Насосы являются одним из крупнейших потребителей механических уплотнений. Как следует из названия, механические уплотнения — это контактные уплотнения, отличающиеся от аэродинамических или лабиринтных бесконтактных уплотнений.Механические уплотнениятакже характеризуются как сбалансированное механическое уплотнение илинесбалансированное механическое уплотнениеЭто относится к тому, какой процент, если таковой имеется, технологического давления может проникать за неподвижную уплотнительную поверхность. Если уплотнительная поверхность не прижимается к вращающейся поверхности (как в уплотнении толкающего типа) или технологическая жидкость под давлением, которое необходимо герметизировать, не может проникнуть за уплотнительную поверхность, технологическое давление отбросит уплотнительную поверхность назад и откроет её. Конструктор уплотнений должен учитывать все условия эксплуатации, чтобы спроектировать уплотнение с необходимой силой закрытия, но не настолько большой, чтобы нагрузка на динамическую уплотнительную поверхность создавала слишком много тепла и износа. Это тонкий баланс, от которого зависит надежность насоса.
Динамическое уплотнение обеспечивает создание усилия открытия, а не традиционным способом.
Балансировка усилия закрытия, как описано выше. Это не устраняет необходимое усилие закрытия, но дает конструктору и пользователю насоса еще один регулятор, позволяющий разгрузить или снять нагрузку с уплотнительных поверхностей, сохраняя при этом необходимое усилие закрытия, тем самым снижая нагрев и износ и расширяя возможные условия эксплуатации.
Сухие газовые уплотнения (СГУ)Часто используемые в компрессорах, эти устройства создают усилие открытия на уплотнительных поверхностях. Это усилие создается по принципу аэродинамического подшипника, где тонкие канавки помогают направлять газ из зоны высокого давления, контактирующей с технологическим процессом, в зазор и по поверхности уплотнения, создавая бесконтактный жидкостный подшипник.
Аэродинамическая сила открытия подшипника сухого газового уплотнения. Наклон линии отражает жесткость в зазоре. Обратите внимание, что зазор измеряется в микронах.
Аналогичное явление наблюдается в гидродинамических масляных подшипниках, поддерживающих роторы большинства крупных центробежных компрессоров и насосов, и показано на графиках динамического эксцентриситета ротора, представленных компанией Bently. Этот эффект обеспечивает стабильный упор и является важным элементом успеха гидродинамических масляных подшипников и DGS. Механические уплотнения не имеют тонких прокачных канавок, которые могут быть обнаружены на поверхности аэродинамического DGS. Возможно, существует способ использовать принципы работы газовых подшипников с внешним давлением для уменьшения силы закрытия.поверхность механического уплотненияs.
Качественные графики параметров подшипника с жидкостной пленкой в зависимости от коэффициента эксцентриситета цапфы. Жесткость K и демпфирование D минимальны, когда цапфа находится в центре подшипника. По мере приближения цапфы к поверхности подшипника жесткость и демпфирование резко возрастают.
В аэростатических газовых подшипниках с внешним давлением используется источник сжатого газа, тогда как в динамических подшипниках для создания давления в зазоре используется относительное движение между поверхностями. Технология внешнего давления имеет как минимум два фундаментальных преимущества. Во-первых, сжатый газ может подаваться непосредственно между уплотнительными поверхностями контролируемым образом, а не создавать давление в зазоре с помощью неглубоких канавок, требующих движения. Это позволяет разъединять уплотнительные поверхности до начала вращения. Даже если поверхности сжаты, они разомкнутся, обеспечивая запуск и остановку без трения при подаче давления непосредственно между ними. Кроме того, если уплотнение нагревается, с помощью внешнего давления можно увеличить давление на поверхность уплотнения. В этом случае зазор будет увеличиваться пропорционально давлению, но тепло от сдвига будет пропорционально кубу зазора. Это дает оператору новую возможность противодействовать выделению тепла.
Еще одно преимущество компрессоров заключается в отсутствии потока через поверхность, как в системах DGS. Вместо этого максимальное давление создается между уплотнительными поверхностями, а внешнее давление будет уходить в атмосферу или сбрасываться с одной стороны в компрессор с другой. Это повышает надежность, предотвращая попадание технологического процесса в зазор. В насосах это может быть не преимуществом, поскольку нежелательно подавать сжимаемый газ в насос. Сжимаемые газы внутри насосов могут вызывать кавитацию или пневматические удары. Однако было бы интересно иметь бесконтактное или безфрикционное уплотнение для насосов без недостатка, связанного с потоком газа в технологический процесс. Возможно ли создать подшипник скольжения с внешним давлением газа и нулевым потоком?
Компенсация
Все подшипники, работающие под внешним давлением, имеют ту или иную форму компенсации. Компенсация — это форма ограничения, которая удерживает давление в резерве. Наиболее распространенной формой компенсации является использование отверстий, но существуют также методы компенсации с помощью канавок, ступеней и пор. Компенсация позволяет подшипникам или уплотнительным поверхностям работать близко друг к другу, не соприкасаясь, поскольку чем ближе они находятся, тем выше давление газа между ними, отталкивая поверхности друг от друга.
