Čerpadla jsou jedním z největších uživatelů mechanických ucpávek. Jak název napovídá, mechanické ucpávky jsou kontaktní těsnění, odlišná od aerodynamických nebo labyrintových bezkontaktních těsnění.Mechanické ucpávkyjsou také charakterizovány jako vyvážené mechanické těsnění nebonevyvážené mechanické těsněníTo se týká toho, jaké procento, pokud vůbec nějaké, procesního tlaku se může dostat za stacionární těsnicí plochu. Pokud není těsnicí plocha tlačena proti rotující ploše (jako u těsnění tlačného typu) nebo pokud se procesní kapalina s tlakem, který má být utěsněna, nedostane za těsnicí plochu, procesní tlak by těsnicí plochu zatlačil zpět a otevřel ji. Konstruktér těsnění musí zvážit všechny provozní podmínky, aby navrhl těsnění s požadovanou uzavírací silou, ale ne tak velkou silou, aby zatížení jednotky na dynamické těsnicí ploše nevytvářelo příliš mnoho tepla a opotřebení. Toto je křehká rovnováha, která určuje spolehlivost čerpadla.
dynamické těsnicí plochy tím, že umožňují otevírací sílu namísto konvenčního způsobu
vyvážení uzavírací síly, jak je popsáno výše. Neodstraňuje potřebnou uzavírací sílu, ale dává konstruktérovi a uživateli čerpadla další knoflík k otáčení tím, že umožňuje odlehčení nebo odlehčení těsnicích ploch při zachování potřebné uzavírací síly, čímž se snižuje teplo a opotřebení a zároveň rozšiřují možné provozní podmínky.
Suché plynové uzávěry (DGS), často používané v kompresorech, vytvářejí otevírací sílu na těsnicích plochách. Tato síla je vytvářena principem aerodynamického ložiska, kde jemné čerpací drážky pomáhají přivádět plyn z vysokotlaké procesní strany těsnění do mezery a přes čelní plochu těsnění jako bezkontaktní ložisko s fluidním filmem.
Aerodynamická otevírací síla ložiska čelní plochy suchého plynového těsnění. Sklon čáry vyjadřuje tuhost v mezeře. Všimněte si, že mezera je v mikronech.
Stejný jev se vyskytuje v hydrodynamických olejových ložiscích, která podpírají většinu velkých odstředivých kompresorů a rotorů čerpadel, a je patrný na grafech dynamické excentricity rotoru, které znázornil Bently. Tento jev zajišťuje stabilní zpětný doraz a je důležitým prvkem pro úspěch hydrodynamických olejových ložisek a DGS. Mechanická těsnění nemají jemné čerpací drážky, které by se mohly nacházet v aerodynamické ploše DGS. Možná existuje způsob, jak využít principy ložisek s externě tlakovaným plynem k odlehčení uzavírací síly odčelní strana mechanického těsněnís.
Kvalitativní grafy parametrů ložiska s fluidním filmem v závislosti na poměru excentricity čepu. Tuhost K a tlumení D jsou minimální, když se čep nachází ve středu ložiska. Jak se čep blíží k povrchu ložiska, tuhost a tlumení dramaticky rostou.
Externě tlakovaná aerostatická plynová ložiska využívají zdroj tlakového plynu, zatímco dynamická ložiska využívají relativní pohyb mezi povrchy k vytvoření tlaku v mezeře. Technologie externě tlakovaného plynu má alespoň dvě základní výhody. Zaprvé, tlakový plyn může být vstřikován přímo mezi těsnicí plochy kontrolovaným způsobem, namísto aby byl plyn vháněn do těsnicí mezery mělkými čerpacími drážkami, které vyžadují pohyb. To umožňuje oddělit těsnicí plochy před zahájením rotace. I když jsou plochy k sobě stlačeny, při přímém vstřikování tlaku mezi ně se otevřou, čímž se dosáhne nulového tření. Navíc, pokud je těsnění zahřáté, je možné pomocí externího tlaku zvýšit tlak na těsnicí plochu. Mezera by se pak úměrně zvětšovala s tlakem, ale teplo ze smyku by dopadalo na krychlovou funkci mezery. To dává obsluze novou možnost, jak se vypořádat s generováním tepla.
U kompresorů existuje další výhoda v tom, že nedochází k průtoku přes těsnicí plochu, jako je tomu u DGS. Místo toho je nejvyšší tlak mezi těsnicími plochami a vnější tlak proudí do atmosféry nebo se odvětrává na jedné straně 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 vhánět stlačitelný plyn do čerpadla. Stlačitelné plyny uvnitř čerpadel mohou způsobovat kavitaci nebo problémy se vzduchovým rázem. Bylo by však zajímavé mít bezkontaktní nebo beztření těsnění pro čerpadla bez nevýhody proudění plynu do procesu čerpadla. Mohlo by být možné mít externě tlakované plynové ložisko s nulovým průtokem?
Kompenzace
Všechna ložiska vystavená externímu tlaku mají nějaký druh kompenzace. Kompenzace je forma omezení, která udržuje tlak v rezervě. Nejběžnější formou kompenzace je použití otvorů, ale existují také techniky kompenzace pomocí drážek, stupňů a poréznosti. Kompenzace umožňuje, aby se ložiska nebo těsnicí plochy pohybovaly blízko sebe, aniž by se dotýkaly, protože čím blíže jsou, tím vyšší je tlak plynu mezi nimi, což od sebe plochy odpuzuje.
