Помпите са едни от най-големите потребители на механични уплътнения. Както подсказва името, механичните уплътнения са контактни, различаващи се от аеродинамични или лабиринтни безконтактни уплътнения.Механични уплътнениясе характеризират също като балансирано механично уплътнение илинебалансирано механично уплътнениеТова се отнася до това какъв процент от, ако има такъв, технологично налягане може да се окаже зад неподвижната уплътнителна повърхност. Ако уплътнителната повърхност не е притисната към въртящата се повърхност (както при уплътнение тип тласкач) или технологичният флуид с налягането, което трябва да се уплътни, не е позволено да попадне зад уплътнителната повърхност, технологичното налягане ще издуха уплътнителната повърхност назад и ще я отвори. Проектантът на уплътненията трябва да вземе предвид всички работни условия, за да проектира уплътнение с необходимата сила на затваряне, но не толкова голяма сила, че натоварването на динамичната уплътнителна повърхност да създаде твърде много топлина и износване. Това е деликатен баланс, който определя или нарушава надеждността на помпата.
динамичните уплътнителни повърхности, като позволяват сила на отваряне, вместо конвенционалния начин
балансиране на силата на затваряне, както е описано по-горе. Това не елиминира необходимата сила на затваряне, но дава на конструктора и потребителя на помпата още един бутон за завъртане, като позволява разтоварване на уплътнителните повърхности, като същевременно се поддържа необходимата сила на затваряне, като по този начин се намалява топлината и износването, като същевременно се разширяват възможните работни условия.
Сухи газови уплътнения (DGS), често използвани в компресори, осигуряват сила на отваряне върху повърхностите на уплътнението. Тази сила се създава от аеродинамичния принцип на лагера, където фините канали за изпомпване спомагат за насърчаване на газ от страната на процеса с високо налягане на уплътнението в междината и през повърхността на уплътнението като безконтактен лагер с флуиден филм.
Аеродинамичната сила на отваряне на лагера на повърхността на сухо газово уплътнение. Наклонът на линията е представителен за твърдостта при пролука. Обърнете внимание, че пролуката е в микрони.
Същото явление се наблюдава и в хидродинамичните маслени лагери, които поддържат повечето големи центробежни компресори и ротори на помпи, и се наблюдава на графиките на динамичната ексцентричност на ротора, показани от Бентли. Този ефект осигурява стабилен обратен ограничител и е важен елемент за успеха на хидродинамичните маслени лагери и DGS. Механичните уплътнения нямат фините канали за изпомпване, които биха могли да се намерят в аеродинамичната повърхност на DGS. Възможно е да има начин да се използват принципите на външно сгъстени газови лагери, за да се облекчи силата на затваряне от...лицева страна на механичното уплътнениеs.
Качествени графики на параметрите на флуидно-филмовия лагер спрямо коефициента на ексцентричност на шийката. Коравината K и демпфирането D са минимални, когато шийката е в центъра на лагера. С приближаването на шийката до повърхността на лагера, коравината и демпфирането се увеличават драстично.
Аеростатичните газови лагери с външно налягане използват източник на газ под налягане, докато динамичните лагери използват относителното движение между повърхностите, за да генерират налягане в междината. Технологията с външно налягане има поне две основни предимства. Първо, газът под налягане може да се инжектира директно между уплътнителните повърхности по контролиран начин, вместо да се насърчава газът в междината на уплътнението с плитки канали за напомпване, които изискват движение. Това позволява разделянето на уплътнителните повърхности преди началото на въртенето. Дори ако повърхностите са притиснати една към друга, те ще се отворят, за да се постигне нулево триене, когато налягането се инжектира директно между тях. Освен това, ако уплътнението е горещо, е възможно с външно налягане да се увеличи налягането върху повърхността на уплътнението. Тогава междината ще се увеличи пропорционално на налягането, но топлината от срязване ще падне върху кубична функция на междината. Това дава на оператора нова възможност да се бори с генерирането на топлина.
Има и друго предимство при компресорите, а именно, че няма поток през повърхността, както е при DGS. Вместо това, най-високото налягане е между уплътнителните повърхности и външното налягане ще се влее в атмосферата или ще се вентилира от едната страна и в компресора от другата страна. Това повишава надеждността, като държи процеса извън междината. При помпите това може да не е предимство, тъй като може да е нежелателно да се вкарва свиваем газ в помпата. Свиваемите газове вътре в помпите могат да причинят проблеми с кавитация или въздушен удар. Би било интересно обаче да има безконтактно или без триене уплътнение за помпи без недостатъка на газовия поток в процеса на помпата. Възможно ли е да има външно налягане на газов лагер с нулев поток?
Обезщетение
Всички лагери под външно налягане имат някакъв вид компенсация. Компенсацията е форма на ограничение, която задържа налягането в резерв. Най-често срещаната форма на компенсация е използването на отвори, но съществуват и техники за компенсация с канали, стъпала и порести елементи. Компенсацията позволява на лагерите или уплътнителните повърхности да се движат близо една до друга, без да се докосват, защото колкото по-близо се приближават, толкова по-високо става налягането на газа между тях, което отблъсква повърхностите.
