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 alineuravnoteženo mehansko tesniloTo se nanaša na to, kolikšen odstotek, če sploh kakšen, procesnega tlaka lahko pride za stacionarno tesnilno površino. Če tesnilna površina ni potisnjena ob vrtečo se površino (kot pri tesnilu potisnega tipa) ali če procesna tekočina s tlakom, ki ga je treba zatesniti, ne sme priti za tesnilno površino, bi procesni tlak odpihnil tesnilno površino nazaj in jo odprl. Projektant tesnila mora upoštevati vse obratovalne pogoje, da zasnuje tesnilo s potrebno zapiralno silo, vendar ne tolikšno silo, da bi obremenitev enote na dinamični tesnilni površini povzročila preveč toplote in obrabe. To je občutljivo ravnovesje, ki določa ali zmanjšuje zanesljivost črpalke.
dinamične tesnilne površine tako, da omogočajo odpiralno silo namesto običajnega načina
uravnoteženje zapiralne sile, kot je opisano zgoraj. Ne odpravi potrebne zapiralne sile, ampak daje konstruktorju in uporabniku črpalke še en gumb za obračanje, saj omogoča razbremenitev tesnilnih površin, hkrati pa ohranja potrebno zapiralno silo, s čimer se zmanjša toplota in obraba, hkrati pa se razširijo možni obratovalni pogoji.
Suha plinska tesnila (DGS), ki se pogosto uporabljajo v kompresorjih, zagotavljajo odpiralno silo na tesnilnih površinah. To silo ustvarja aerodinamično načelo ležaja, kjer fini črpalni utori pomagajo spodbuditi plin iz visokotlačne procesne strani tesnila v režo in čez površino tesnila kot brezkontaktni ležaj s tekočinskim filmom.
Aerodinamična sila odpiranja ležaja na površini suhega plinskega tesnila. Naklon črte predstavlja togost pri režo. Upoštevajte, da je reža v mikronih.
Enak pojav se pojavlja v 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 za uspeh hidrodinamičnih oljnih ležajev in DGS. Mehanska tesnila nimajo finih črpalnih utorov, ki bi jih lahko našli na aerodinamični površini DGS. Morda obstaja način, da se z uporabo principov ležajev z zunanjim tlakom plina razbremeni sila zapiranja.mehansko tesnilno površinos.
Kvalitativni diagrami parametrov ležaja s fluidnim filmom v primerjavi z razmerjem ekscentričnosti tečaja. Togost K in dušenje D sta najmanjša, ko je tečaj v središču ležaja. Ko se tečaj približa površini ležaja, se togost in dušenje dramatično povečata.
Zunanje tlačni aerostatični plinski ležaji uporabljajo vir tlačnega plina, medtem ko dinamični ležaji uporabljajo relativno gibanje med površinama za ustvarjanje tlaka v reži. Tehnologija zunanjega tlaka ima vsaj dve temeljni prednosti. Prvič, tlačni plin se lahko vbrizga neposredno med tesnilni površini na nadzorovan način, namesto da se plin spodbuja v tesnilno režo s plitvimi črpalnimi utori, ki zahtevajo gibanje. To omogoča ločevanje tesnilnih površin, preden se začne vrtenje. Tudi če sta površini stisnjeni skupaj, se bosta odprli za nič trenja, ko se tlak vbrizga neposredno med njiju. Poleg tega je mogoče, če se tesnilo segreva, z zunanjim pritiskom povečati tlak na tesnilni površini. Reža bi se nato sorazmerno povečala s tlakom, vendar bi toplota zaradi striga padla na kubično funkcijo reže. To daje upravljavcu novo možnost za preprečevanje nastajanja toplote.
Pri kompresorjih obstaja še ena prednost, in sicer ta, da ni pretoka čez tesnilno površino, kot je to pri DGS. Namesto tega je najvišji tlak med tesnilnima površinama, zunanji tlak pa bo stekel v ozračje ali se odzračeval na eni strani in v kompresor z druge strani. To poveča zanesljivost, saj preprečuje, da bi proces zašel v režo. Pri črpalkah to morda ni prednost, saj je lahko nezaželeno, da se stisljiv plin vbrizga v črpalko. Stisljivi plini v črpalkah lahko povzročijo kavitacijo ali težave z zračnim udarom. Vendar bi bilo zanimivo imeti brezkontaktno ali brez trenja tesnilo za črpalke, ne da bi bila ta pomanjkljivost pretoka plina v proces črpalke. Ali bi bilo mogoče imeti ležaj s plinom pod zunanjim tlakom in ničelnim pretokom?
Odškodnina
Vsi ležaji, ki so pod zunanjim tlakom, imajo nekakšno kompenzacijo. Kompenzacija je oblika omejevanja, ki zadržuje tlak v rezervi. Najpogostejša oblika kompenzacije je uporaba odprtin, obstajajo pa tudi tehnike kompenzacije z utori, stopnicami in poroznostjo. Kompenzacija omogoča, da se ležaji ali tesnilne površine tesno gibljejo skupaj, ne da bi se dotikale, saj bližje ko so, višji je tlak plina med njimi, kar odbija površine.
