Насоси є одними з найбільших користувачів механічних ущільнень. Як випливає з назви, механічні ущільнення є ущільненнями контактного типу, які відрізняються від аеродинамічних або лабіринтних безконтактних ущільнень.Механічні ущільненнятакож характеризуються як збалансоване механічне ущільнення абонезбалансоване механічне ущільненняЦе стосується того, який відсоток, якщо такий є, технологічного тиску може знаходитися за нерухомою поверхнею ущільнення. Якщо поверхня ущільнення не притискається до обертової поверхні (як у випадку ущільнення штовхаючого типу) або технологічна рідина під тиском, який необхідно ущільнити, не потрапляє за поверхню ущільнення, технологічний тиск відкине поверхню ущільнення назад і вона відкриється. Розробник ущільнення повинен враховувати всі робочі умови, щоб спроектувати ущільнення з необхідним зусиллям закриття, але не настільки великим, щоб навантаження на динамічну поверхню ущільнення створювало занадто багато тепла та зносу. Це делікатний баланс, який визначає надійність насоса.
динамічні ущільнювальні поверхні, забезпечуючи силу відкриття, а не традиційний спосіб
балансування сили закриття, як описано вище. Це не усуває необхідну силу закриття, але дає конструктору насоса та користувачеві ще одну ручку для повороту, дозволяючи розвантажувати поверхні ущільнення, зберігаючи при цьому необхідну силу закриття, тим самим зменшуючи нагрівання та знос, розширюючи можливі умови експлуатації.
Сухі газові ущільнення (DGS), які часто використовуються в компресорах, забезпечують зусилля відкриття на поверхнях ущільнення. Ця сила створюється за принципом аеродинамічного підшипника, де дрібні насосні канавки допомагають подавати газ з боку ущільнення під високим тиском у зазор і по всій поверхні ущільнення, утворюючи безконтактний плівковий підшипник рідини.
Аеродинамічна сила відкриття підшипника на поверхні сухого газового ущільнення. Нахил лінії відображає жорсткість у зазорі. Зверніть увагу, що зазор вимірюється в мікронах.
Таке саме явище відбувається в гідродинамічних масляних підшипниках, які підтримують більшість великих відцентрових компресорів та роторів насосів, і спостерігається на графіках динамічного ексцентриситету ротора, показаних Бентлі. Цей ефект забезпечує стабільний зворотний обмежувач і є важливим елементом успіху гідродинамічних масляних підшипників та DGS. Механічні ущільнення не мають дрібних насосних канавок, які можна знайти на аеродинамічній поверхні DGS. Можливо, існує спосіб використання принципів підшипників із зовнішнім тиском газу для зменшення сили закриття відторцева поверхня механічного ущільненняs.
Якісні графіки залежності параметрів підшипника рідинної плівки від коефіцієнта ексцентриситету шийки. Жорсткість K та демпфування D мінімальні, коли шийка знаходиться в центрі підшипника. Коли шийка наближається до поверхні підшипника, жорсткість та демпфування різко зростають.
Аеростатичні газові підшипники із зовнішнім тиском використовують джерело стисненого газу, тоді як динамічні підшипники використовують відносний рух між поверхнями для створення тиску в зазорі. Технологія зовнішнього тиску має щонайменше дві фундаментальні переваги. По-перше, стиснений газ може вводитися безпосередньо між поверхнями ущільнення контрольованим чином, а не вводити газ у зазор ущільнення за допомогою неглибоких канавок накачування, які вимагають руху. Це дозволяє розділити поверхні ущільнення до початку обертання. Навіть якщо поверхні стискаються разом, вони розкриваються без тертя, коли тиск вводиться безпосередньо між ними. Крім того, якщо ущільнення нагрівається, можна збільшити тиск на поверхню ущільнення за допомогою зовнішнього тиску. Тоді зазор збільшуватиметься пропорційно тиску, але тепло від зсуву падатиме на кубічну функцію зазору. Це дає оператору нову можливість боротися з теплоутворенням.
Існує ще одна перевага компресорів: немає потоку поперек поверхні, як у DGS. Натомість найвищий тиск створюється між поверхнями ущільнення, і зовнішній тиск надходить в атмосферу або виходить на один бік, а в компресор - з іншого. Це підвищує надійність, оскільки процес не потрапляє в зазор. У насосах це може бути не перевагою, оскільки небажано примусово подавати стисливий газ у насос. Стисливі гази всередині насосів можуть спричинити кавітацію або проблеми з повітряним ударом. Однак було б цікаво мати безконтактне або безтертячне ущільнення для насосів без недоліку потоку газу в процес насоса. Чи можливо мати зовнішній газовий підшипник із нульовим потоком?
Компенсація
Усі підшипники, що знаходяться під зовнішнім тиском, мають певний вид компенсації. Компенсація – це форма обмеження, яка утримує тиск у резерві. Найпоширенішою формою компенсації є використання отворів, але існують також методи компенсації за допомогою канавок, ступінчастих елементів та пор. Компенсація дозволяє підшипникам або ущільнювальним поверхням зближуватися, не торкаючись одна одної, оскільки чим ближче вони розташовані, тим вищий тиск газу між ними, що відштовхує поверхні.
