pumpar är en av de största användarna av mekaniska tätningar. Som namnet antyder är mekaniska tätningar av kontakttyp, skilda från aerodynamiska eller labyrintfria tätningar.Mekaniska tätningarkännetecknas också som balanserad mekanisk tätning ellerobalanserad mekanisk tätning. Detta hänvisar till hur stor procentandel av, om något, processtryck som kan komma bakom den stationära tätningsytan. Om tätningsytan inte trycks mot den snurrande ytan (som i en tätning av pushertyp) eller om processvätska vid det tryck som måste tätas inte tillåts komma bakom tätningsytan, skulle processtrycket blåsa tillbaka tätningsytan och öppna. Tätningskonstruktören måste ta hänsyn till alla driftsförhållanden för att konstruera en tätning med erforderlig stängningskraft men inte så stor kraft att enhetens belastning vid den dynamiska tätningsytan skapar för mycket värme och slitage. Detta är en känslig balans som gör eller bryter pumpens tillförlitlighet.
den dynamiska tätningen vänder mot genom att möjliggöra en öppningskraft snarare än på det konventionella sättet
balanserar stängningskraften, såsom beskrivits ovan. Det eliminerar inte den erforderliga stängningskraften men ger pumpkonstruktören och användaren ytterligare ett vred att vrida genom att tillåta avviktning eller lossning av tätningsytorna, samtidigt som den nödvändiga stängningskraften bibehålls, vilket minskar värme och slitage samtidigt som de möjliga driftsförhållandena vidgas.
Dry Gas Seals (DGS), som ofta används i kompressorer, ger en öppningskraft vid tätningsytorna. Denna kraft skapas av en aerodynamisk lagerprincip, där fina pumpande spår hjälper till att uppmuntra gas från högtrycksprocesssidan av tätningen, in i gapet och tvärs över tätningens yta som ett beröringsfritt vätskefilmlager.
Den aerodynamiska lageröppningskraften hos en torr gastätningsyta. Linjens lutning är representativ för styvheten vid ett gap. Observera att gapet är i mikron.
Samma fenomen inträffar i de hydrodynamiska oljelagren som stöder de flesta stora centrifugalkompressorer och pumprotorer och ses i rotordynamiska excentricitetsdiagram som visas av Bently. Denna effekt ger ett stabilt backstopp och är ett viktigt inslag i framgången för hydrodynamiska oljelager och DGS . Mekaniska tätningar har inte de fina pumpspåren som kan finnas i en aerodynamisk DGS-yta. Det kan finnas ett sätt att använda externt trycksatta gaslagerprinciper för att väga bort stängningskraften frånmekanisk tätningsytas.
Kvalitativa plotter av vätske-filmbärande parametrar kontra journalexcentricitetsförhållande. Styvhet, K, och dämpning, D, är minimum när axeltappen är i mitten av lagret. När axeltappen närmar sig lagerytan ökar styvheten och dämpningen dramatiskt.
Externt trycksatta aerostatiska gaslager använder en källa för trycksatt gas, medan dynamiska lager använder den relativa rörelsen mellan ytorna för att generera gaptryck. Den externt trycksatta tekniken har åtminstone två grundläggande fördelar. För det första kan den trycksatta gasen injiceras direkt mellan tätningsytorna på ett kontrollerat sätt istället för att uppmuntra gasen in i tätningsgapet med grunda pumpspår som kräver rörelse. Detta gör det möjligt att separera tätningsytorna innan rotationen startar. Även om ytorna vrids ihop, öppnas de för nollfriktionsstarter och stannar när trycket injiceras direkt mellan dem. Dessutom, om tätningen är varm, är det möjligt med externt tryck att öka trycket mot tätningens yta. Spalten skulle då öka proportionellt med trycket, men värmen från skjuvningen skulle falla på en kubfunktion av spalten. Detta ger operatören en ny förmåga att utnyttja värmeutvecklingen.
Det finns en annan fördel med kompressorer genom att det inte finns något flöde över ytan som det är i en DGS. Istället är det högsta trycket mellan tätningsytorna, och det externa trycket kommer att strömma in i atmosfären eller ventilera in i ena sidan och in i kompressorn från den andra sidan. Detta ökar tillförlitligheten genom att hålla processen borta från gapet. I pumpar är detta kanske inte en fördel eftersom det kan vara oönskat att tvinga in en komprimerbar gas i en pump. Kompressibla gaser inuti pumpar kan orsaka kavitation eller problem med lufthammare. Det skulle dock vara intressant att ha en beröringsfri eller friktionsfri tätning för pumpar utan nackdelen med gasflöde in i pumpprocessen. Kan det vara möjligt att ha ett externt trycksatt gaslager med nollflöde?
Ersättning
Alla externt trycksatta lager har någon form av kompensation. Kompensation är en form av begränsning som håller trycket tillbaka i reserv. Den vanligaste formen av kompensation är användningen av öppningar, men det finns även spår-, steg- och porösa kompensationstekniker. Kompensation gör att lager eller tätningsytor kan löpa nära varandra utan att röra dem, eftersom ju närmare de kommer desto högre blir gastrycket mellan dem, vilket avvisar ytorna isär.