Na primer, pod plinskim ležajem s kompenzacijo ploske odprtine (slika 3) je povprečje
Tlak v reži bo enak skupni obremenitvi ležaja, deljeni s površino ploskve, to je enotna obremenitev. Če je tlak tega izvornega plina 60 funtov na kvadratni palec (psi) in ima ploskev 10 kvadratnih palcev površine ter je obremenitev 300 funtov, bo v ležajni reži povprečno 30 psi. Običajno je reža približno 0,0003 palca, in ker je reža tako majhna, je pretok le približno 0,2 standardne kubične čevlja na minuto (scfm). Ker je tik pred režo omejevalnik odprtine, ki zadržuje tlak v rezervi, se ob povečanju obremenitve na 400 funtov reža ležaja zmanjša na približno 0,0002 palca, kar omeji pretok skozi režo za 0,1 scfm. To povečanje druge omejitve daje omejevalniku odprtine dovolj pretoka, da se povprečni tlak v reži poveča na 40 psi in podpira povečano obremenitev.
To je stranski prerez tipičnega ležaja z odprtino, ki se nahaja v koordinatnem merilnem stroju (CMM). Če naj se pnevmatski sistem šteje za "kompenzirani ležaj", mora imeti pred omejitvijo ležajne reže zožitev.
Kompenzacija odprtin v primerjavi z poroznostjo
Kompenzacija odprtine je najpogosteje uporabljena oblika kompenzacije. Tipična odprtina ima lahko premer odprtine 0,010 palca, vendar ker napaja nekaj kvadratnih centimetrov površine, napaja za nekaj velikostnih razredov večjo površino kot sama, zato je hitrost plina 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 pod 0,0002 palca območje okoli odprtine začne dušiti pretok do preostale površine, pri čemer pride do porušitve plinskega filma. Enako se zgodi pri dvigu, saj je za začetek dviga na voljo le območje odprtine in morebitni utori. To je eden glavnih razlogov, zakaj ležaji pod zunanjim tlakom niso prikazani v načrtih tesnil.
To ne velja za porozni kompenzirani ležaj, temveč se togost še naprej povečuje.
povečuje se z naraščanjem obremenitve in zmanjševanjem vrzeli, tako kot v primeru DGS (slika 1) in
Hidrodinamični oljni ležaji. V primeru poroznih ležajev, ki so pod zunanjim tlakom, bo ležaj v načinu uravnotežene sile, ko bo vhodni tlak pomnožen s površino enak skupni obremenitvi na ležaju. To je zanimiv tribološki primer, saj ni vzgona ali zračne reže. Pretok ne bo, vendar hidrostatična sila zračnega tlaka na nasprotno površino pod površino ležaja še vedno razbremeni skupno obremenitev in povzroči skoraj ničelni koeficient trenja – čeprav sta površini še vedno v stiku.
Na primer, če ima grafitna tesnilna površina površino 10 kvadratnih palcev in 1000 funtov zapiralne sile, grafit pa ima koeficient trenja 0,1, bi za začetek gibanja potrebovala 100 funtov sile. Toda z zunanjim virom tlaka 100 psi, ki bi bil sprožen skozi porozni grafit do njene površine, bi za začetek gibanja v bistvu ne bila potrebna nobena sila. To kljub dejstvu, da še vedno obstaja 1000 funtov zapiralne sile, ki stisne obe površini skupaj, in da sta površini v fizičnem stiku.
Razred materialov za drsne ležaje, kot so: grafit, ogljik in keramika, kot sta aluminijev oksid in silicijev karbid, ki so znani v turboindustriji in so naravno porozni, zato se lahko uporabljajo kot ležaji pod zunanjim tlakom, ki so brezkontaktni ležaji s fluidnim filmom. Obstaja hibridna funkcija, pri kateri se zunanji tlak uporablja za razbremenitev kontaktnega tlaka ali zapiralne sile tesnila zaradi tribologije, ki se dogaja na kontaktnih površinah tesnila. To omogoča upravljavcu črpalke, da nekaj prilagodi zunaj črpalke za reševanje težavnih aplikacij in delovanja pri višjih hitrostih pri uporabi mehanskih tesnil.
To načelo velja tudi za krtače, komutatorje, vzbujevalnike ali kateri koli kontaktni prevodnik, ki se lahko uporablja za odvajanje podatkov ali električnih tokov na vrteče se predmete ali z njih. Ko se rotorji vrtijo hitreje in se njihova izraba povečuje, je lahko težko ohraniti te naprave v stiku z gredjo, zato je pogosto treba povečati tlak vzmeti, ki jih drži ob gredi. Žal pa to povečanje kontaktne sile, zlasti pri delovanju z veliko hitrostjo, povzroči tudi večjo toploto in obrabo. Enako hibridno načelo, ki se uporablja za zgoraj opisane mehanske tesnilne površine, se lahko uporabi tudi tukaj, kjer je za električno prevodnost med stacionarnimi in vrtečimi se deli potreben fizični stik. Zunanji tlak se lahko uporabi kot tlak iz hidravličnega valja za zmanjšanje trenja na dinamičnem vmesniku, hkrati pa se še vedno poveča sila vzmeti ali sila zapiranja, potrebna za ohranjanje stika krtače ali tesnilne površine z vrtečo se gredjo.
Čas objave: 21. oktober 2023