Οι αντλίες είναι ένας από τους μεγαλύτερους χρήστες μηχανικών στεγανοποιήσεων. Όπως υποδηλώνει το όνομα, οι μηχανικές στεγανοποιήσεις είναι στεγανοποιήσεις τύπου επαφής, διαφοροποιούμενες από τις αεροδυναμικές ή λαβυρινθώδεις στεγανοποιήσεις χωρίς επαφή.Μηχανικές σφραγίδεςχαρακτηρίζονται επίσης ως ισορροπημένη μηχανική σφράγιση ήμη ισορροπημένη μηχανική σφράγισηΑυτό αναφέρεται στο ποσοστό, εάν υπάρχει, της πίεσης διεργασίας που μπορεί να έρθει πίσω από την ακίνητη επιφάνεια στεγανοποίησης. Εάν η επιφάνεια στεγανοποίησης δεν πιέζεται προς την περιστρεφόμενη επιφάνεια (όπως σε μια σφράγιση τύπου ώθησης) ή το υγρό διεργασίας στην πίεση που πρέπει να σφραγιστεί δεν επιτρέπεται να φτάσει πίσω από την επιφάνεια στεγανοποίησης, η πίεση διεργασίας θα φυσήξει την επιφάνεια στεγανοποίησης προς τα πίσω και θα ανοίξει. Ο σχεδιαστής της σφράγισης πρέπει να λάβει υπόψη όλες τις συνθήκες λειτουργίας για να σχεδιάσει μια σφράγιση με την απαιτούμενη δύναμη κλεισίματος, αλλά όχι τόσο μεγάλη δύναμη ώστε η φόρτωση της μονάδας στην δυναμική επιφάνεια στεγανοποίησης να δημιουργεί υπερβολική θερμότητα και φθορά. Αυτή είναι μια λεπτή ισορροπία που καθορίζει ή καταστρέφει την αξιοπιστία της αντλίας.
οι δυναμικές όψεις σφράγισης επιτρέποντας μια δύναμη ανοίγματος αντί για τον συμβατικό τρόπο
εξισορρόπηση της δύναμης κλεισίματος, όπως περιγράφεται παραπάνω. Δεν εξαλείφει την απαιτούμενη δύναμη κλεισίματος, αλλά δίνει στον σχεδιαστή και τον χρήστη της αντλίας ένα ακόμη κουμπί για να περιστρέψει, επιτρέποντας την αποφόρτιση ή την αποφόρτιση των επιφανειών στεγανοποίησης, διατηρώντας παράλληλα την απαραίτητη δύναμη κλεισίματος, μειώνοντας έτσι τη θερμότητα και τη φθορά, ενώ παράλληλα διευρύνει τις πιθανές συνθήκες λειτουργίας.
Σφραγίδες ξηρού αερίου (DGS), που χρησιμοποιούνται συχνά σε συμπιεστές, παρέχουν μια δύναμη ανοίγματος στις επιφάνειες στεγανοποίησης. Αυτή η δύναμη δημιουργείται από μια αεροδυναμική αρχή ρουλεμάν, όπου οι λεπτές αυλακώσεις άντλησης βοηθούν στην ενθάρρυνση του αερίου από την πλευρά υψηλής πίεσης της στεγανοποίησης, στο διάκενο και κατά μήκος της επιφάνειας της στεγανοποίησης ως ρουλεμάν μεμβράνης ρευστού χωρίς επαφή.
Η αεροδυναμική δύναμη ανοίγματος ρουλεμάν μιας επιφάνειας στεγανοποίησης ξηρού αερίου. Η κλίση της γραμμής είναι αντιπροσωπευτική της ακαμψίας σε ένα κενό. Σημειώστε ότι το κενό είναι σε μικρά.
Το ίδιο φαινόμενο συμβαίνει στα υδροδυναμικά ρουλεμάν λαδιού που υποστηρίζουν τους περισσότερους μεγάλους φυγοκεντρικούς συμπιεστές και ρότορες αντλιών και παρατηρείται στα διαγράμματα δυναμικής εκκεντρότητας του ρότορα που φαίνονται από τον Bently. Αυτό το φαινόμενο παρέχει μια σταθερή ανάσχεση και αποτελεί σημαντικό στοιχείο για την επιτυχία των υδροδυναμικών ρουλεμάν λαδιού και των DGS. Οι μηχανικές σφραγίδες δεν έχουν τις λεπτές αυλακώσεις άντλησης που θα μπορούσαν να βρεθούν σε μια αεροδυναμική επιφάνεια DGS. Μπορεί να υπάρχει ένας τρόπος να χρησιμοποιηθούν οι αρχές των ρουλεμάν αερίου υπό εξωτερική πίεση για να μειωθεί το βάρος της δύναμης κλεισίματος από τομηχανική επιφάνεια στεγανοποίησηςs.
