čerpadla jsou jedním z největších uživatelů mechanických ucpávek. Jak název napovídá, mechanické ucpávky jsou těsnění kontaktního typu, která se liší od aerodynamických nebo labyrintových bezkontaktních těsnění.Mechanické těsněníjsou také charakterizovány jako vyvážená mechanická ucpávka popřnevyvážená mechanická ucpávka. To se týká toho, jaké procento, pokud vůbec nějaké, procesního tlaku může přijít za stacionární těsnicí plochu. Pokud není čelo ucpávky přitlačeno k otáčejícímu se čelu (jako u těsnění tlačného typu) nebo se procesní tekutina při tlaku, který je třeba utěsnit, nemůže dostat za čelo ucpávky, procesní tlak by odfoukl čelo těsnění zpět. a otevřít. Konstruktér těsnění musí vzít v úvahu všechny provozní podmínky, aby navrhl těsnění s požadovanou uzavírací silou, ale ne takovou, aby zatížení jednotky na dynamickou stranu těsnění vytvářelo příliš mnoho tepla a opotřebení. Toto je křehká rovnováha, která zvyšuje nebo narušuje spolehlivost čerpadla.
dynamické těsnění čela umožněním otevírací síly spíše než konvenčním způsobem
vyvažování uzavírací síly, jak je popsáno výše. Neeliminuje potřebnou uzavírací sílu, ale poskytuje konstruktérovi čerpadla a uživateli další knoflík, kterým lze otáčet tím, že umožňuje odlehčení nebo vyložení těsnicích ploch při zachování potřebné uzavírací síly, čímž se sníží teplo a opotřebení a zároveň se rozšíří možné provozní podmínky.
Suché plynové těsnění (DGS), často používané v kompresorech, poskytují otevírací sílu na těsnicích plochách. Tato síla je vytvářena principem aerodynamického ložiska, kde jemné čerpací drážky pomáhají povzbuzovat plyn z vysokotlaké procesní strany těsnění do mezery a přes čelo těsnění jako bezkontaktní ložisko s tekutinou.
Aerodynamická síla otevření ložiska suchého čela plynového těsnění. Sklon čáry je reprezentativní pro tuhost v mezeře. Všimněte si, že mezera je v mikronech.
Ke stejnému jevu dochází u hydrodynamických olejových ložisek, která podporují většinu velkých odstředivých kompresorů a rotorů čerpadel a je vidět na grafech dynamické excentricity rotoru, které ukázal Bently. Tento efekt poskytuje stabilní zpětný doraz a je důležitým prvkem v úspěchu hydrodynamických olejových ložisek a DGS . Mechanické ucpávky nemají jemné čerpací drážky, které lze nalézt v aerodynamické ploše DGS. Může existovat způsob, jak využít principy ložisek s externě stlačeným plynem, aby se odlehčila uzavírací sílačela mechanické ucpávkys.
Kvalitativní grafy parametrů fluidního ložiska versus poměr excentricity čepu. Tuhost K a tlumení D jsou minimální, když je čep ve středu ložiska. Jakmile se čep přiblíží k povrchu ložiska, tuhost a tlumení se dramaticky zvýší.
Aerostatická plynová ložiska s externím tlakem využívají zdroj stlačeného plynu, zatímco dynamická ložiska využívají relativního pohybu mezi povrchy k vytvoření mezerového tlaku. Externě natlakovaná technologie má minimálně dvě zásadní výhody. Za prvé, stlačený plyn může být vstřikován přímo mezi těsnicí čela řízeným způsobem spíše než povzbuzování plynu do těsnicí mezery pomocí mělkých čerpacích drážek, které vyžadují pohyb. To umožňuje oddělit těsnicí plochy před zahájením rotace. I když jsou čela slisována k sobě, otevřou se pro nulové rozběhy a zastavení, když je tlak vstříknut přímo mezi ně. Kromě toho, pokud je těsnění horké, je možné externím tlakem zvýšit tlak na povrch těsnění. Mezera by se pak úměrně zvětšovala s tlakem, ale teplo ze smyku by dopadalo na krychlovou funkci mezery. To dává obsluze novou možnost využít proti generování tepla.
Kompresory mají další výhodu v tom, že nedochází k žádnému proudění přes čelo, jako je tomu u DGS. Místo toho je nejvyšší tlak mezi těsnicími plochami a vnější tlak bude proudit do atmosféry nebo bude odvětráván na jednu stranu a do kompresoru z druhé strany. To zvyšuje spolehlivost tím, že udržuje proces mimo mezeru. U čerpadel to nemusí být výhoda, protože může být nežádoucí tlačit stlačitelný plyn do čerpadla. Stlačitelné plyny uvnitř čerpadel mohou způsobit problémy s kavitací nebo vzduchovými rázy. Bylo by však zajímavé mít bezkontaktní těsnění nebo těsnění bez tření pro čerpadla bez nevýhody proudění plynu do procesu čerpadla. Mohlo by být možné mít externě natlakované plynové ložisko s nulovým průtokem?
Kompenzace
Všechna externě natlakovaná ložiska mají nějaký druh kompenzace. Kompenzace je forma omezení, která drží tlak v rezervě. Nejběžnější formou kompenzace je použití otvorů, ale existují také drážkové, stupňovité a porézní kompenzační techniky. Kompenzace umožňuje ložiskům nebo těsnicím plochám běžet těsně vedle sebe, aniž by se dotýkaly, protože čím blíže se přibližují, tím vyšší je tlak plynu mezi nimi, což odpuzuje čela od sebe.
