насосы являются одними из крупнейших пользователей механических уплотнений.Как следует из названия, механические уплотнения представляют собой уплотнения контактного типа, в отличие 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 таковое имеется) может находиться за неподвижной поверхностью уплотнения.Если поверхность уплотнения не прижимается к вращающейся поверхности (как в уплотнении толкающего типа) или технологическая жидкость под давлением, которое необходимо герметизировать, не может попасть за поверхность уплотнения, технологическое давление может выдуть поверхность уплотнения обратно. и открыть.Разработчику уплотнения необходимо учитывать все условия эксплуатации, чтобы спроектировать уплотнение с необходимой силой закрытия, но не настолько большой, чтобы нагрузка узла на динамическую поверхность уплотнения вызывала слишком много тепла и износа.Это тонкий баланс, который определяет или снижает надежность насоса.
динамические поверхности уплотнения, обеспечивая открывающее усилие, а не традиционный способ
балансировку закрывающей силы, как описано выше.Это не устраняет необходимое закрывающее усилие, но дает разработчику насоса и пользователю еще одну ручку для поворота, позволяя разгрузить или разгрузить поверхности уплотнения, сохраняя при этом необходимое закрывающее усилие, тем самым уменьшая нагрев и износ, одновременно расширяя возможные условия эксплуатации.
Сухие газовые уплотнения (DGS), часто используемые в компрессорах, обеспечивают открывающее усилие на поверхностях уплотнения.Эта сила создается за счет принципа аэродинамического подшипника, при котором мелкие канавки для перекачки помогают направлять газ со стороны уплотнения, находящегося под высоким давлением, в зазор и через поверхность уплотнения в качестве бесконтактного подшипника с жидкостной пленкой.
Аэродинамическое усилие открытия подшипника на поверхности сухого газового уплотнения.Наклон линии характеризует жесткость зазора.Обратите внимание, что зазор указан в микронах.
То же явление происходит в гидродинамических масляных подшипниках, которые поддерживают большинство крупных центробежных компрессоров и роторов насосов, и наблюдается на графиках динамического эксцентриситета ротора, показанных Бентли. Этот эффект обеспечивает стабильную обратную остановку и является важным элементом успеха гидродинамических масляных подшипников и DGS. .Механические уплотнения не имеют мелких канавок для перекачки, которые можно найти на аэродинамической поверхности DGS.Может быть способ использовать принципы газового подшипника под внешним давлением, чтобы разгрузить закрывающую силу отповерхность механического уплотненияs.
Качественные графики зависимости параметров жидкостно-пленочного подшипника от коэффициента эксцентриситета шейки.Жесткость K и демпфирование D минимальны, когда шейка находится в центре подшипника.По мере приближения шейки к опорной поверхности жесткость и демпфирование резко возрастают.
В аэростатических газовых подшипниках с внешним давлением используется источник сжатого газа, тогда как в динамических подшипниках используется относительное движение между поверхностями для создания давления зазора.Технология внешнего давления имеет как минимум два фундаментальных преимущества.Во-первых, газ под давлением можно впрыскивать непосредственно между поверхностями уплотнения контролируемым образом, а не нагнетать газ в зазор уплотнения с помощью неглубоких канавок для нагнетания, которые требуют движения.Это позволяет отделить поверхности уплотнения до начала вращения.Даже если грани согнуты вместе, они раскроются, поскольку трение начинается и останавливается при нулевом трении, когда давление подается непосредственно между ними.Кроме того, если уплотнение перегревается, можно с помощью внешнего давления увеличить давление на лицевую поверхность уплотнения.Тогда зазор будет увеличиваться пропорционально давлению, но тепло от сдвига будет приходиться на кубическую функцию зазора.Это дает оператору новые возможности по борьбе с выделением тепла.
Еще одним преимуществом компрессоров является отсутствие потока через забой, как в DGS.Вместо этого самое высокое давление наблюдается между поверхностями уплотнения, и внешнее давление будет вытекать в атмосферу или сбрасываться с одной стороны и в компрессор с другой стороны.Это повышает надежность, исключая разрыв процесса.В насосах это может не быть преимуществом, поскольку может быть нежелательно нагнетать сжимаемый газ в насос.Сжимаемые газы внутри насосов могут вызвать кавитацию или пневматические удары.Однако было бы интересно иметь бесконтактное или не подверженное трению уплотнение для насосов без недостатка потока газа в насосный процесс.Возможно ли иметь газовый подшипник с внешним давлением и нулевым потоком?