Ποιοτικά διαγράμματα παραμέτρων ρουλεμάν ρευστού-φιλμ έναντι του λόγου εκκεντρότητας του στροφέα. Η ακαμψία, K, και η απόσβεση, D, είναι ελάχιστες όταν ο στροφέας βρίσκεται στο κέντρο του ρουλεμάν. Καθώς ο στροφέας πλησιάζει την επιφάνεια του ρουλεμάν, η ακαμψία και η απόσβεση αυξάνονται δραματικά.
Τα εξωτερικά πεπιεσμένα αεροστατικά ρουλεμάν αερίου χρησιμοποιούν μια πηγή πεπιεσμένου αερίου, ενώ τα δυναμικά ρουλεμάν χρησιμοποιούν τη σχετική κίνηση μεταξύ των επιφανειών για να δημιουργήσουν πίεση στο διάκενο. Η τεχνολογία εξωτερικά πεπιεσμένου αερίου έχει τουλάχιστον δύο βασικά πλεονεκτήματα. Πρώτον, το πεπιεσμένο αέριο μπορεί να εγχυθεί απευθείας μεταξύ των επιφανειών στεγανοποίησης με ελεγχόμενο τρόπο αντί να ενθαρρύνει το αέριο να εισέλθει στο διάκενο στεγανοποίησης με ρηχές αυλακώσεις άντλησης που απαιτούν κίνηση. Αυτό επιτρέπει τον διαχωρισμό των επιφανειών στεγανοποίησης πριν ξεκινήσει η περιστροφή. Ακόμα κι αν οι επιφάνειες είναι στριμμένες μεταξύ τους, θα ανοίξουν για εκκινήσεις και σταματήματα μηδενικής τριβής όταν εγχυθεί πίεση απευθείας μεταξύ τους. Επιπλέον, εάν η στεγανοποίηση λειτουργεί ζεστή, είναι δυνατό με εξωτερική πίεση να αυξηθεί η πίεση στην επιφάνεια της στεγανοποίησης. Το διάκενο τότε θα αυξηθεί αναλογικά με την πίεση, αλλά η θερμότητα από τη διάτμηση θα πέσει σε μια κυβική συνάρτηση του διακένου. Αυτό δίνει στον χειριστή μια νέα δυνατότητα να αξιοποιήσει την παραγωγή θερμότητας.
Υπάρχει ένα άλλο πλεονέκτημα στους συμπιεστές, ότι δεν υπάρχει ροή κατά μήκος της επιφάνειας όπως συμβαίνει σε ένα DGS. Αντίθετα, η υψηλότερη πίεση είναι μεταξύ των επιφανειών στεγανοποίησης και η εξωτερική πίεση θα ρέει στην ατμόσφαιρα ή θα εξαερώνεται στη μία πλευρά και στον συμπιεστή από την άλλη πλευρά. Αυτό αυξάνει την αξιοπιστία διατηρώντας τη διαδικασία έξω από το κενό. Στις αντλίες αυτό μπορεί να μην αποτελεί πλεονέκτημα, καθώς μπορεί να είναι ανεπιθύμητο να πιέζεται ένα συμπιέσιμο αέριο σε μια αντλία. Τα συμπιέσιμα αέρια στο εσωτερικό των αντλιών μπορούν να προκαλέσουν προβλήματα σπηλαίωσης ή αεροκρουστικού κρούσης. Θα ήταν ενδιαφέρον, ωστόσο, να υπάρχει μια στεγανοποίηση χωρίς επαφή ή χωρίς τριβή για τις αντλίες χωρίς το μειονέκτημα της ροής αερίου στη διαδικασία της αντλίας. Θα μπορούσε να είναι δυνατό να υπάρχει ένα ρουλεμάν αερίου με εξωτερική πίεση και μηδενική ροή;
Αποζημίωση
Όλα τα ρουλεμάν που βρίσκονται υπό εξωτερική πίεση έχουν κάποιο είδος αντιστάθμισης. Η αντιστάθμιση είναι μια μορφή περιορισμού που διατηρεί την πίεση σε εφεδρεία. Η πιο συνηθισμένη μορφή αντιστάθμισης είναι η χρήση στομίων, αλλά υπάρχουν επίσης τεχνικές αντιστάθμισης με αυλάκια, βαθμίδες και πορώδη υλικά. Η αντιστάθμιση επιτρέπει στα ρουλεμάν ή στις επιφάνειες στεγανοποίησης να βρίσκονται κοντά η μία στην άλλη χωρίς να αγγίζουν, επειδή όσο πιο κοντά πλησιάζουν, τόσο υψηλότερη γίνεται η πίεση αερίου μεταξύ τους, απωθώντας τις επιφάνειες μεταξύ τους.
