Насосы являются одним из крупнейших потребителей торцевых уплотнений. Как следует из названия, торцевые уплотнения представляют собой уплотнения контактного типа, отличающиеся от аэродинамических или лабиринтных бесконтактных уплотнений.Механические уплотнениятакже характеризуются как сбалансированное механическое уплотнение илинесбалансированное механическое уплотнение. Это относится к тому, какой процент технологического давления (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 герметизировать, не попадает за поверхность уплотнения, технологическое давление отбросит поверхность уплотнения назад и откроет её. Конструктору уплотнения необходимо учесть все рабочие условия, чтобы спроектировать уплотнение с необходимым усилием закрытия, но не настолько большим, чтобы нагрузка на подвижную поверхность уплотнения создавала слишком высокий нагрев и износ. Это тонкий баланс, от которого зависит надёжность насоса.
динамические уплотнительные поверхности, обеспечивая силу открытия, а не обычный способ
Уравновешивание усилия закрытия, как описано выше. Это не устраняет необходимое усилие закрытия, но даёт разработчику и пользователю насоса дополнительный рычаг, позволяя разгрузить уплотнительные поверхности, сохраняя при этом необходимое усилие закрытия, что снижает нагрев и износ, а также расширяет диапазон возможных условий эксплуатации.
Сухие газовые уплотнения (СГУ)Часто используемые в компрессорах, они обеспечивают разжимающее усилие на поверхностях уплотнения. Это усилие создаётся по принципу аэродинамического подшипника, где тонкие канавки нагнетания способствуют перемещению газа со стороны уплотнения, находящейся под высоким давлением, в зазор и через поверхность уплотнения, действуя как бесконтактный подшипник гидродинамического трения.
Аэродинамическое усилие открытия подшипника сухого газового уплотнения. Наклон линии отражает жёсткость в зазоре. Обратите внимание, что зазор указан в микронах.
Аналогичное явление наблюдается в гидродинамических масляных подшипниках, которые поддерживают большинство крупных центробежных компрессоров и роторов насосов, и наблюдается на графиках динамического эксцентриситета ротора, представленных Бентли. Этот эффект обеспечивает устойчивый останов и является важным фактором успеха гидродинамических масляных подшипников и DGS. Торцевые уплотнения не имеют мелких канавок для нагнетания, которые могут быть обнаружены на аэродинамической поверхности DGS. Возможно, существует способ использовать принцип работы газовых подшипников с внешним давлением для разгрузки усилия закрытия отторцевое уплотнениеs.
Качественные графики зависимости параметров гидродинамического подшипника от эксцентриситета цапфы. Жёсткость K и демпфирование D минимальны, когда цапфа находится в центре подшипника. По мере приближения цапфы к поверхности подшипника жёсткость 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 внешнего давления имеет как минимум два фундаментальных преимущества. Во-первых, сжатый газ можно контролируемо впрыскивать непосредственно между уплотнительными поверхностями, а не нагнетать его в зазор уплотнения с помощью неглубоких насосных канавок, требующих движения. Это позволяет разъединить уплотнительные поверхности до начала вращения. Даже если поверхности сжаты вместе, они разжимаются, обеспечивая нулевое трение при запуске и остановке, когда давление подается непосредственно между ними. Кроме того, если уплотнение перегревается, можно увеличить давление на уплотнительную поверхность с помощью внешнего давления. В этом случае зазор увеличится пропорционально давлению, но тепло от сдвига будет распределяться по кубической функции зазора. Это дает оператору новую возможность для борьбы с выделением тепла.
Ещё одно преимущество компрессоров заключается в отсутствии потока через поверхность, как в DGS. Вместо этого, максимальное давление возникает между уплотнительными поверхностями, и внешнее давление будет выходить в атмосферу или выходить с одной стороны, а с другой – в компрессор. Это повышает надёжность, предотвращая попадание технологического процесса в зазор. В насосах это может быть не преимуществом, поскольку нагнетание сжимаемого газа в насос может быть нежелательным. Сжимаемые газы внутри насосов могут вызывать кавитацию или гидроудары. Однако было бы интересно разработать бесконтактное или безфрикционное уплотнение для насосов, не имеющее недостатка в виде потока газа в насос. Возможно ли создать газовый подшипник с внешним давлением и нулевым расходом?