Jako příklad, pod plochým otvorem kompenzované plynové ložisko (obrázek 3), průměr
tlak v mezeře se bude rovnat celkovému zatížení ložiska dělenému plochou čela, jedná se o jednotkové zatížení. Pokud je tento tlak zdrojového plynu 60 liber na čtvereční palec (psi) a čelo má plochu 10 čtverečních palců a je zde zatížení 300 liber, bude v mezeře ložiska průměrně 30 psi. Typicky by mezera byla asi 0,0003 palce, a protože mezera je tak malá, průtok by byl pouze asi 0,2 standardních krychlových stop za minutu (scfm). Protože těsně před mezerou je omezovač otvoru zadržující tlak jako rezerva, pokud se zatížení zvýší na 400 liber, ložisková mezera se zmenší na přibližně 0,0002 palce, což omezí průtok mezerou o 0,1 scfm. Toto zvýšení druhého omezení poskytuje omezovači otvoru dostatečný průtok, aby umožnilo zvýšení průměrného tlaku v mezeře na 40 psi a podpořilo zvýšené zatížení.
Toto je boční pohled v řezu na typické vzduchové ložisko s clonou, které se nachází v souřadnicovém měřicím stroji (CMM). Pokud má být pneumatický systém považován za „kompenzované ložisko“, musí mít omezení před omezením ložiskové mezery.
Otvor vs. porézní kompenzace
Kompenzace clony je nejrozšířenější formou kompenzace Typická clona může mít průměr otvoru 0,010 palce, ale protože napájí několik čtverečních palců plochy, napájí o několik řádů větší plochu než ona sama, takže rychlost plynu může být vysoká. Často jsou otvory přesně vyříznuty z rubínů nebo safírů, aby se zabránilo erozi velikosti otvoru a tím změnám ve výkonu ložiska. Dalším problémem je, že při mezerách pod 0,0002 palce začne oblast kolem otvoru dusit tok do zbytku čela, v tomto bodě nastane kolaps plynového filmu. Totéž nastane při odlepování, protože pouze oblast Pro zahájení zdvihu je k dispozici otvor a jakékoli drážky. To je jeden z hlavních důvodů, proč nejsou v plánech těsnění vidět ložiska s externím tlakem.
To není případ porézního kompenzovaného ložiska, místo toho tuhost pokračuje
zvětšovat, jak se zvyšuje zatížení a zmenšuje se mezera, stejně jako v případě DGS (obrázek 1) a
hydrodynamická olejová ložiska. V případě porézních ložisek s externím tlakem bude ložisko v rovnovážném silovém režimu, když se vstupní tlak vynásobí plocha rovná celkovému zatížení ložiska. Jedná se o zajímavý tribologický případ, protože je zde nulový vztlak nebo vzduchová mezera. Průtok bude nulový, ale hydrostatická síla tlaku vzduchu na protiplochu pod čelem ložiska stále odlehčuje celkové zatížení a vede k téměř nulovému koeficientu tření – i když jsou čela stále v kontaktu.
Například, pokud má grafitová těsnicí plocha plochu 10 čtverečních palců a 1000 liber uzavírací síly a grafit má koeficient tření 0,1, bude k zahájení pohybu zapotřebí 100 liber síly. Ale s externím zdrojem tlaku 100 psi portovaným přes porézní grafit na jeho čelo by byla k zahájení pohybu v podstatě nulová síla. A to navzdory skutečnosti, že stále existuje 1 000 liber zavírací síly, která stlačuje obě tváře k sobě, a že tváře jsou ve fyzickém kontaktu.
Třída materiálů pro kluzná ložiska, jako jsou: grafit, uhlíky a keramika, jako je oxid hlinitý a karbidy křemíku, které jsou známé v průmyslu turbodmychadel a jsou přirozeně porézní, takže je lze použít jako ložiska s externím tlakem, která jsou bezkontaktní ložiska s kapalinovým filmem. Existuje hybridní funkce, kde se vnější tlak používá k odlehčení kontaktního tlaku nebo uzavírací síly těsnění od tribologie, která probíhá na kontaktních plochách těsnění. To umožňuje obsluze čerpadla něco nastavit mimo čerpadlo, aby se vypořádal s problémovými aplikacemi a operacemi s vyšší rychlostí při použití mechanických ucpávek.
Tento princip platí také pro kartáče, komutátory, budiče nebo jakýkoli kontaktní vodič, který lze použít k odběru dat nebo elektrického proudu na nebo z rotujících předmětů. Vzhledem k tomu, že se rotory točí rychleji a zvyšuje se jejich vyběhnutí, může být obtížné udržet tato zařízení v kontaktu s hřídelí a často je nutné zvýšit tlak pružiny, která je drží proti hřídeli. Bohužel, zejména v případě vysokorychlostního provozu, má toto zvýšení kontaktní síly také za následek větší teplo a opotřebení. Stejný hybridní princip aplikovaný na čela mechanické ucpávky popsaný výše lze také použít zde, kde je vyžadován fyzický kontakt pro elektrickou vodivost mezi stacionární a rotující částí. Vnější tlak může být použit jako tlak z hydraulického válce ke snížení tření na dynamickém rozhraní, přičemž se stále zvyšuje síla pružiny nebo uzavírací síla potřebná k udržení čela kartáče nebo těsnění v kontaktu s rotujícím hřídelem.
Čas odeslání: 21. října 2023