Για παράδειγμα, κάτω από ένα ρουλεμάν αερίου με αντιστάθμιση επίπεδου στομίου (Εικόνα 3), η μέση
Η πίεση στο διάκενο θα ισούται με το συνολικό φορτίο στο ρουλεμάν διαιρούμενο με την επιφάνεια της επιφάνειας, αυτό είναι η μονάδα φόρτωσης. Εάν η πίεση αυτού του αερίου πηγής είναι 60 λίβρες ανά τετραγωνική ίντσα (psi) και η επιφάνεια έχει επιφάνεια 10 τετραγωνικές ίντσες και υπάρχουν 300 λίβρες φορτίου, θα υπάρχει κατά μέσο όρο 30 psi στο διάκενο του ρουλεμάν. Συνήθως, το διάκενο θα είναι περίπου 0,0003 ίντσες, και επειδή το διάκενο είναι τόσο μικρό, η ροή θα είναι μόνο περίπου 0,2 τυπικά κυβικά πόδια ανά λεπτό (scfm). Επειδή υπάρχει ένας περιοριστής στομίου ακριβώς πριν από το διάκενο που συγκρατεί την πίεση σε εφεδρεία, εάν το φορτίο αυξηθεί στις 400 λίβρες, το διάκενο του ρουλεμάν μειώνεται σε περίπου 0,0002 ίντσες, περιορίζοντας τη ροή μέσω του διακένου κατά 0,1 scfm. Αυτή η αύξηση στον δεύτερο περιορισμό δίνει στον περιοριστή στομίου αρκετή ροή ώστε να επιτρέψει στη μέση πίεση στο διάκενο να αυξηθεί στα 40 psi και να υποστηρίξει το αυξημένο φορτίο.
Αυτή είναι μια πλάγια όψη σε τομή ενός τυπικού ρουλεμάν αέρα με στόμιο που βρίσκεται σε μια μηχανή μέτρησης συντεταγμένων (CMM). Εάν ένα πνευματικό σύστημα πρόκειται να θεωρηθεί «αντισταθμισμένο ρουλεμάν», πρέπει να έχει έναν περιορισμό ανάντη του περιορισμού του διακένου του ρουλεμάν.
Στόμιο έναντι πορώδους αντιστάθμισης
Η αντιστάθμιση στομίου είναι η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη μορφή αντιστάθμισης. Ένα τυπικό στόμιο μπορεί να έχει διάμετρο οπής 0,010 ίντσες, αλλά καθώς τροφοδοτεί μερικές τετραγωνικές ίντσες επιφάνειας, τροφοδοτεί αρκετές τάξεις μεγέθους περισσότερη επιφάνεια από το ίδιο, επομένως η ταχύτητα του αερίου μπορεί να είναι υψηλή. Συχνά, τα στόμια κόβονται με ακρίβεια από ρουμπίνια ή ζαφείρια για να αποφευχθεί η διάβρωση του μεγέθους του στομίου και, κατά συνέπεια, οι αλλαγές στην απόδοση του ρουλεμάν. Ένα άλλο ζήτημα είναι ότι σε κενά κάτω από 0,0002 ίντσες, η περιοχή γύρω από το στόμιο αρχίζει να πνίγει τη ροή προς το υπόλοιπο της επιφάνειας, οπότε συμβαίνει η κατάρρευση της μεμβράνης αερίου. Το ίδιο συμβαίνει και κατά την ανύψωση, καθώς μόνο η περιοχή του στομίου και τυχόν αυλακώσεις είναι διαθέσιμες για την έναρξη της ανύψωσης. Αυτός είναι ένας από τους κύριους λόγους για τους οποίους τα εξωτερικά πεπιεσμένα ρουλεμάν δεν εμφανίζονται στα σχέδια στεγανοποίησης.
