Pompele sunt printre cei mai mari utilizatori de etanșări mecanice. După cum sugerează și numele, etanșările mecanice sunt etanșări de tip contact, diferențiate de etanșările aerodinamice sau labirintice fără contact.Garnituri mecanicesunt caracterizate și ca etanșare mecanică echilibrată sauetanșare mecanică dezechilibratăAceasta se referă la procentul din presiunea de proces, dacă există, care poate ajunge în spatele feței de etanșare staționare. Dacă fața de etanșare nu este împinsă pe fața de rotație (ca în cazul unei etanșări de tip împingător) sau fluidul de proces la presiunea care trebuie etanșat nu are voie să ajungă în spatele feței de etanșare, presiunea de proces ar împinge fața de etanșare înapoi și s-ar deschide. Proiectantul de etanșări trebuie să ia în considerare toate condițiile de funcționare pentru a proiecta o etanșare cu forța de închidere necesară, dar nu atât de mult încât sarcina unitară la fața dinamică a etanșării să creeze prea multă căldură și uzură. Acesta este un echilibru delicat care contribuie la fiabilitatea pompei sau nu.
fețele de etanșare dinamice prin permiterea unei forțe de deschidere, în loc de modul convențional de
echilibrarea forței de închidere, așa cum este descris mai sus. Nu elimină forța de închidere necesară, dar oferă proiectantului și utilizatorului pompei un alt buton de rotit, permițând degrevarea sau descărcarea suprafețelor de etanșare, menținând în același timp forța de închidere necesară, reducând astfel căldura și uzura și lărgind posibilele condiții de funcționare.
Garnituri de etanșare uscate pentru gaz (DGS), adesea utilizate în compresoare, asigură o forță de deschidere la nivelul fețelor de etanșare. Această forță este creată de un principiu aerodinamic al rulmentului, în care canelurile fine de pompare ajută la încurajarea gazului din partea de proces de înaltă presiune a etanșării, în spațiu și peste fața etanșării, ca un rulment cu peliculă fluidă fără contact.
Forța aerodinamică de deschidere a rulmentului pe o suprafață de etanșare cu gaz uscat. Panta liniei este reprezentativă pentru rigiditatea la un spațiu liber. Rețineți că spațiul liber este în microni.
Același fenomen apare și în lagărele hidrodinamice cu ulei care susțin majoritatea compresoarelor centrifuge mari și a rotoarelor pompelor și este observat în graficele de excentricitate dinamică a rotorului prezentate de Bently. Acest efect asigură o oprire stabilă și este un element important în succesul lagărelor hidrodinamice cu ulei și al garniturilor cu etanșare dublă (DGS). Garniturile mecanice nu au canelurile fine de pompare care s-ar putea găsi pe o față aerodinamică DGS. Ar putea exista o modalitate de a utiliza principiile lagărelor cu gaz sub presiune externă pentru a reduce forța de închidere din...fața etanșării mecanices.
Diagrame calitative ale parametrilor rulmentului fluid-film în funcție de raportul de excentricitate al fusului. Rigiditatea, K, și amortizarea, D, sunt minime atunci când fusul se află în centrul rulmentului. Pe măsură ce fusul se apropie de suprafața rulmentului, rigiditatea și amortizarea cresc dramatic.
Lagărele aerostatice cu gaz presurizate extern utilizează o sursă de gaz presurizat, în timp ce lagărele dinamice utilizează mișcarea relativă dintre suprafețe pentru a genera presiune în spațiul dintre garnituri. Tehnologia presurizată externă are cel puțin două avantaje fundamentale. În primul rând, gazul presurizat poate fi injectat direct între fețele de etanșare într-un mod controlat, în loc să fie încurajat gazul să pătrundă în spațiul dintre garnituri cu caneluri de pompare superficiale care necesită mișcare. Acest lucru permite separarea fețelor de etanșare înainte de începerea rotației. Chiar dacă fețele sunt strânse împreună, acestea se vor deschide pentru porniri și opriri fără frecare atunci când presiunea este injectată direct între ele. În plus, dacă garnitura se încălzește, este posibil ca presiunea externă să crească presiunea pe fața garniturii. Spațiul dintre garnituri ar crește apoi proporțional cu presiunea, dar căldura provenită de la forfecare ar cădea pe o funcție cubică a spațiului dintre garnituri. Acest lucru oferă operatorului o nouă capacitate de a combate generarea de căldură.
Există un alt avantaj al compresoarelor, și anume că nu există curgere pe suprafață, așa cum este cazul unui DGS. În schimb, cea mai mare presiune este între fețele de etanșare, iar presiunea externă va curge în atmosferă sau va pătrunde într-o parte și în compresor din cealaltă parte. Acest lucru crește fiabilitatea prin menținerea procesului în afara spațiului. În cazul pompelor, acest lucru poate să nu fie un avantaj, deoarece poate fi nedorit să se forțeze un gaz compresibil într-o pompă. Gazele compresibile din interiorul pompelor pot cauza probleme de cavitație sau lovitură pneumatică. Ar fi interesant, totuși, să existe o etanșare fără contact sau fără frecare pentru pompe, fără dezavantajul curgerii de gaz în procesul pompei. Ar putea fi posibil să se aibă un rulment de gaz sub presiune externă cu debit zero?
Compensare
Toți rulmenții sub presiune externă au un anumit tip de compensare. Compensarea este o formă de restricție care menține presiunea în rezervă. Cea mai comună formă de compensare este utilizarea orificiilor, dar există și tehnici de compensare cu canelură, treaptă și poroasă. Compensarea permite rulmenților sau fețelor de etanșare să se deplaseze aproape unul de celălalt fără a se atinge, deoarece cu cât sunt mai aproape, cu atât presiunea gazului dintre ele devine mai mare, respingând fețele depărtându-le.
