Pumpar är en av de största användarna av mekaniska tätningar. Som namnet antyder är mekaniska tätningar kontakttätningar, som skiljer sig från aerodynamiska eller labyrinttätningar utan kontakt.Mekaniska tätningarkännetecknas också som balanserade mekaniska tätningar ellerobalanserad mekanisk tätningDetta hänvisar till hur stor procentandel av processtrycket, om något, som kan komma runt bakom den stationära tätningsytan. Om tätningsytan inte trycks mot den roterande ytan (som i en pushertätning) eller om processvätska med det tryck som behöver tätas inte tillåts komma bakom tätningsytan, kommer processtrycket att blåsa tätningsytan bakåt och öppna sig. Tätningskonstruktören måste beakta alla driftsförhållanden för att konstruera en tätning med den erforderliga stängningskraften men inte så mycket kraft att enhetsbelastningen vid den dynamiska tätningsytan skapar för mycket värme och slitage. Detta är en känslig balans som avgör om pumpens tillförlitlighet påverkas eller inte.
de dynamiska tätningsytorna genom att möjliggöra en öppningskraft snarare än det konventionella sättet att
balansera stängningskraften, som beskrivits ovan. Det eliminerar inte den erforderliga stängningskraften men ger pumpkonstruktören och användaren ytterligare en ratt att vrida på genom att möjliggöra avlastning eller avlastning av tätningsytorna, samtidigt som den erforderliga stängningskraften bibehålls, vilket minskar värme och slitage samtidigt som de möjliga driftsförhållandena utökas.
Torra gastätningar (DGS), som ofta används i kompressorer, ger en öppningskraft vid tätningsytorna. Denna kraft skapas av en aerodynamisk lagerprincip, där fina pumpspår hjälper till att uppmuntra gas från tätningens högtryckssida, in i spalten och över tätningens yta som ett beröringsfritt vätskefilmlager.
Den aerodynamiska lageröppningskraften för en torr gastätningsyta. Linjens lutning representerar styvheten vid ett mellanrum. Observera att mellanrummet anges i mikron.
Samma fenomen uppstår i de hydrodynamiska oljelager som stöder de flesta stora centrifugalkompressorer och pumprotorer och ses i rotorns dynamiska excentricitetsdiagram som visas av Bently. Denna effekt ger en stabil backspärr och är en viktig del av framgången för hydrodynamiska oljelager och DGS. Mekaniska tätningar har inte de fina pumpspår som kan finnas i en aerodynamisk DGS-yta. Det kan finnas ett sätt att använda principer för externt trycksatta gaslager för att avlasta stängningskraften från ...mekanisk tätningsytas.
Kvalitativa diagram över parametrar för fluidfilmslager kontra axeltappens excentricitetsförhållande. Styvhet, K, och dämpning, D, är minimala när axeltappen är i lagrets centrum. När axeltappen närmar sig lagerytan ökar styvhet och dämpning dramatiskt.
Externt trycksatta aerostatiska gaslager använder en källa av trycksatt gas, medan dynamiska lager använder den relativa rörelsen mellan ytorna för att generera gaptryck. Den externt trycksatta tekniken har minst två grundläggande fördelar. För det första kan den trycksatta gasen injiceras direkt mellan tätningsytorna på ett kontrollerat sätt snarare än att uppmuntra gasen in i tätningsgapet med grunda pumpspår som kräver rörelse. Detta möjliggör separering av tätningsytorna innan rotationen börjar. Även om ytorna vrids ihop kommer de att öppnas för friktionsfria starter och stopp när tryck injiceras direkt mellan dem. Dessutom, om tätningen är varm, är det möjligt att med externt tryck öka trycket mot tätningens yta. Gapet skulle då öka proportionellt med trycket, men värmen från skjuvningen skulle falla på en kubfunktion av gapet. Detta ger operatören en ny möjlighet att utnyttja värmegenerering.