Například pod plynovým ložiskem s kompenzací plochého otvoru (obrázek 3) je průměrná
Tlak v mezeře se bude rovnat celkovému zatížení ložiska dělenému plochou čela, jedná se o jednotkové zatížení. Pokud je tlak tohoto zdrojového plynu 60 liber na čtvereční palec (psi) a čelo má plochu 10 čtverečních palců a je na něm zatížení 300 liber, bude v mezeře ložiska průměrný tlak 30 psi. Mezera by typicky měla být asi 0,0003 palce, a protože je mezera tak malá, průtok by byl pouze asi 0,2 standardní kubické stopy za minutu (scfm). Protože se těsně před mezerou nachází omezovač otvoru, který drží tlak v záloze, pokud se zatížení zvýší na 400 liber, mezera ložiska se zmenší na asi 0,0002 palce, což omezí průtok mezerou o 0,1 scfm. Toto zvýšení druhého omezovače dává omezovači otvoru dostatečný průtok, aby umožnilo zvýšení průměrného tlaku v mezeře na 40 psi a uneslo zvýšené zatížení.
Toto je boční pohled v řezu na typické vzduchové ložisko s otvorem, které se nachází v souřadnicovém měřicím stroji (CMM). Aby bylo možné pneumatický systém považovat za „kompenzované ložisko“, musí mít před omezením mezery ložiska zúžení.
Kompenzace otvorů vs. porézních struktur
Kompenzace otvoru je nejrozšířenější formou kompenzace. Typický otvor může mít průměr otvoru 0,010 palce, ale protože zásobuje plynem plochu o několik čtverečních palců, zásobuje plyn o několik řádů větší plochu než sám, takže rychlost plynu může být vysoká. Otvory jsou často přesně vyřezány z rubínů nebo safírů, aby se zabránilo erozi velikosti otvoru a tím i změnám ve výkonu ložiska. Dalším problémem je, že u mezer menších než 0,0002 palce začíná oblast kolem otvoru omezovat tok do zbytku čelní plochy, načež dochází ke zhroucení plynového filmu. Totéž se děje při odlehnutí, protože pro zahájení odlehčení je k dispozici pouze oblast otvoru a případné drážky. To je jeden z hlavních důvodů, proč se ložiska pod externím tlakem neobjevují v plánech těsnění.
To neplatí pro porézně kompenzované ložisko, místo toho tuhost nadále roste
se zvyšují s rostoucím zatížením a zmenšují se mezery, stejně jako v případě DGS (obrázek 1) a
Hydrodynamická olejová ložiska. V případě porézních ložisek s externím tlakem bude ložisko v režimu vyvážené síly, když se vstupní tlak vynásobený plochou rovná celkovému zatížení ložiska. Jedná se o zajímavý tribologický případ, protože je zde nulový vztlak ani vzduchová mezera. Průtok bude nulový, ale hydrostatická síla tlaku vzduchu působící na protilehlou plochu pod čelní plochou ložiska stále odlehčuje celkové zatížení a vede k téměř nulovému koeficientu tření – i když jsou čelní plochy stále v kontaktu.
Například pokud má grafitová těsnicí plocha plochu 10 čtverečních palců a uzavírací sílu 1 000 liber a grafit má koeficient tření 0,1, k zahájení pohybu by bylo zapotřebí síly 100 liber. Ale s externím zdrojem tlaku 100 psi vedeným přes porézní grafit k její ploše by k zahájení pohybu nebyla v podstatě potřeba žádná síla. A to i přesto, že stále existuje uzavírací síla 1 000 liber, která stlačuje obě plochy k sobě a že plochy 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 turboprůmyslu a jsou přirozeně porézní, takže je lze použít jako ložiska s externím tlakem, která jsou bezkontaktními ložisky s fluidním filmem. Existuje hybridní funkce, kdy se externí tlak používá k odlehčení kontaktního tlaku nebo uzavírací síly těsnění od tribologie, která probíhá na kontaktních plochách těsnění. To umožňuje obsluze čerpadla něco upravit mimo čerpadlo, aby se vypořádala s problémovými aplikacemi a provozem s vyššími rychlostmi při použití mechanických těsnění.
Tento princip platí i pro kartáče, komutátory, budiče nebo jakýkoli kontaktní vodič, který může být použit k odvádění dat nebo elektrických proudů z rotujících objektů nebo z nich. S rychlejším otáčením rotorů a jejich zvětšujícím se chodem může být obtížné udržet tato zařízení v kontaktu s hřídelí a často je nutné zvýšit tlak pružiny, která je drží na hřídeli. Bohužel, zejména v případě vysokorychlostního provozu, toto zvýšení kontaktní síly také vede k většímu zahřívání a opotřebení. Stejný hybridní princip aplikovaný na výše popsané těsnicí plochy mechanických těsnění lze použít i zde, kde je pro elektrickou vodivost mezi stacionárními a rotujícími částmi vyžadován fyzický kontakt. Vnější tlak lze použít podobně jako tlak z hydraulického válce ke snížení tření na dynamickém rozhraní a zároveň ke zvýšení síly pružiny nebo uzavírací síly potřebné k udržení kartáče nebo těsnicí plochy v kontaktu s rotující hřídelí.
Čas zveřejnění: 21. října 2023