Компенсация
Все подшипники с внешним давлением имеют своего рода компенсацию.Компенсация — это форма ограничения, которая сдерживает давление в резерве.Наиболее распространенной формой компенсации является использование отверстий, но существуют также методы канавочной, ступенчатой и пористой компенсации.Компенсация позволяет подшипникам или поверхностям уплотнения двигаться близко друг к другу, не соприкасаясь, поскольку чем ближе они подходят, тем выше становится давление газа между ними, отталкивая поверхности.
Например, для газового подшипника с компенсированным плоским отверстием (Изображение 3) среднее значение
давление в зазоре будет равно общей нагрузке на подшипник, деленной на площадь торца, это единичная нагрузка.Если давление исходного газа составляет 60 фунтов на квадратный дюйм (psi), площадь поверхности составляет 10 квадратных дюймов и нагрузка составляет 300 фунтов, в зазоре подшипника будет в среднем 30 фунтов на квадратный дюйм.Обычно зазор составляет около 0,0003 дюйма, а поскольку зазор настолько мал, расход будет составлять всего около 0,2 стандартных кубических футов в минуту (scfm).Поскольку непосредственно перед зазором имеется 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 куб. футов в минуту.Это увеличение второго ограничения дает дросселю 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, установленного в координатно-измерительной машине (КИМ).Если пневматическую систему следует считать «компенсированным подшипником», она должна иметь ограничение перед ограничением зазора подшипника.
Отверстие против пористой компенсации
Компенсация отверстия является наиболее широко используемой формой компенсации. Типичное отверстие может иметь диаметр отверстия 0,010 дюйма, но, поскольку оно питает площадь в несколько квадратных дюймов, оно подает на несколько порядков большую площадь, чем оно само, поэтому скорость газа может быть высоким.Часто отверстия вырезаются из рубинов или сапфиров, чтобы избежать эрозии размера отверстия и, как следствие, изменения характеристик подшипника.Другая проблема заключается в том, что при зазорах менее 0,0002 дюйма область вокруг отверстия начинает перекрывать поток к остальной части поверхности, и в этот момент происходит коллапс газовой пленки. То же самое происходит при отрыве, поскольку только область отверстие и любые канавки доступны для начала подъема.Это одна из основных причин, по которой подшипники, находящиеся под внешним давлением, не используются в планах уплотнений.
Это не относится к пористому компенсированному подшипнику, вместо этого жесткость продолжает снижаться.
увеличивается по мере увеличения нагрузки и уменьшения зазора, как и в случае с ДГС (Изображение 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 подъемная сила или воздушный зазор отсутствуют.Поток будет нулевым, но гидростатическая сила давления воздуха, действующая на встречную поверхность под лицевой стороной подшипника, по-прежнему не влияет на 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 усилие закрытия 1000 фунтов, а коэффициент трения графита равен 0,1, для начала движения потребуется сила 100 фунтов.Но с внешним источником давления в 100 фунтов на квадратный дюйм, проходящим через пористый графит к его лицевой стороне, для инициирования движения потребуется практически нулевая сила.И это несмотря на то, что две стороны все еще сжимаются силой в 1000 фунтов и что они находятся в физическом контакте.
Класс материалов подшипников скольжения, таких как графит, углерод и керамика, например оксид алюминия и карбиды кремния, которые известны в турбоиндустрии и имеют естественную пористость, поэтому их можно использовать в качестве подшипников с внешним давлением, которые представляют собой бесконтактные подшипники с жидкостной пленкой.Существует гибридная функция, в которой внешнее давление используется для разгрузки контактного давления или силы закрытия уплотнения от трибологии, происходящей на контактирующих поверхностях уплотнения.Это позволяет оператору насоса что-то регулировать за пределами насоса для решения проблемных задач и операций на более высоких скоростях при использовании механических уплотнений.
Этот принцип также применим к щеткам, коммутаторам, возбудителям или любому контактному проводнику, который может использоваться для передачи данных или электрического тока на вращающиеся объекты или от них.Поскольку роторы вращаются быстрее и биение увеличивается, может быть трудно поддерживать контакт этих устройств с валом, и часто приходится увеличивать давление пружины, удерживающей их на валу.К сожалению, особенно при работе на высоких скоростях, увеличение контактной силы также приводит к увеличению нагрева и износа.Тот же гибридный принцип, примененный к поверхностям механического уплотнения, описанный выше, также может быть применен и здесь, когда для обеспечения электропроводности между неподвижными и вращающимися частями требуется физический контакт.Внешнее давление можно использовать так же, как давление гидравлического цилиндра, чтобы уменьшить трение на динамическом интерфейсе, одновременно увеличивая силу пружины или силу закрытия, необходимую для удержания щетки или поверхности уплотнения в контакте с вращающимся валом.
Время публикации: 21 октября 2023 г.