Det finns ytterligare en fördel med kompressorer, att det inte finns något flöde över ytan som det finns i en DGS. Istället är det högsta trycket mellan tätningsytorna, och det externa trycket kommer att flöda ut i atmosfären eller ventileras ut på ena sidan och in i kompressorn från den andra sidan. Detta ökar tillförlitligheten genom att hålla processen borta från gapet. I pumpar kanske detta inte är en fördel eftersom det kan vara oönskat att tvinga in en kompressibel gas i en pump. Kompressibla gaser inuti pumpar kan orsaka kavitation eller problem med luftslag. Det skulle dock vara intressant att ha en beröringsfri eller friktionsfri tätning för pumpar utan nackdelen med gasflöde in i pumpprocessen. Skulle 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 tillbaka trycket. Den vanligaste formen av kompensation är användningen av öppningar, men det finns även spår-, steg- och porkompensationstekniker. Kompensation gör det möjligt för lager eller tätningsytor att löpa nära varandra utan att vidröra varandra, eftersom ju närmare de kommer, desto högre blir gastrycket mellan dem, vilket stöter isär ytorna.
Som ett exempel, under ett kompenserat gaslager med plan mynning (bild 3), är genomsnittet
Trycket i gapet kommer att vara lika med den totala belastningen på lagret dividerat med ytans yta, 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 last, kommer det att finnas ett genomsnitt på 30 psi i lagergapet. Vanligtvis skulle gapet vara cirka 0,0003 tum, och eftersom gapet är så litet skulle flödet bara vara cirka 0,2 standardkubikfot per minut (scfm). Eftersom det finns en strypningsventil 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 ner 0,1 scfm. Denna ökning av den andra strypningen ger strypningsventilen tillräckligt med flöde för att tillåta att det genomsnittliga trycket i gapet ökar till 40 psi och stödja den ökade belastningen.
Detta är en genomskuren sidovy av ett typiskt luftlager med öppning som finns i en koordinatmätmaskin (CMM). Om ett pneumatiskt system ska betraktas som ett "kompenserat lager" måste det ha en strypning uppströms lagergapsstrypningen.
Öppningskompensation kontra porös kompensation
Mynningskompensation är den mest använda formen av kompensation. En typisk mynning kan ha en håldiameter på 0,010 tum, men eftersom den matar en area av några kvadratcentimeter, matar den en area av flera storleksordningar större än sig själv, så gashastigheten kan vara hög. Ofta är mynningar exakt utskurna ur rubiner eller safirer för att undvika erosion av mynningsstorleken och därmed förändringar i lagrets prestanda. Ett annat problem är att vid gap under 0,0002 tum börjar området runt mynningen strypa flödet till resten av ytan, varvid gasfilmen kollapsar. Detsamma händer vid lyft, eftersom endast mynningsområdet och eventuella spår är tillgängliga för att initiera lyft. Detta är en av de främsta anledningarna till att externt trycksatta lager inte ses i tätningsplaner.
Detta är inte fallet för det porösa kompenserade lagret, istället fortsätter styvheten att
öka när belastningen ökar och mellanrummet minskar, precis som i fallet med DGS (bild 1) och
hydrodynamiska oljelager. När det gäller externt trycksatta porösa lager kommer lagret att vara i ett balanserat kraftläge när ingångstrycket multiplicerat med arean är lika med den totala belastningen på lagret. Detta är ett intressant tribologiskt fall eftersom det inte finns någon lyftkraft eller luftgap. Det kommer att finnas noll flöde, men den hydrostatiska kraften från lufttrycket mot motytan under lagrets yta avlastar fortfarande den totala belastningen och resulterar i en friktionskoefficient nära noll – även om ytorna fortfarande är i kontakt.
Om till exempel en grafittätningsyta har en yta på 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 som porteras genom den porösa grafiten till dess yta, skulle det i princip inte krävas någon kraft för att initiera rörelse. Detta trots att det fortfarande finns 1 000 pund stängningskraft som pressar samman de två ytorna och att ytorna är i fysisk kontakt.
En klass av glidlagermaterial som grafit, kol och keramik som aluminiumoxid och kiselkarbider, kända inom turboindustrin och naturligt porösa, så de kan användas som externt trycksatta lager som är beröringsfria vätskefilmslager. Det finns en hybridfunktion där externt tryck används för att avlasta kontakttrycket eller tätningens stängningskraft från tribologin som pågår i de kontakterande tätningsytorna. Detta gör det möjligt för pumpoperatören att justera något utanför pumpen för att hantera problemapplikationer och drift med högre hastigheter vid användning av mekaniska tätningar.
Denna princip gäller även borstar, kommutatorer, excitatorer eller andra kontaktledare som kan användas för att ta data eller elektrisk ström till eller från roterande föremål. När rotorerna roterar snabbare och slutar fungera 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, särskilt vid höghastighetsdrift, resulterar denna ökning av kontaktkraften 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 externa 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.
Publiceringstid: 21 oktober 2023