Наприклад, під компенсованим газовим підшипником з плоским отвором (Зображення 3), середнє
Тиск у зазорі дорівнюватиме загальному навантаженню на підшипник, поділеному на площу лицьової поверхні, це одиничне навантаження. Якщо тиск цього вихідного газу становить 60 фунтів на квадратний дюйм (psi), а площа лицьової поверхні становить 10 квадратних дюймів, а навантаження становить 300 фунтів, то в зазорі підшипника в середньому буде 30 psi. Зазвичай зазор становить близько 0,0003 дюйма, і оскільки зазор такий малий, потік становитиме лише близько 0,2 стандартних кубічних футів на хвилину (scfm). Оскільки безпосередньо перед зазором є обмежувач отвору, який утримує тиск у резерві, якщо навантаження збільшується до 400 фунтів, зазор підшипника зменшується приблизно до 0,0002 дюйма, обмежуючи потік через зазор на 0,1 scfm. Це збільшення другого обмеження забезпечує обмежувач отвору достатнім потоком, щоб дозволити середньому тиску в зазорі збільшитися до 40 psi та витримати збільшене навантаження.
Це вигляд збоку в розрізі типового отвору повітряного підшипника, що знаходиться в координатно-вимірювальній машині (КВМ). Якщо пневматичну систему слід вважати «компенсованим підшипником», вона повинна мати обмеження перед обмеженням зазору підшипника.
Компенсація отвору проти пористої
Компенсація отвору є найпоширенішою формою компенсації. Типовий отвір може мати діаметр отвору 0,010 дюйма, але оскільки він подає матеріал площею кілька квадратних дюймів, він подає матеріал на кілька порядків більшої площі, ніж він сам, тому швидкість газу може бути високою. Часто отвори точно вирізаються з рубінів або сапфірів, щоб уникнути ерозії розміру отвору та, отже, змін у роботі підшипника. Ще одна проблема полягає в тому, що при зазорах менше 0,0002 дюйма область навколо отвору починає перекривати потік до решти поверхні, і в цей момент відбувається руйнування газової плівки. Те саме відбувається під час відриву, оскільки для початку відриву доступна лише область отвору та будь-які канавки. Це одна з головних причин, чому підшипники, що знаходяться під зовнішнім тиском, не зображені на схемах ущільнень.
Це не стосується пористого компенсованого підшипника, натомість жорсткість продовжує зростати
збільшуються зі збільшенням навантаження, а зазор зменшується, як у випадку з DGS (Зображення 1) та
Гідродинамічні масляні підшипники. У випадку пористих підшипників, що знаходяться під зовнішнім тиском, підшипник буде перебувати в режимі збалансованої сили, коли вхідний тиск, помножений на площу, дорівнює загальному навантаженню на підшипник. Це цікавий трибологічний випадок, оскільки підйомна сила або повітряний зазор відсутні. Потік буде нульовим, але гідростатична сила тиску повітря на контрповерхню під торцевою поверхнею підшипника все ще розвантажує загальне навантаження і призводить до майже нульового коефіцієнта тертя, навіть якщо торцеві поверхні все ще контактують.
Наприклад, якщо графітова ущільнювальна поверхня має площу 10 квадратних дюймів і 1000 фунтів сили закриття, а графіт має коефіцієнт тертя 0,1, для початку руху знадобиться сила 100 фунтів. Але з зовнішнім джерелом тиску 100 psi, що проходить через пористий графіт до його поверхні, для початку руху практично не знадобиться сила. Це незважаючи на те, що все ще існує сила закриття 1000 фунтів, яка стискає дві поверхні разом, і що поверхні фізично контактують.
Клас матеріалів для підшипників ковзання, таких як: графіт, вуглець та кераміка, така як оксид алюмінію та карбіди кремнію, відомі в турбоіндустрії та мають природну пористу структуру, тому їх можна використовувати як підшипники з зовнішнім тиском, що є безконтактними підшипниками з рідинною плівкою. Існує гібридна функція, коли зовнішній тиск використовується для зняття контактного тиску або сили закриття ущільнення з трибології, що виникає на контактуючих поверхнях ущільнення. Це дозволяє оператору насоса регулювати зовнішні елементи насоса для вирішення проблемних задач та роботи на високих швидкостях під час використання механічних ущільнень.
Цей принцип також застосовується до щіток, комутаторів, збудників або будь-яких контактних провідників, які можуть використовуватися для передачі даних або електричного струму на обертові об'єкти або від них. Оскільки ротори обертаються швидше та збільшується час їхнього вибігу, може бути важко утримувати ці пристрої в контакті з валом, і часто необхідно збільшувати тиск пружини, що утримує їх на валу. На жаль, особливо у випадку високошвидкісної роботи, це збільшення контактної сили також призводить до більшого нагрівання та зносу. Той самий гібридний принцип, що застосовується до поверхонь механічного ущільнення, описаний вище, може бути застосований і тут, де для електропровідності між нерухомою та обертовою частинами потрібен фізичний контакт. Зовнішній тиск може бути використаний, як тиск від гідравлічного циліндра, для зменшення тертя на динамічному інтерфейсі, одночасно збільшуючи силу пружини або силу закриття, необхідну для утримання щітки або поверхні ущільнення в контакті з обертовим валом.
Час публікації: 21 жовтня 2023 р.