помпите са едни от най-големите потребители на механични уплътнения. Както подсказва името, механичните уплътнения са контактни уплътнения, които се различават от аеродинамичните или лабиринтните безконтактни уплътнения.Механични уплътнениясе характеризират също като балансирано механично уплътнение илинебалансирано механично уплътнение. Това се отнася до това какъв процент от, ако има такова, процесно налягане може да се появи зад неподвижната повърхност на уплътнението. Ако лицевата страна на уплътнението не е притисната към въртящата се повърхност (както при уплътнение тип тласкач) или технологичният флуид под налягането, което трябва да бъде уплътнено, не може да влезе зад лицето на уплътнението, налягането на процеса ще издуха лицевата страна на уплътнението назад и отворен. Проектантът на уплътнението трябва да вземе предвид всички работни условия, за да проектира уплътнение с необходимата сила на затваряне, но не толкова много, че единичното натоварване на динамичната повърхност на уплътнението да създаде твърде много топлина и износване. Това е деликатен баланс, който прави или нарушава надеждността на помпата.
динамичното уплътнение е обърнато, като позволява сила на отваряне, а не по конвенционалния начин на
балансиране на силата на затваряне, както е описано по-горе. Това не елиминира необходимата сила на затваряне, но дава на дизайнера на помпата и потребителя друго копче за завъртане, като позволява премахване на тежестта или разтоварване на повърхностите на уплътнението, като същевременно поддържа необходимата сила на затваряне, като по този начин намалява топлината и износването, като същевременно разширява възможните работни условия.
Сухи газови уплътнения (DGS), често използвани в компресори, осигуряват сила на отваряне при уплътнителните повърхности. Тази сила се създава от аеродинамичен принцип на лагеруване, където фините канали за изпомпване спомагат за насърчаване на газа от страната на процеса с високо налягане на уплътнението, в пролуката и през лицето на уплътнението като безконтактен лагер с течен филм.
Аеродинамичната сила на отваряне на лагера на лицето на сухо газово уплътнение. Наклонът на линията е представителен за твърдостта при празнина. Имайте предвид, че разликата е в микрони.
Същото явление се среща в хидродинамичните маслени лагери, които поддържат повечето големи центробежни компресори и ротори на помпи и се вижда в диаграмите на динамичния ексцентрицитет на ротора, показани от Bently. Този ефект осигурява стабилен обратен ограничител и е важен елемент в успеха на хидродинамичните маслени лагери и DGS . Механичните уплътнения нямат фините изпомпващи канали, които могат да бъдат открити в аеродинамично лице на DGS. Може да има начин да се използват принципи на лагеруване на газ под външно налягане, за да се намали силата на затваряне отмеханично уплътнение лицеs.
Качествени графики на параметрите на носещия филм от течност спрямо съотношението на ексцентричност на шийката. Твърдостта, K, и затихването, D, са минимални, когато шийката е в центъра на лагера. Когато шийката се приближи до опорната повърхност, твърдостта и затихването 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 повърхностите на уплътнението по контролиран начин, вместо да насърчава газа в междината на уплътнението с плитки изпомпващи канали, които изискват движение. Това позволява разделянето на уплътнителните повърхности преди да започне въртенето. Дори ако лицата се свият една в друга, те ще се отворят, за да стартират и спират без триене, когато налягането се инжектира директно между тях. Освен това, ако уплътнението е горещо, е възможно с външен натиск да се увеличи натискът към лицето на уплътнението. Тогава празнината ще се увеличи пропорционално на налягането, но топлината от срязване ще падне върху кубична функция на празнината. Това дава на оператора нова възможност да се възползва от генерирането на топлина.
Има още едно предимство на компресорите в това, че няма поток през лицето, както е в DGS. Вместо това, най-високото налягане е между повърхностите на уплътнението и външното налягане ще изтече в атмосферата или ще се отдуши в едната страна и в компресора от другата страна. Това повишава надеждността, като поддържа процеса извън празнината. При помпите това може да не е предимство, тъй като може да е нежелателно да се принуждава компресируем газ в помпата. Свиваемите газове вътре в помпите могат да причинят проблеми с кавитация или въздушен чук. 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 газов лагер под външно налягане с нулев поток?
Обезщетение
Всички лагери под външно налягане имат някакъв вид компенсация. Компенсацията е форма на ограничение, която задържа натиска в резерв. Най-разпространената форма на компенсация е използването на отвори, но има и техники за компенсация с канали, стъпки и порести компенсации. Компенсацията позволява на лагерите или уплътнителните повърхности да се движат близо една до друга, без да се докосват, защото колкото повече се приближават, толкова по-високо става налягането на газа между тях, отблъсквайки повърхностите една от друга.
