črpalke so eden največjih uporabnikov mehanskih tesnil. Kot že ime pove, so mehanska tesnila kontaktna tesnila, ki se razlikujejo od aerodinamičnih ali labirintnih brezkontaktnih tesnil.Mehanska tesnilaso označeni tudi kot uravnoteženo mehansko tesnilo ozneuravnoteženo mehansko tesnilo. To se nanaša na to, kolikšen odstotek procesnega tlaka, če sploh, se lahko pojavi za nepremično površino tesnila. Če ploskev tesnila ni potisnjena proti vrtljivi ploskvi (kot pri tesnilu potisnega tipa) ali procesna tekočina pod tlakom, ki ga je treba zatesniti, ne sme priti za ploskev tesnila, bi procesni tlak odpihnil ploskev tesnila nazaj in odprto. Oblikovalec tesnila mora upoštevati vse pogoje delovanja, da oblikuje tesnilo z zahtevano silo zapiranja, vendar ne toliko sile, da bi obremenitev enote na dinamični strani tesnila povzročila preveč toplote in obrabe. To je občutljivo ravnotežje, ki poveča ali poruši zanesljivost črpalke.
dinamično tesnilo je obrnjeno tako, da omogoča silo odpiranja namesto na običajen način
uravnavanje sile zapiranja, kot je opisano zgoraj. Ne odpravlja potrebne sile zapiranja, ampak oblikovalcu in uporabniku črpalke daje še en gumb za vrtenje, tako da omogoča razbremenitev ali razbremenitev ploskev tesnila, hkrati pa ohranja potrebno silo zapiranja, s čimer se zmanjša toplota in obraba, hkrati pa se razširijo možni pogoji delovanja.
Suha plinska tesnila (DGS), ki se pogosto uporabljajo v kompresorjih, zagotavljajo silo odpiranja na ploskvah tesnil. To silo ustvarja princip aerodinamičnega ležaja, kjer fini utori za črpanje pomagajo spodbuditi plin iz visokotlačne procesne strani tesnila v režo in čez ploskev tesnila kot brezkontaktni ležaj s filmom tekočine.
Aerodinamična sila odpiranja ležaja površine suhega plinskega tesnila. Naklon črte je reprezentativen za togost v vrzeli. Upoštevajte, da je vrzel v mikronih.
Enak pojav se pojavi pri hidrodinamičnih oljnih ležajih, ki podpirajo večino velikih centrifugalnih kompresorjev in rotorjev črpalk, in je viden na diagramih dinamične ekscentričnosti rotorja, ki jih je prikazal Bently. Ta učinek zagotavlja stabilno povratno zaustavitev in je pomemben element pri uspehu hidrodinamičnih oljnih ležajev in DGS . Mehanska tesnila nimajo finih črpalnih utorov, ki jih lahko najdemo na aerodinamični površini DGS. Morda obstaja način za uporabo načel ležaja plina pod zunanjim tlakom za razbremenitev sile zapiranja izobraz mehanskega tesnilas.
Kvalitativni diagrami parametrov nosilnega filma tekočine v primerjavi z razmerjem ekscentričnosti naboja. Togost, K, in dušenje, D, sta najmanjša, ko je čep v središču ležaja. Ko se ležaj približa površini ležaja, se togost in dušenje močno povečata.
Aerostatični plinski ležaji pod zunanjim pritiskom uporabljajo vir plina pod tlakom, medtem ko dinamični ležaji uporabljajo relativno gibanje med površinami za ustvarjanje tlaka v vrzeli. Tehnologija z zunanjim tlakom ima vsaj dve temeljni prednosti. Prvič, plin pod tlakom se lahko nadzorovano vbrizga neposredno med ploskvi tesnila, namesto da bi plin spodbudil v tesnilno režo s plitvimi črpalnimi utori, ki zahtevajo gibanje. To omogoča ločitev tesnilnih ploskev pred začetkom vrtenja. Tudi če sta ploskvi stisnjeni skupaj, se bosta odprli, da se začne in ustavi brez trenja, ko se tlak vbrizga neposredno med njiju. Poleg tega, če je tesnilo vroče, je mogoče z zunanjim pritiskom povečati pritisk na površino tesnila. Reža bi se nato povečala sorazmerno s tlakom, vendar bi toplota zaradi striga padla na kubično funkcijo reže. To daje upravljavcu novo zmožnost vplivanja na proizvodnjo toplote.
Kompresorji imajo še eno prednost v tem, da ni pretoka čez površino, kot je to pri DGS. Namesto tega je najvišji tlak med ploskvami tesnil, zunanji tlak pa bo tekel v ozračje ali se odvajal na eno stran in v kompresor na drugo stran. To poveča zanesljivost, tako da proces ostane zunaj vrzeli. Pri črpalkah to morda ni prednost, saj je lahko nezaželeno, da bi v črpalko potisnili stisljiv plin. Stisljivi plini v črpalkah lahko povzročijo kavitacijo ali težave z zračnim kladivom. Zanimivo pa bi bilo imeti brezkontaktno tesnilo ali tesnilo brez trenja za črpalke brez slabosti pretoka plina v proces črpalke. Ali je mogoče imeti plinski ležaj pod zunanjim tlakom z ničelnim pretokom?
Odškodnina
Vsi ležaji pod zunanjim pritiskom imajo neke vrste kompenzacijo. Nadomestilo je oblika omejitve, ki zadržuje pritisk v rezervi. Najpogostejša oblika kompenzacije je uporaba odprtin, obstajajo pa tudi tehnike kompenzacije z utori, stopnicami in poroznimi kompenzacijami. Kompenzacija omogoča, da ležaji ali tesnilne ploskve tečejo blizu skupaj, ne da bi se dotikali, saj bližje ko se približujejo, višji je tlak plina med njimi, kar odbija ploskve narazen.
