub prądu elektrycznego do lub z obracających się obiektów. W miarę jak wirniki obracają się szybciej i wzrasta ich bicie, utrzymanie kontaktu tych urządzeń z wałem może być trudne i często konieczne jest zwiększenie nacisku sprężyny utrzymującej je na wale. Niestety, szczególnie w przypadku pracy z dużymi prędkościami, ten wzrost siły kontaktowej powoduje również większe nagrzewanie się i zużycie. Tę samą zasadę hybrydową, którą zastosowano w przypadku opisanych powyżej powierzchni uszczelnień mechanicznych, można również zastosować tutaj, gdy wymagany jest kontakt fizyczny w celu zapewnienia przewodności elektrycznej pomiędzy częściami stacjonarnymi i obrotowymi. Ciśnienie zewnętrzne można wykorzystać podobnie jak ciśnienie z cylindra hydraulicznego, aby zmniejszyć tarcie na dynamicznym styku, jednocześnie zwiększając siłę sprężyny lub siłę zamykającą wymaganą do utrzymania kontaktu szczotki lub powierzchni uszczelniającej z obracającym się wałem.
Czas publikacji: 21 października 2023 r