Насосы являются одними из крупнейших потребителей механических уплотнений. Как следует из названия, механические уплотнения являются уплотнениями контактного типа, отличающимися от аэродинамических или лабиринтных бесконтактных уплотнений.Механические уплотнениятакже характеризуются как сбалансированное механическое уплотнение илинесбалансированное механическое уплотнение. Это относится к тому, какой процент давления процесса, если таковой имеется, может пройти за неподвижной поверхностью уплотнения. Если поверхность уплотнения не прижата к вращающейся поверхности (как в уплотнении толкательного типа) или технологическая жидкость под давлением, которое необходимо уплотнить, не может попасть за поверхность уплотнения, давление процесса отбросит поверхность уплотнения назад и откроет ее. Проектировщик уплотнения должен учесть все рабочие условия, чтобы спроектировать уплотнение с требуемой силой закрытия, но не настолько большой, чтобы нагрузка блока на динамической поверхности уплотнения создавала слишком много тепла и износа. Это тонкий баланс, который создает или разрушает надежность насоса.
динамические уплотнительные поверхности, позволяющие использовать силу открытия, а не обычный способ
балансировка силы закрытия, как описано выше. Это не устраняет необходимую силу закрытия, но дает проектировщику и пользователю насоса еще одну ручку для поворота, позволяя разгрузить или разгрузить поверхности уплотнения, сохраняя при этом необходимую силу закрытия, тем самым уменьшая нагрев и износ, расширяя возможные условия эксплуатации.
Сухие газовые уплотнения (СГУ), часто используемые в компрессорах, обеспечивают силу открытия на поверхностях уплотнения. Эта сила создается по принципу аэродинамического подшипника, где тонкие насосные канавки помогают направлять газ со стороны процесса высокого давления уплотнения в зазор и через поверхность уплотнения как бесконтактный подшипник с жидкостной пленкой.
Сила открытия аэродинамического подшипника поверхности сухого газового уплотнения. Наклон линии представляет жесткость в зазоре. Обратите внимание, что зазор указан в микронах.
Такое же явление происходит в гидродинамических масляных подшипниках, которые поддерживают большинство крупных центробежных компрессоров и роторов насосов, и видно на графиках динамического эксцентриситета ротора, показанных Бентли. Этот эффект обеспечивает стабильный обратный упор и является важным элементом в успехе гидродинамических масляных подшипников и DGS. Механические уплотнения не имеют тонких насосных канавок, которые могут быть обнаружены на аэродинамической поверхности DGS. Может быть, есть способ использовать принципы внешнего газового подшипника под давлением, чтобы разгрузить силу закрытия отторцевое уплотнениеs.
Качественные графики параметров подшипника с жидкостной пленкой в зависимости от коэффициента эксцентриситета шейки. Жесткость, K, и демпфирование, D, минимальны, когда шейка находится в центре подшипника. По мере приближения шейки к поверхности подшипника жесткость и демпфирование резко возрастают.
Аэростатические газовые подшипники с внешним давлением используют источник сжатого газа, тогда как динамические подшипники используют относительное движение между поверхностями для создания давления в зазоре. Технология с внешним давлением имеет по крайней мере два основных преимущества. Во-первых, сжатый газ может быть впрыснут непосредственно между поверхностями уплотнения контролируемым образом, а не поощрять газ в зазор уплотнения с помощью неглубоких насосных канавок, которые требуют движения. Это позволяет разделить поверхности уплотнения до начала вращения. Даже если поверхности сжаты вместе, они будут открываться для нулевого трения при запуске и остановке, когда давление подается непосредственно между ними. Кроме того, если уплотнение работает в горячем состоянии, возможно с помощью внешнего давления увеличить давление на поверхность уплотнения. Затем зазор увеличится пропорционально давлению, но тепло от сдвига будет падать на кубическую функцию зазора. Это дает оператору новую возможность использовать против выделения тепла.
Еще одно преимущество компрессоров заключается в том, что нет потока через поверхность, как в DGS. Вместо этого, самое высокое давление находится между поверхностями уплотнения, и внешнее давление будет выходить в атмосферу или выходить с одной стороны и в компрессор с другой стороны. Это повышает надежность, удерживая процесс вне зазора. В насосах это может быть не преимуществом, так как может быть нежелательным нагнетать сжимаемый газ в насос. Сжимаемые газы внутри насосов могут вызывать проблемы с кавитацией или ударами воздуха. Однако было бы интересно иметь бесконтактное или свободное от трения уплотнение для насосов без недостатка потока газа в процесс насоса. Возможно ли иметь внешний нагнетаемый газовый подшипник с нулевым потоком?
Компенсация
Все подшипники с внешним давлением имеют некоторую компенсацию. Компенсация — это форма ограничения, которая удерживает давление в резерве. Наиболее распространенной формой компенсации является использование отверстий, но существуют также методы компенсации с канавками, ступеньками и порами. Компенсация позволяет подшипникам или уплотнительным поверхностям работать близко друг к другу, не соприкасаясь, поскольку чем они ближе, тем выше становится давление газа между ними, отталкивая поверхности друг от друга.
