насоси є одними з найбільших користувачів механічних ущільнень. Як випливає з назви, механічні ущільнення є ущільненнями контактного типу, що відрізняються від аеродинамічних або лабіринтових безконтактних ущільнень.Механічні ущільненнятакож характеризуються як збалансоване механічне ущільнення абонезбалансоване механічне ущільнення. Це стосується того, який відсоток технологічного тиску, якщо такий є, може опинитися позаду нерухомої поверхні ущільнення. Якщо поверхня ущільнення не притискається до обертової поверхні (як у ущільненні штовхача) або технологічна рідина під тиском, який потребує ущільнення, не може потрапити за поверхню ущільнення, технологічний тиск призведе до удару поверхні ущільнення назад і відкритий. Розробник ущільнення повинен враховувати всі робочі умови, щоб розробити ущільнення з необхідною силою закриття, але не настільки, щоб одиничне навантаження на динамічну поверхню ущільнення створювало занадто багато тепла та зносу. Це крихкий баланс, який впливає на надійність насоса.
динамічне ущільнення стикається, створюючи силу відкривання, а не звичайний спосіб
балансування сили закриття, як описано вище. Це не усуває необхідної сили закриття, але дає розробнику насоса та користувачеві ще одну ручку для обертання, дозволяючи зменшити вагу або розвантажити поверхні ущільнення, зберігаючи при цьому необхідну силу закриття, таким чином зменшуючи нагрівання та знос, одночасно розширюючи можливі умови експлуатації.
Сухі газові ущільнення (DGS), які часто використовуються в компресорах, створюють силу відкриття на поверхнях ущільнення. Ця сила створюється за принципом аеродинамічного підшипника, де тонкі канавки для накачування допомагають заохочувати газ із технологічної сторони ущільнення під високим тиском у зазор і через поверхню ущільнення як безконтактний підшипник з рідинною плівкою.
Аеродинамічна сила розкриття підшипника поверхні сухого газового ущільнення. Нахил лінії вказує на жорсткість у розриві. Зверніть увагу, що зазор вказується в мікронах.
Те саме явище відбувається в гідродинамічних масляних підшипниках, які підтримують більшість великих відцентрових компресорів і роторів насосів, і видно на графіках динамічного ексцентриситету ротора, показаних Bently. Цей ефект забезпечує стабільну зворотну зупинку та є важливим елементом успіху гідродинамічних масляних підшипників і DGS . Механічні ущільнення не мають тонких насосних канавок, які можна знайти в аеродинамічній поверхні DGS. Можливо, існує спосіб використання принципів підшипника газу під зовнішнім тиском, щоб зменшити вагу сили закриття відторцеве механічне ущільненняs.
Якісні графіки залежності параметрів підшипника рідинної плівки від коефіцієнта ексцентриситету цапфи. Жорсткість K і демпфування D мінімальні, коли цапфа знаходиться в центрі підшипника. Коли цапфа наближається до опорної поверхні, жорсткість і амортизація різко зростають.
Аеростатичні газові підшипники із зовнішнім тиском використовують джерело газу під тиском, тоді як динамічні підшипники використовують відносний рух між поверхнями для створення тиску в зазорі. Технологія зовнішнього тиску має щонайменше дві фундаментальні переваги. По-перше, газ під тиском можна впорскувати безпосередньо між поверхнями ущільнення контрольованим способом, а не заохочувати газ до зазору ущільнення за допомогою неглибоких насосних канавок, які вимагають руху. Це дозволяє відокремити поверхні ущільнення до початку обертання. Навіть якщо поверхні стиснути разом, вони відкриються, щоб почати і зупинити нульове тертя, коли тиск вводиться безпосередньо між ними. Крім того, якщо ущільнення гаряче, можна за допомогою зовнішнього тиску збільшити тиск на поверхню ущільнення. Тоді зазор збільшувався б пропорційно тиску, але тепло від зсуву потрапляло б на кубічну функцію зазору. Це дає оператору нові можливості для запобігання виробленню тепла.
Існує ще одна перевага компресорів у тому, що немає потоку через поверхню, як у DGS. Натомість найвищий тиск знаходиться між поверхнями ущільнення, і зовнішній тиск буде надходити в атмосферу або виходити в один бік, а в компресор — з іншого. Це підвищує надійність, утримуючи процес поза розривом. Для насосів це може бути не перевагою, оскільки може бути небажаним примусово вводити стисливий газ у насос. Стиснуті гази всередині насосів можуть спричинити кавітацію або проблеми з пневматичним ударом. Однак було б цікаво мати безконтактне або без тертя ущільнення для насосів без недоліку потоку газу в процес насоса. Чи можна мати газовий підшипник із зовнішнім тиском із нульовою витратою?
Компенсація
Усі підшипники із зовнішнім тиском мають певну компенсацію. Компенсація - це форма обмеження, яка утримує тиск у резерві. Найпоширенішою формою компенсації є використання отворів, але існують також методи компенсації пазами, східцями та порами. Компенсація дозволяє підшипникам або поверхням ущільнення рухатися близько одна до одної, не торкаючись, оскільки чим ближче вони наближаються, тим вищим стає тиск газу між ними, відштовхуючи поверхні.