De exemplu, sub un rulment de gaz compensat cu orificiu plat (Imaginea 3), media
Presiunea în spațiul rulmentului va fi egală cu sarcina totală asupra rulmentului împărțită la aria feței, aceasta fiind sarcina unitară. Dacă presiunea gazului sursă este de 60 de livre pe inch pătrat (psi) și fața are o suprafață de 10 inci pătrați și există o sarcină de 300 de livre, va exista o medie de 30 psi în spațiul rulmentului. De obicei, spațiul ar fi de aproximativ 0,0003 inci și, deoarece spațiul este atât de mic, debitul ar fi de doar aproximativ 0,2 picioare cubice standard pe minut (scfm). Deoarece există un restrictor de orificiu chiar înainte de spațiu care menține presiunea în rezervă, dacă sarcina crește la 400 de livre, spațiul rulmentului se reduce la aproximativ 0,0002 inci, restricționând debitul prin spațiu cu 0,1 scfm. Această creștere a celei de-a doua restricții oferă restrictorului de orificiu un debit suficient pentru a permite presiunii medii din spațiu să crească la 40 psi și să susțină sarcina crescută.
Aceasta este o vedere laterală în secțiune a unui rulment de aer cu orificiu tipic întâlnit într-o mașină de măsurat în coordonate (CMM). Dacă un sistem pneumatic trebuie considerat un „rulment compensat”, acesta trebuie să aibă o restricție în amonte de restricția jocului rulmentului.
Compensare orificială vs. poroasă
Compensarea orificiului este cea mai utilizată formă de compensare. Un orificiu tipic poate avea un diametru al găurii de 0,010 inci, dar deoarece alimentează o suprafață de câțiva inci pătrați, alimentează o suprafață cu câteva ordine de mărime mai mare decât el însuși, astfel încât viteza gazului poate fi mare. Adesea, orificiile sunt tăiate cu precizie din rubine sau safire pentru a evita erodarea dimensiunii orificiului și, prin urmare, modificările performanței rulmentului. O altă problemă este că la goluri sub 0,0002 inci, zona din jurul orificiului începe să blocheze curgerea către restul feței, moment în care are loc colapsul peliculei de gaz. Același lucru se întâmplă și la ridicare, deoarece doar zona orificiului și orice caneluri sunt disponibile pentru a iniția ridicarea. Acesta este unul dintre principalele motive pentru care rulmenții sub presiune externă nu se văd în planurile de etanșare.
Acest lucru nu este valabil pentru rulmentul poros compensat, în schimb rigiditatea continuă să
cresc pe măsură ce sarcina crește, iar spațiul liber se reduce, la fel ca în cazul DGS (Imaginea 1) și
Lagăre hidrodinamice cu ulei. În cazul lagărelor poroase sub presiune externă, lagărul va fi într-un mod de forță echilibrată atunci când presiunea de intrare înmulțită cu aria este egală cu sarcina totală pe lagăr. Acesta este un caz tribologic interesant, deoarece există o ridicare sau un spațiu de aer zero. Debitul va fi zero, dar forța hidrostatică a presiunii aerului împotriva suprafeței opuse de sub fața lagărului încă descărcează sarcina totală și are ca rezultat un coeficient de frecare aproape zero - chiar dacă fețele sunt încă în contact.
De exemplu, dacă o față de etanșare din grafit are o suprafață de 10 inci pătrați și o forță de închidere de 1.000 de livre, iar grafitul are un coeficient de frecare de 0,1, ar fi nevoie de o forță de 100 de livre pentru a iniția mișcarea. Dar cu o sursă de presiune externă de 100 psi trecută prin grafitul poros către fața sa, forța necesară pentru a iniția mișcarea ar fi practic zero. Acest lucru se întâmplă în ciuda faptului că există încă o forță de închidere de 1.000 de livre care comprimă cele două fețe împreună și că fețele sunt în contact fizic.
O clasă de materiale pentru lagăre de alunecare, cum ar fi: grafitul, carbonul și ceramica, cum ar fi alumina și carburile de siliciu, cunoscute în industriile turbo și care sunt în mod natural poroase, astfel încât pot fi utilizate ca lagăre sub presiune externă, care sunt lagăre cu peliculă fluidă fără contact. Există o funcție hibridă în care presiunea externă este utilizată pentru a degreva presiunea de contact sau forța de închidere a etanșării de tribologia care se manifestă pe fețele etanșării în contact. Acest lucru permite operatorului pompei să ajusteze ceva în afara pompei pentru a face față aplicațiilor problematice și operațiunilor cu viteză mai mare în timp ce utilizează etanșări mecanice.
Acest principiu se aplică și periilor, comutatoarelor, excitatoarelor sau oricărui conductor de contact care poate fi utilizat pentru a prelua date sau curenți electrici de pe sau de pe obiecte rotative. Pe măsură ce rotoarele se rotesc mai repede și uzura crește, poate fi dificil să se mențină aceste dispozitive în contact cu arborele și este adesea necesar să se crească presiunea arcului care le ține pe arbore. Din păcate, mai ales în cazul funcționării la viteză mare, această creștere a forței de contact duce și la mai multă căldură și uzură. Același principiu hibrid aplicat suprafețelor de etanșare mecanică descris mai sus poate fi aplicat și aici, unde este necesar contactul fizic pentru conductivitatea electrică dintre piesele staționare și cele rotative. Presiunea externă poate fi utilizată ca presiunea unui cilindru hidraulic pentru a reduce frecarea la interfața dinamică, crescând în același timp forța arcului sau forța de închidere necesară pentru a menține peria sau suprafața de etanșare în contact cu arborele rotativ.
Data publicării: 21 oct. 2023