Като пример, под газов лагер с компенсация и плосък отвор (Изображение 3), средната
Налягането в междината ще бъде равно на общото натоварване върху лагера, разделено на площта на челото, това е единично натоварване. Ако налягането на този изходен газ е 60 паунда на квадратен инч (psi) и челото има площ от 10 квадратни инча и има товар от 300 паунда (136 кг), в междината на лагера ще има средно 30 psi. Обикновено междината би била около 0,0003 инча (0,0003 инча) и тъй като междината е толкова малка, потокът би бил само около 0,2 стандартни кубични фута в минута (scfm). Тъй като точно преди междината има ограничител на отвора, който задържа налягането в резерв, ако натоварването се увеличи до 400 паунда (172 кг), междината на лагера се намалява до около 0,0002 инча (0,0002 инча), ограничавайки потока през междината с 0,1 scfm (0,1 scfm). Това увеличение на второто ограничение дава на ограничителя на отвора достатъчно поток, за да позволи на средното налягане в междината да се увеличи до 40 psi (0,46 кг) и да поддържа увеличеното натоварване.
Това е страничен разрез на типичен отвор за въздушен лагер, намиращ се в координатно-измервателна машина (CMM). Ако една пневматична система се счита за „компенсиран лагер“, тя трябва да има ограничение преди ограничението на хлабината на лагера.
Компенсация за отвори срещу порести
Компенсацията на отвора е най-широко използваната форма на компенсация. Типичният отвор може да има диаметър на отвора от 0,010 инча, но тъй като захранва няколко квадратни инча площ, той захранва с няколко порядъка по-голяма площ от самата себе си, така че скоростта на газа може да бъде висока. Често отворите се изрязват прецизно от рубини или сапфири, за да се избегне ерозия на размера на отвора и по този начин промени в работата на лагера. Друг проблем е, че при хлабини под 0,0002 инча, зоната около отвора започва да задушава потока към останалата част от повърхността, при което се получава свиване на газовия филм. Същото се случва и при повдигане, тъй като само зоната на отвора и всички канали са налични за иницииране на повдигане. Това е една от основните причини, поради които лагерите под външно налягане не се виждат в чертежите на уплътненията.
Това не е така за порестия компенсиран лагер, вместо това коравината продължава
увеличават се с увеличаване на натоварването и намаляване на разстоянието, точно както в случая с DGS (Изображение 1) и
Хидродинамични маслени лагери. В случай на порести лагери под външно налягане, лагерът ще бъде в режим на балансирана сила, когато входното налягане, умножено по площта, е равно на общото натоварване върху лагера. Това е интересен трибологичен случай, тъй като няма повдигаща сила или въздушна междина. Ще има нулев поток, но хидростатичната сила на въздушното налягане срещу насрещната повърхност под челото на лагера все още разтоварва общото натоварване и води до почти нулев коефициент на триене, въпреки че челото все още е в контакт.
Например, ако графитната уплътнителна повърхност има площ от 10 квадратни инча и 1000 паунда сила на затваряне, а графитът има коефициент на триене 0,1, ще са необходими 100 паунда сила, за да се инициира движение. Но с външен източник на налягане от 100 psi, пренесен през порестия графит към неговата повърхност, на практика няма да е необходима никаква сила, за да се инициира движение. Това е въпреки факта, че все още има 1000 паунда сила на затваряне, притискаща двете повърхности една към друга, и че повърхностите са във физически контакт.
Клас материали за плъзгащи лагери, като например: графит, въглерод и керамика, като алуминиев оксид и силициеви карбиди, които са известни в турбоиндустрията и са естествено порести, така че могат да се използват като лагери под външно налягане, които са безконтактни лагери с флуиден филм. Съществува хибридна функция, при която външно налягане се използва за облекчаване на контактното налягане или силата на затваряне на уплътнението от трибологията, която се случва в контактуващите уплътнителни повърхности. Това позволява на оператора на помпата да регулира нещо извън помпата, за да се справи с проблемни приложения и работа с по-висока скорост при използване на механични уплътнения.
Този принцип се отнася и за четки, комутатори, възбудители или всякакви контактни проводници, които могат да се използват за отвеждане на данни или електрически токове към или от въртящи се обекти. Тъй като роторите се въртят по-бързо и се увеличава техният експлоатационен живот, може да е трудно да се поддържат тези устройства в контакт с вала и често е необходимо да се увеличи налягането на пружината, която ги държи към вала. За съжаление, особено в случай на работа с висока скорост, това увеличение на контактната сила води и до повече топлина и износване. Същият хибриден принцип, приложен към описаните по-горе механични уплътнителни повърхности, може да се приложи и тук, където е необходим физически контакт за електрическа проводимост между неподвижните и въртящите се части. Външното налягане може да се използва подобно на налягането от хидравличен цилиндър, за да се намали триенето в динамичния интерфейс, като същевременно се увеличи силата на пружината или силата на затваряне, необходима за поддържане на четката или уплътнителната повърхност в контакт с въртящия се вал.
Време на публикуване: 21 октомври 2023 г.