Som ett exempel, under en plan öppning kompenserat gaslager (bild 3), genomsnittet
trycket i gapet kommer att vara lika med den totala belastningen på lagret dividerat med ytarean, detta är enhetsbelastning. Om detta källgastryck är 60 pund per kvadrattum (psi) och ytan har en yta på 10 kvadrattum och det finns 300 pund belastning, kommer det att finnas i genomsnitt 30 psi i lagergapet. Vanligtvis skulle gapet vara cirka 0,0003 tum, och eftersom gapet är så litet skulle flödet endast vara cirka 0,2 standard kubikfot per minut (scfm). Eftersom det finns en öppningsbegränsare precis före gapet som håller tillbaka trycket i reserv, om belastningen ökar till 400 pund, minskas lagergapet till cirka 0,0002 tum, vilket begränsar flödet genom gapet ned 0,1 scfm. Denna ökning av den andra begränsningen ger öppningsbegränsningen tillräckligt med flöde för att tillåta medeltrycket i gapet att öka till 40 psi och stödja den ökade belastningen.
Detta är en genomskuren sidovy av ett typiskt öppningsluftlager som finns i en koordinatmätmaskin (CMM). Om ett pneumatiskt system ska betraktas som ett "kompenserat lager" måste det ha en begränsning uppströms lagerspaltsbegränsningen.
Orifice kontra porös kompensation
Mynningskompensation är den mest använda formen av kompensation En typisk öppning kan ha en håldiameter på 0,010 tum, men eftersom den matar några kvadrattum av arean matar den flera storleksordningar större area än sig själv, så hastigheten av gasen kan vara hög. Ofta skärs öppningar exakt av rubiner eller safirer för att undvika erosion av öppningens storlek och därmed förändringar i lagrets prestanda. Ett annat problem är att vid luckor under 0,0002 tum börjar området runt öppningen att strypa flödet till resten av ytan, vid vilken punkt kollaps av gasfilmen inträffar. Samma sak inträffar vid lyft, eftersom endast området av öppning och eventuella spår finns tillgängliga för att initiera lyft. Detta är en av huvudorsakerna till att externt trycksatta lager inte syns i tätningsplaner.
Detta är inte fallet för det porösa kompenserade lagret, istället fortsätter styvheten
öka när belastningen ökar och gapet minskar, precis som fallet med DGS (bild 1) och
hydrodynamiska oljelager. I fallet med externt trycksatta porösa lager, kommer lagret att vara i ett balanserat kraftläge när ingångstrycket gånger arean är lika med den totala belastningen på lagret. Detta är ett intressant tribologiskt fall eftersom det inte finns någon lyft eller luftgap. Det kommer att finnas nollflöde, men den hydrostatiska kraften från lufttrycket mot motytan under lagrets yta väger fortfarande upp den totala belastningen och resulterar i en friktionskoefficient nära noll – även om ytorna fortfarande är i kontakt.
Till exempel, om en grafitförseglingsyta har en area av 10 kvadrattum och 1 000 pund stängningskraft och grafiten har en friktionskoefficient på 0,1, skulle det krävas 100 pund kraft för att initiera rörelse. Men med en extern tryckkälla på 100 psi portad genom den porösa grafiten till dess yta, skulle det i princip krävas ingen kraft för att initiera rörelse. Detta trots att det fortfarande finns 1 000 pund av stängningskraft som klämmer ihop de två ansiktena och att ansiktena är i fysisk kontakt.
En klass av glidlagermaterial såsom: grafit, kol och keramik såsom aluminiumoxid och kiselkarbider som är kända för turboindustrin och som är naturligt porösa så att de kan användas som externt trycksatta lager som är icke-kontaktande vätskefilmlager. Det finns en hybridfunktion där externt tryck används för att väga bort kontakttrycket eller tätningens stängningskraft från tribologin som pågår i de kontaktande tätningsytorna. Detta gör det möjligt för pumpoperatören att justera något utanför pumpen för att hantera problemapplikationer och högre hastigheter samtidigt som mekaniska tätningar används.
Denna princip gäller även för borstar, kommutatorer, excitatorer eller vilken kontaktledare som helst som kan användas för att ta data eller elektriska strömmar på eller av roterande föremål. Eftersom rotorerna snurrar snabbare och tar slut ökar, kan det vara svårt att hålla dessa enheter i kontakt med axeln, och det är ofta nödvändigt att öka fjädertrycket som håller dem mot axeln. Tyvärr, speciellt vid höghastighetsdrift, resulterar denna ökning i kontaktkraft också i mer värme och slitage. Samma hybridprincip som tillämpas på mekaniska tätningsytor som beskrivs ovan kan också tillämpas här, där fysisk kontakt krävs för elektrisk ledningsförmåga mellan de stationära och roterande delarna. Det yttre trycket kan användas som trycket från en hydraulcylinder för att minska friktionen vid det dynamiska gränssnittet samtidigt som fjäderkraften eller stängningskraften som krävs för att hålla borsten eller tätningsytan i kontakt med den roterande axeln ökar.
Posttid: 2023-okt-21