Як приклад, під плоским отвором компенсований газовий підшипник (Зображення 3), середнє
тиск у зазорі буде дорівнювати загальному навантаженню на підшипник, поділеному на площу торця, це одиничне навантаження. Якщо тиск цього вихідного газу становить 60 фунтів на квадратний дюйм (psi), а поверхня має площу 10 квадратних дюймів і є навантаження 300 фунтів, то в зазорі підшипника буде в середньому 30 фунтів на квадратний дюйм. Як правило, зазор становитиме приблизно 0,0003 дюйма, і оскільки зазор дуже 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 стандартних футів на хвилину. Це збільшення другого обмеження дає обмежувачу отвору достатній потік, щоб дозволити середньому тиску в зазорі збільшитися до 40 psi і підтримувати збільшене навантаження.
Це вид збоку в розрізі типового повітряного підшипника з отвором, який є в координатно-вимірювальній машині (CMM). Якщо пневматичну систему слід вважати «компенсованим підшипником», вона повинна мати обмеження перед обмеженням зазору підшипника.
Компенсація отвору проти пористості
Компенсація отвору є найбільш широко використовуваною формою компенсації. Типовий отвір може мати діаметр отвору 0,010 дюйма, але оскільки він живить площу в кілька квадратних дюймів, він живить на кілька порядків більшу площу, ніж він сам, тому швидкість газу може бути високою. Часто отвори точно вирізають з рубінів або сапфірів, щоб уникнути ерозії розміру отвору і, таким чином, зміни в роботі підшипника. Інша проблема полягає в тому, що при зазорах менше 0,0002 дюйма область навколо отвору починає заглушати потік до решти поверхні, у цей момент відбувається згортання газової плівки. Те ж саме відбувається при підйомі, оскільки лише площа отвір і будь-які канавки доступні для ініціювання підйому. Це одна з основних причин, чому підшипники із зовнішнім тиском не відображаються на схемах ущільнень.
Це не стосується пористого компенсованого підшипника, натомість жорсткість продовжує зберігатися
збільшуються, коли навантаження збільшується, а зазор зменшується, як у випадку з DGS (Зображення 1) і
гідродинамічні масляні підшипники. У випадку пористих підшипників із зовнішнім тиском підшипник буде в режимі збалансованої сили, коли вхідний тиск, помножений на площу, дорівнює загальному навантаженню на підшипник. Це цікавий трибологічний випадок, оскільки існує нульовий підйом або повітряний зазор. Потік буде нульовим, але гідростатична сила тиску повітря проти протилежної поверхні під поверхнею підшипника все ще зменшує вагу загального навантаження та призводить до майже нульового коефіцієнта тертя, навіть якщо поверхні все ще контактують.
Наприклад, якщо поверхня графітового ущільнювача має площу 10 квадратних дюймів і силу закриття 1000 фунтів, а графіт має коефіцієнт тертя 0,1, для початку руху знадобиться сила 100 фунтів. Але із зовнішнім джерелом тиску в 100 фунтів на квадратний дюйм, що проходить через пористий графіт до його лицьової сторони, для ініціювання руху потрібна буде фактично нульова сила. І це незважаючи на те, що сила змикання в 1000 фунтів стискає дві грані разом і що грані знаходяться у фізичному контакті.
Клас матеріалів для підшипників ковзання, таких як: графіт, вуглець і кераміка, як-от оксид алюмінію та карбіди кремнію, які відомі в турбоіндустрії та є природними пористими, тому їх можна використовувати як підшипники із зовнішнім тиском, які є безконтактними підшипниками з рідинною плівкою. Існує гібридна функція, у якій зовнішній тиск використовується для зменшення ваги контактного тиску або сили замикання ущільнення від трибології, що відбувається на контактних поверхнях ущільнення. Це дозволяє оператору насоса щось налаштувати за межами насоса для роботи з проблемними застосуваннями та високошвидкісними операціями під час використання механічних ущільнень.
Цей принцип також застосовується до щіток, комутаторів, збуджувачів або будь-якого контактного провідника, який можна використовувати для передачі даних або електричного струму на або від обертових об’єктів. Оскільки ротори обертаються швидше та вичерпуються, буває важко утримувати ці пристрої в контакті з валом, і часто необхідно збільшити тиск пружини, що утримує їх на валу. На жаль, особливо у випадку високошвидкісної роботи, це збільшення контактної сили також призводить до збільшення тепла та зносу. Той самий гібридний принцип, застосований до поверхонь механічного ущільнення, описаний вище, також може бути застосований тут, де необхідний фізичний контакт для електропровідності між нерухомою та обертовою частинами. Зовнішній тиск можна використовувати, як тиск від гідравлічного циліндра, щоб зменшити тертя на динамічній межі, збільшуючи при цьому силу пружини або силу закриття, необхідну для утримання щітки або поверхні ущільнення в контакті з обертовим валом.
Час публікації: 21 жовтня 2023 р