Като пример, под плосък отвор компенсиран газов лагер (Изображение 3), средната стойност
налягането в междината ще бъде равно на общото натоварване на лагера, разделено на лицевата площ, това е единично натоварване. Ако налягането на този източник на газ е 60 паунда на квадратен инч (psi) и лицето има 10 квадратни инча площ и има 300 паунда натоварване, ще има средно 30 psi в междината на лагера. Обикновено разликата ще бъде около 0,0003 инча и тъй като разликата е толкова малка, потокът ще бъде само около 0,2 стандартни кубични фута в минута (scfm). Тъй като има ограничител на отвора точно преди празнината, задържаща резервно налягане, ако натоварването се увеличи до 400 паунда, междината на лагера се намалява до около 0,0002 инча, ограничавайки потока през междината надолу с 0,1 scfm. Това увеличение на второто ограничение дава на ограничителя на отвора достатъчен поток, за да позволи средното налягане в междината да се увеличи до 40 psi и да поддържа увеличеното натоварване.
Това е страничен изглед с разрез на типичен въздушен лагер с отвор, намиращ се в координатна измервателна машина (CMM). Ако една пневматична система трябва да се счита за „компенсиран лагер“, тя трябва да има ограничение преди ограничението на междината на лагера.
Отвор срещу пореста компенсация
Компенсацията на отвора е най-широко използваната форма на компенсация Типичен отвор може да има диаметър на отвора 0,010 инча, но тъй като захранва няколко квадратни инча площ, той захранва с няколко порядъка повече площ от себе си, така че скоростта на газ може да бъде висока. Често отворите са прецизно изрязани 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 празнини под 0,0002 инча зоната около отвора започва да задушава потока към останалата част от лицето, в който момент настъпва колапс на газовия филм. Същото се случва при повдигане, тъй като само областта на отвор и всякакви жлебове са налични за иницииране на повдигане. Това е една от основните причини лагерите под външно налягане да не се виждат в плановете за уплътнения.
Това не е случаят с порестия компенсиран лагер, вместо това твърдостта продължава
се увеличава с увеличаване на натоварването и разликата се намалява, точно както в случая с DGS (Изображение 1) и
хидродинамични маслени лагери. В случай на порести лагери с външно налягане, лагерът ще бъде в режим на балансирана сила, когато входното налягане, умножено по площта, е равно на общото натоварване на лагера. Това е интересен трибологичен случай, тъй като има нулево повдигане или въздушна междина. Ще има нулев поток, но хидростатичната сила на въздушното налягане срещу насрещната повърхност под лицевата страна на лагера все още намалява теглото на общото натоварване и води до почти нулев коефициент на триене - въпреки че повърхностите все още са в контакт.
Например, ако лицето на графитно уплътнение има площ от 10 квадратни инча и 1000 паунда сила на затваряне и графитът има коефициент на триене 0,1, ще са необходими 100 паунда сила, за да започне движение. Но с външен източник на налягане от 100 psi, пренесен през порестия графит към лицето му, по същество ще има нулева сила, необходима за започване на движение. Това е въпреки факта, че все още има сила на затваряне от 1000 паунда, която притиска двете лица заедно и че лицата са във физически контакт.
Клас материали за плъзгащи лагери като: графит, въглерод и керамика като алуминиев оксид и силициеви карбиди, които са известни на турбоиндустриите и са естествено порести, така че могат да се използват като лагери с външно налягане, които са безконтактни лагери с течен филм. Има хибридна функция, при която външното налягане се използва за премахване на теглото на контактното налягане или силата на затваряне на уплътнението от трибологията, която се случва в контактните повърхности на уплътнението. Това позволява на оператора на помпата да регулира нещо извън помпата, за да се справи с проблемни приложения и операции с по-висока скорост, докато използва механични уплътнения.
Този принцип се прилага и за четки, комутатори, възбудители или всеки контактен проводник, който може да се използва за приемане на данни или електрически токове върху или извън въртящи се обекти. Тъй като роторите се въртят по-бързо и се изчерпват, може да е трудно тези устройства да се поддържат в контакт с вала и често е необходимо да се увеличи натискът на пружината, който ги държи срещу вала. За съжаление, особено в случай на работа с висока скорост, това увеличаване на контактната сила също води до повече топлина и износване. Същият хибриден принцип, приложен към повърхностите на механичното уплътнение, описан по-горе, 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 като налягането от хидравличен цилиндър за намаляване на триенето при динамичния интерфейс, като същевременно увеличава силата на пружината или силата на затваряне, необходима за поддържане на четката или лицето на уплътнението в контакт с въртящия се вал.
Време на публикуване: 21 октомври 2023 г