Например, под газовым подшипником с плоским отверстием (рисунок 3) среднее значение
Давление в зазоре будет равно общей нагрузке на подшипник, деленной на площадь поверхности, это единичная нагрузка. Если это давление исходного газа составляет 60 фунтов на квадратный дюйм (psi), а поверхность имеет площадь 10 квадратных дюймов, а нагрузка составляет 300 фунтов, то в зазоре подшипника будет в среднем 30 psi. Обычно зазор будет составлять около 0,0003 дюйма, и поскольку зазор настолько мал, поток будет составлять всего около 0,2 стандартных кубических футов в минуту (scfm). Поскольку непосредственно перед зазором находится ограничитель отверстия, удерживающий давление в резерве, если нагрузка увеличивается до 400 фунтов, зазор подшипника уменьшается примерно до 0,0002 дюйма, ограничивая поток через зазор на 0,1 scfm. Это увеличение второго ограничения дает ограничителю отверстия достаточный поток, чтобы позволить среднему давлению в зазоре увеличиться до 40 psi и выдержать возросшую нагрузку.
Это вид сбоку в разрезе типичного воздушного подшипника с отверстием, который используется в координатно-измерительной машине (КИМ). Если пневматическая система должна считаться «компенсированным подшипником», она должна иметь ограничение выше ограничения зазора подшипника.
Компенсация отверстий и пор
Компенсация отверстия является наиболее широко используемой формой компенсации. Типичное отверстие может иметь диаметр отверстия 0,010 дюйма, но поскольку оно подает несколько квадратных дюймов площади, оно подает на несколько порядков большую площадь, чем оно само, поэтому скорость газа может быть высокой. Часто отверстия точно вырезаются из рубинов или сапфиров, чтобы избежать эрозии размера отверстия и, таким образом, изменения производительности подшипника. Другая проблема заключается в том, что при зазорах менее 0,0002 дюйма область вокруг отверстия начинает ограничивать поток к остальной части поверхности, в результате чего происходит схлопывание газовой пленки. То же самое происходит при подъеме, поскольку для инициирования подъема доступны только область отверстия и любые канавки. Это одна из главных причин, по которой подшипники с внешним давлением не встречаются в планах уплотнений.
Это не относится к пористому компенсированному подшипнику, вместо этого жесткость продолжает расти.
увеличиваются по мере увеличения нагрузки и уменьшения зазора, как и в случае с DGS (рисунок 1) и
гидродинамические масляные подшипники. В случае пористых подшипников с внешним давлением подшипник будет находиться в режиме сбалансированной силы, когда входное давление, умноженное на площадь, будет равно общей нагрузке на подшипник. Это интересный трибологический случай, поскольку отсутствует подъем или воздушный зазор. Поток будет нулевым, но гидростатическая сила давления воздуха на противоположную поверхность под поверхностью подшипника все еще разгружает общую нагрузку и приводит к почти нулевому коэффициенту трения, даже если поверхности все еще находятся в контакте.
Например, если поверхность графитового уплотнения имеет площадь 10 квадратных дюймов и 1000 фунтов силы закрытия, а графит имеет коэффициент трения 0,1, то для начала движения потребуется 100 фунтов силы. Но при внешнем источнике давления 100 фунтов на квадратный дюйм, проходящем через пористый графит к его поверхности, для начала движения потребуется по сути нулевая сила. И это несмотря на то, что все еще есть 1000 фунтов силы закрытия, сжимающей две поверхности вместе, и что поверхности находятся в физическом контакте.
Класс материалов подшипников скольжения, таких как: графит, углерод и керамика, например, оксид алюминия и карбиды кремния, которые известны в турбопромышленности и являются естественно пористыми, поэтому их можно использовать в качестве подшипников с внешним давлением, которые являются бесконтактными подшипниками с жидкостной пленкой. Существует гибридная функция, в которой внешнее давление используется для разгрузки контактного давления или силы закрытия уплотнения от трибологии, которая происходит в контактирующих поверхностях уплотнения. Это позволяет оператору насоса что-то регулировать снаружи насоса, чтобы справиться с проблемными приложениями и более скоростными операциями при использовании механических уплотнений.
Этот принцип также применим к щеткам, коммутаторам, возбудителям или любому контактному проводнику, который может использоваться для передачи данных или электрических токов на вращающиеся объекты или с них. Поскольку роторы вращаются быстрее и увеличивается выбег, может быть трудно удерживать эти устройства в контакте с валом, и часто необходимо увеличивать давление пружины, удерживающее их на валу. К сожалению, особенно в случае высокоскоростной работы, это увеличение силы контакта также приводит к большему нагреву и износу. Тот же гибридный принцип, применяемый к торцам механического уплотнения, описанный выше, может быть применен и здесь, где требуется физический контакт для электропроводности между неподвижными и вращающимися частями. Внешнее давление может использоваться, как давление от гидравлического цилиндра, для уменьшения трения на динамическом интерфейсе, при этом все еще увеличивая силу пружины или силу закрытия, необходимую для удержания торца щетки или уплотнения в контакте с вращающимся валом.
Время публикации: 21 октября 2023 г.