Например, в газораспределительном подшипнике с плоским отверстием (изображение 3) среднее значение
Давление в зазоре будет равно общей нагрузке на подшипник, деленной на площадь поверхности, это удельная нагрузка. Если давление исходного газа составляет 60 фунтов на квадратный дюйм (psi), площадь поверхности — 10 квадратных дюймов, а нагрузка — 300 фунтов, то среднее давление в зазоре подшипника составит 30 psi. Обычно зазор составляет около 0,0003 дюйма, и поскольку зазор такой малый, расход будет составлять всего около 0,2 стандартных кубических футов в минуту (scfm). Поскольку непосредственно перед зазором находится ограничитель потока с диафрагмой, 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 обеспечивает ограничителю потока с диафрагмой достаточный расход, чтобы среднее давление в зазоре увеличилось до 40 psi и поддерживало возросшую нагрузку.
Это разрез сбоку типичного пневматического подшипника с отверстием, используемого в координатно-измерительной машине (КИМ). Если пневматическая система считается «компенсированным подшипником», то перед ограничителем зазора подшипника необходимо наличие ограничителя.
Компенсация с помощью отверстий и пористых материалов
Компенсация с помощью отверстия является наиболее распространенной формой компенсации. Типичное отверстие может иметь диаметр 0,010 дюйма, но поскольку оно подает газ на площадь в несколько квадратных дюймов, оно подает газ на несколько порядков большей площади, чем само, поэтому скорость газа может быть высокой. Часто отверстия точно вырезаются из рубинов или сапфиров, чтобы избежать эрозии размера отверстия и, следовательно, изменений в работе подшипника. Другая проблема заключается в том, что при зазорах менее 0,0002 дюйма область вокруг отверстия начинает блокировать поток к остальной поверхности, в этот момент происходит разрушение газовой пленки. То же самое происходит при отрыве, поскольку для инициирования подъема доступна только площадь отверстия и любые канавки. Это одна из главных причин, почему подшипники с внешним давлением не используются в схемах уплотнений.
В случае пористого компенсированного подшипника это не так: жесткость сохраняется.
увеличивается с увеличением нагрузки, а зазор уменьшается, как и в случае с DGS (изображение 1).
Гидродинамические масляные подшипники. В случае пористых подшипников, находящихся под внешним давлением, подшипник будет находиться в режиме уравновешенной силы, когда входное давление, умноженное на площадь, равно полной нагрузке на подшипник. Это интересный трибологический случай, поскольку отсутствует подъемная сила или воздушный зазор. Поток будет нулевым, но гидростатическая сила давления воздуха, воздействующая на контрповерхность под поверхностью подшипника, все еще уменьшает полную нагрузку и приводит к почти нулевому коэффициенту трения — даже несмотря на то, что поверхности все еще находятся в контакте.
Например, если площадь поверхности графитового уплотнения составляет 10 квадратных дюймов, сила сжатия — 1000 фунтов, а коэффициент трения графита равен 0,1, то для начала движения потребуется 100 фунтов силы. Но при внешнем давлении в 100 фунтов на квадратный дюйм, подаваемом через пористый графит на поверхность, для начала движения потребуется практически нулевая сила. Это происходит несмотря на то, что сила сжатия в 1000 фунтов всё ещё прижимает две поверхности друг к другу, и поверхности находятся в физическом контакте.
Класс материалов для подшипников скольжения, таких как графит, углеродные материалы и керамика, например, оксид алюминия и карбиды кремния, хорошо известны в турбопромышленности и обладают естественной пористостью, что позволяет использовать их в качестве подшипников с внешним давлением, представляющих собой бесконтактные подшипники с жидкостной пленкой. В них используется гибридная функция, при которой внешнее давление используется для уменьшения контактного давления или силы сжатия уплотнения за счет трибологических процессов, происходящих на контактирующих поверхностях уплотнения. Это позволяет оператору насоса вносить корректировки вне насоса для решения проблемных задач и работы на высоких скоростях при использовании механических уплотнений.
Этот принцип также применим к щеткам, коммутаторам, возбудителям или любым контактным проводникам, которые могут использоваться для передачи данных или электрического тока на вращающиеся объекты или с них. По мере увеличения скорости вращения роторов и биения становится трудно поддерживать контакт этих устройств с валом, и часто необходимо увеличивать пружинное усилие, удерживающее их на валу. К сожалению, особенно в случае высокоскоростной работы, это увеличение контактной силы также приводит к большему нагреву и износу. Тот же гибридный принцип, описанный выше для механических уплотнительных поверхностей, может быть применен и здесь, где для обеспечения электропроводности между неподвижными и вращающимися частями необходим физический контакт. Внешнее давление можно использовать подобно давлению гидравлического цилиндра для уменьшения трения на динамическом интерфейсе, одновременно увеличивая пружинное усилие или усилие смыкания, необходимое для поддержания контакта щетки или уплотнительной поверхности с вращающимся валом.
Дата публикации: 21 октября 2023 г.