Αυτό δεν ισχύει για το πορώδες αντισταθμισμένο ρουλεμάν, αντίθετα η ακαμψία συνεχίζει να
αυξάνεται καθώς αυξάνεται το φορτίο και μειώνεται το κενό, όπως ακριβώς στην περίπτωση του DGS (Εικόνα 1) και
υδροδυναμικά ρουλεμάν λαδιού. Στην περίπτωση εξωτερικά πεπιεσμένων πορωδών ρουλεμάν, το ρουλεμάν θα βρίσκεται σε λειτουργία ισορροπημένης δύναμης όταν η πίεση εισόδου επί την επιφάνεια ισούται με το συνολικό φορτίο στο ρουλεμάν. Αυτή είναι μια ενδιαφέρουσα τριβολογική περίπτωση, καθώς υπάρχει μηδενική άνωση ή διάκενο αέρα. Θα υπάρχει μηδενική ροή, αλλά η υδροστατική δύναμη της πίεσης του αέρα έναντι της αντίθετης επιφάνειας κάτω από την επιφάνεια του ρουλεμάν εξακολουθεί να αντισταθμίζει το συνολικό φορτίο και έχει ως αποτέλεσμα σχεδόν μηδενικό συντελεστή τριβής - παρόλο που οι επιφάνειες εξακολουθούν να βρίσκονται σε επαφή.
Για παράδειγμα, εάν μια επιφάνεια σφράγισης από γραφίτη έχει εμβαδόν 10 τετραγωνικών ιντσών και 1.000 λίβρες δύναμης κλεισίματος και ο γραφίτης έχει συντελεστή τριβής 0,1, θα απαιτηθούν 100 λίβρες δύναμης για να ξεκινήσει η κίνηση. Αλλά με μια εξωτερική πηγή πίεσης 100 psi που διοχετεύεται μέσω του πορώδους γραφίτη στην επιφάνεια του, ουσιαστικά δεν θα απαιτείται δύναμη για να ξεκινήσει η κίνηση. Αυτό συμβαίνει παρά το γεγονός ότι εξακολουθούν να ασκούνται 1.000 λίβρες δύναμης κλεισίματος που συμπιέζει τις δύο επιφάνειες μεταξύ τους και ότι οι επιφάνειες βρίσκονται σε φυσική επαφή.
Μια κατηγορία υλικών απλών ρουλεμάν όπως: γραφίτης, άνθρακες και κεραμικά όπως η αλουμίνα και τα καρβίδια του πυριτίου, τα οποία είναι γνωστά στις βιομηχανίες στροβιλοκινητήρων και είναι φυσικά πορώδη, επομένως μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως εξωτερικά πεπιεσμένα ρουλεμάν, δηλαδή ρουλεμάν μεμβράνης ρευστού που δεν έρχονται σε επαφή. Υπάρχει μια υβριδική λειτουργία όπου η εξωτερική πίεση χρησιμοποιείται για την απαλλαγή της πίεσης επαφής ή της δύναμης κλεισίματος της στεγανοποίησης από την τριβολογία που συμβαίνει στις επιφάνειες στεγανοποίησης που έρχονται σε επαφή. Αυτό επιτρέπει στον χειριστή της αντλίας να προσαρμόσει κάτι έξω από την αντλία για να αντιμετωπίσει προβληματικές εφαρμογές και λειτουργίες υψηλότερης ταχύτητας κατά τη χρήση μηχανικών στεγανοποιήσεων.
Αυτή η αρχή ισχύει επίσης για ψήκτρες, συλλέκτες, διεγέρτες ή οποιονδήποτε αγωγό επαφής που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη λήψη δεδομένων ή ηλεκτρικών ρευμάτων σε ή από περιστρεφόμενα αντικείμενα. Καθώς οι ρότορες περιστρέφονται ταχύτερα και η ταχύτητα εξάντλησης αυξάνεται, μπορεί να είναι δύσκολο να διατηρηθούν αυτές οι συσκευές σε επαφή με τον άξονα και συχνά είναι απαραίτητο να αυξηθεί η πίεση του ελατηρίου που τις συγκρατεί στον άξονα. Δυστυχώς, ειδικά στην περίπτωση λειτουργίας υψηλής ταχύτητας, αυτή η αύξηση της δύναμης επαφής οδηγεί επίσης σε περισσότερη θερμότητα και φθορά. Η ίδια υβριδική αρχή που εφαρμόζεται στις επιφάνειες μηχανικής στεγανοποίησης που περιγράφηκε παραπάνω μπορεί επίσης να εφαρμοστεί εδώ, όπου απαιτείται φυσική επαφή για ηλεκτρική αγωγιμότητα μεταξύ των στατικών και των περιστρεφόμενων μερών. Η εξωτερική πίεση μπορεί να χρησιμοποιηθεί όπως η πίεση από έναν υδραυλικό κύλινδρο για να μειωθεί η τριβή στη δυναμική διεπαφή, ενώ παράλληλα αυξάνεται η δύναμη του ελατηρίου ή η δύναμη κλεισίματος που απαιτείται για να διατηρηθεί η βούρτσα ή η επιφάνεια στεγανοποίησης σε επαφή με τον περιστρεφόμενο άξονα.
Ώρα δημοσίευσης: 21 Οκτωβρίου 2023