Компенсация
Все подшипники с внешним давлением имеют определённую степень компенсации. Компенсация — это форма ограничения, которая удерживает давление в резерве. Наиболее распространённый способ компенсации — использование отверстий, но существуют также методы компенсации с канавками, ступенями и порами. Компенсация позволяет подшипникам или уплотняющим поверхностям работать близко друг к другу, не соприкасаясь, поскольку чем ближе они расположены, тем выше давление газа между ними, которое отталкивает поверхности друг от друга.
Например, под газовым подшипником с плоским отверстием и компенсацией (рисунок 3) среднее значение
Давление в зазоре будет равно полной нагрузке на подшипник, деленной на площадь поверхности, это удельная 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 фунтов на квадратный дюйм. Обычно зазор будет около 0,0003 дюйма, и поскольку зазор очень мал, поток составит всего около 0,2 стандартных кубических фута в минуту (scfm). Поскольку непосредственно перед зазором имеется ограничитель давления, удерживающий давление в резерве, если нагрузка увеличивается до 400 фунтов, зазор подшипника уменьшается примерно до 0,0002 дюйма, ограничивая поток через зазор до 0,1 scfm. Это увеличение второго ограничения дает ограничителю отверстия достаточный поток, чтобы позволить среднему давлению в зазоре увеличиться до 40 фунтов на квадратный дюйм и выдержать возросшую нагрузку.
Это вид сбоку в разрезе типичного воздушного подшипника с отверстием, используемого в координатно-измерительной машине (КИМ). Чтобы пневматическая система считалась «компенсированным подшипником», она должна иметь ограничитель перед ограничителем зазора подшипника.
Компенсация отверстий и пор
Компенсация отверстия является наиболее широко используемой формой компенсации. Типичное отверстие может иметь диаметр отверстия .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 душить поток к остальной части поверхности, и в этот момент происходит схлопывание газовой пленки. То же самое происходит при подъеме, так как только область отверстия и любые канавки доступны для инициирования подъема. Это одна из основных причин, по которой подшипники с внешним давлением не встречаются в схемах 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 сбалансированных сил, когда входное давление, умноженное на площадь, равно общей нагрузке на подшипник. Это интересный трибологический случай, поскольку отсутствует подъёмная сила или воздушный зазор. Поток будет нулевым, но гидростатическая сила давления воздуха, воздействующая на противоположную поверхность под торцом подшипника, по-прежнему разгружает общую нагрузку и приводит к практически нулевому коэффициенту трения, даже несмотря на то, что торцы всё ещё соприкасаются.
Например, если площадь поверхности графитового уплотнения составляет 10 квадратных дюймов, а сила замыкания — 1000 фунтов, а коэффициент трения графита — 0,1, то для начала движения потребуется сила 100 фунтов. Но при подаче внешнего источника давления 100 фунтов на квадратный дюйм через пористый графит к поверхности уплотнения, для начала движения потребуется практически нулевое усилие. И это несмотря на то, что сила замыкания, сжимающая обе поверхности вместе, по-прежнему составляет 1000 фунтов, и что поверхности находятся в физическом контакте.
Класс материалов для подшипников скольжения, таких как графит, углерод и керамика, например, оксид алюминия и карбид кремния, известных в турбостроении. Они обладают естественной пористостью, что позволяет использовать их в качестве подшипников скольжения с внешним давлением, представляющих собой бесконтактные подшипники жидкостного трения. Существует гибридная функция, при которой внешнее давление используется для разгрузки контактного давления или силы замыкания уплотнения от трибологических воздействий, возникающих на контактирующих поверхностях уплотнения. Это позволяет оператору насоса регулировать параметры насоса вне насоса для решения проблемных задач и работы на более высоких скоростях при использовании торцевых уплотнений.
Этот принцип применим также к щеткам, коллекторам, возбудителям или любому контактному проводнику, который может использоваться для передачи данных или электрического тока на вращающиеся объекты или с них. По мере того, как роторы вращаются быстрее и увеличивается выбег, может быть трудно удерживать эти устройства в контакте с валом, и часто необходимо увеличивать давление пружины, удерживающей 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 торцевым уплотняющим поверхностям, описанный выше, может быть применен и здесь, где требуется физический контакт для электропроводности между неподвижными и вращающимися частями. Внешнее давление может быть использовано, как давление от гидравлического цилиндра, для уменьшения трения в динамическом интерфейсе, при этом все еще увеличивая силу пружины или силу закрытия, необходимую для удержания щетки или торцевой поверхности уплотнения в контакте с вращающимся валом.
Время публикации: 21 октября 2023 г.