Kot primer, pod ploščato odprtino kompenziranega plinskega ležaja (slika 3), povprečje
tlak v reži bo enak skupni obremenitvi ležaja, deljeni s površino površine, to je obremenitev enote. Če je tlak tega izvornega plina 60 funtov na kvadratni palec (psi) in če ima površina 10 kvadratnih palcev in je obremenitev 300 funtov, bo v ležajni reži povprečno 30 psi. Običajno bi bila vrzel približno 0,0003 palca, in ker je vrzel tako majhna, bi bil pretok le približno 0,2 standardne kubične noge na minuto (scfm). Ker je tik pred režo omejevalnik odprtine, ki zadržuje tlak v rezervi, se, če se obremenitev poveča na 400 funtov, ležajna reža zmanjša na približno 0,0002 palca, kar omejuje pretok skozi režo za 0,1 scfm. To povečanje druge omejitve daje omejevalniku odprtine dovolj pretoka, da omogoči povečanje povprečnega tlaka v reži na 40 psi in podpira povečano obremenitev.
To je stranski pogled na tipičen zračni ležaj z odprtino, ki ga najdemo v koordinatnem merilnem stroju (CMM). Če naj se pnevmatski sistem obravnava kot "kompenzirani ležaj", mora imeti omejitev pred omejitvijo reže ležaja.
Odprtina proti porozni kompenzaciji
Kompenzacija odprtine je najpogosteje uporabljena oblika kompenzacije. Tipična odprtina ima lahko premer luknje 0,010 palca, toda ker napaja nekaj kvadratnih centimetrov površine, napaja nekaj velikosti več površine kot sama, tako da hitrost plina je lahko visoka. Pogosto so odprtine natančno izrezane iz rubinov ali safirjev, da se prepreči erozija velikosti odprtine in s tem spremembe v delovanju ležaja. Druga težava je, da pri režah, manjših od 0,0002 palca, območje okoli odprtine začne dušiti pretok do preostale površine, na kateri točki pride do kolapsa plinskega filma. Enako se zgodi pri dvigu, saj je samo območje odprtina in morebitni utori so na voljo za sprožitev dviga. To je eden od glavnih razlogov, zakaj zunanji tlačni ležaji niso vidni v načrtih tesnil.
To ne velja za porozni kompenzirani ležaj, namesto tega se togost nadaljuje
povečati, ko se obremenitev poveča in se vrzel zmanjša, tako kot pri DGS (slika 1) in
hidrodinamični oljni ležaji. V primeru poroznih ležajev pod zunanjim tlakom bo ležaj v načinu uravnotežene sile, ko je vhodni tlak, pomnožen s površino, enak skupni obremenitvi ležaja. To je zanimiv tribološki primer, saj ni dviga ali zračne reže. Pretoka bo nič, vendar hidrostatična sila zračnega tlaka proti nasprotni površini pod ploskvijo ležaja še vedno razbremeni celotno obremenitev in povzroči skoraj ničelni koeficient trenja – čeprav sta ploskvi še vedno v stiku.
Na primer, če ima površina grafitnega tesnila površino 10 kvadratnih palcev in 1000 funtov zapiralne sile in ima grafit koeficient trenja 0,1, bi za začetek gibanja potrebovali 100 funtov sile. Toda z zunanjim virom tlaka 100 psi, ki je skozi porozni grafit pritrjen na njegovo stran, bi bila za sprožitev gibanja potrebna v bistvu nična sila. To je kljub dejstvu, da še vedno obstaja 1000 funtov zapiralne sile, ki stisne oba obraza skupaj in da sta obraza v fizičnem stiku.
Razred materialov za drsne ležaje, kot so: grafit, ogljik in keramika, kot so aluminijev oksid in silicijevi karbidi, ki so znani turbo industriji in so naravno porozni, zato jih je mogoče uporabiti kot ležaje pod zunanjim pritiskom, ki so brezkontaktni ležaji s filmom tekočine. Obstaja hibridna funkcija, pri kateri se zunanji pritisk uporabi za razbremenitev kontaktnega tlaka ali zapiralne sile tesnila od tribologije, ki se dogaja na kontaktnih tesnilnih ploskvah. To omogoča upravljavcu črpalke nekaj, kar lahko prilagodi zunaj črpalke, da se spopade s težavnimi aplikacijami in operacijami z večjo hitrostjo med uporabo mehanskih tesnil.
To načelo velja tudi za ščetke, komutatorje, vzbujalnike ali kateri koli kontaktni vodnik, ki se lahko uporablja za prenos podatkov ali električnega toka na ali iz vrtečih se predmetov. Ker se rotorji vrtijo hitreje in se izpraznitev povečuje, je lahko te naprave težko obdržati v stiku z gredjo in pogosto je treba povečati pritisk vzmeti, ki jih drži na gredi. Na žalost, zlasti v primeru delovanja pri visokih hitrostih, to povečanje kontaktne sile povzroči tudi večjo toploto in obrabo. Enako hibridno načelo, ki se uporablja za zgoraj opisane ploskve mehanskega tesnila, je mogoče uporabiti tudi tukaj, kjer je potreben fizični stik za električno prevodnost med mirujočimi in vrtljivimi deli. Zunanji tlak se lahko uporabi kot tlak iz hidravličnega cilindra za zmanjšanje trenja na dinamičnem vmesniku, medtem ko se še vedno poveča vzmetna sila ali sila zapiranja, ki je potrebna, da ostane krtača ali tesnilna površina v stiku z vrtečo se gredjo.
Čas objave: 21. oktober 2023