Pumper er blant de største brukerne av mekaniske tetninger. Som navnet antyder, er mekaniske tetninger kontakttetninger, som skiller seg fra aerodynamiske eller labyrint-kontaktfrie tetninger.Mekaniske tetningerer også karakterisert som balansert mekanisk tetning ellerubalansert mekanisk tetningDette refererer til hvor stor prosentandel av prosesstrykket, om noe, som kan komme rundt den stasjonære tetningsflaten. Hvis tetningsflaten ikke presses mot den roterende overflaten (som i en skyve-type tetning), eller prosessvæsken med det trykket som må forsegles ikke får komme bak tetningsflaten, vil prosesstrykket blåse tetningsflaten tilbake og åpne seg. Tetningsdesigneren må vurdere alle driftsforhold for å designe en tetning med den nødvendige lukkekraften, men ikke så mye kraft at enhetsbelastningen på den dynamiske tetningsflaten skaper for mye varme og slitasje. Dette er en delikat balansegang som avgjør eller ødelegger pumpens pålitelighet.
de dynamiske tetningsflatene ved å muliggjøre en åpningskraft i stedet for den konvensjonelle måten å
balansering av lukkekraften, som beskrevet ovenfor. Det eliminerer ikke den nødvendige lukkekraften, men gir pumpedesigneren og brukeren en annen knott å vri på ved å tillate avlastning eller avlasting av tetningsflatene, samtidig som den nødvendige lukkekraften opprettholdes, og dermed reduserer varme og slitasje samtidig som de mulige driftsforholdene utvides.
Tørre gasspakninger (DGS), ofte brukt i kompressorer, gir en åpningskraft på tetningsflatene. Denne kraften skapes av et aerodynamisk lagerprinsipp, der fine pumperiller bidrar til å oppmuntre gass fra høytrykksprosessiden av tetningen, inn i gapet og over tetningens overflate som et berøringsfritt væskefilmlager.
Den aerodynamiske lageråpningskraften til en tørr gasstetningsflate. Linjens helling er representativ for stivheten ved et gap. Merk at gapet er i mikron.
Det samme fenomenet forekommer i de hydrodynamiske oljelagrene som støtter de fleste store sentrifugalkompressorer og pumperotorer, og sees i dynamiske eksentrisitetsplott for rotoren vist av Bently. Denne effekten gir en stabil tilbakeslagsmekanisme og er et viktig element for at hydrodynamiske oljelagre og DGS skal lykkes. Mekaniske tetninger har ikke de fine pumpesporene som kan finnes i en aerodynamisk DGS-flate. Det kan være en måte å bruke prinsipper for eksternt trykksatte gasslagre for å avvekte lukkekraften fra ...mekanisk tetningsflates.
Kvalitative plott av parametere for fluidfilmlager versus forholdet mellom akseltappens eksentrisitet. Stivhet, K, og demping, D, er minimale når akseltappen er i sentrum av lageret. Når akseltappen nærmer seg lagerflaten, øker stivhet og demping dramatisk.
Eksternt trykksatte aerostatiske gasslagre benytter en kilde til trykksatt gass, mens dynamiske lagre bruker den relative bevegelsen mellom overflatene for å generere gaptrykk. Den eksternt trykksatte teknologien har minst to grunnleggende fordeler. For det første kan den trykksatte gassen injiseres direkte mellom tetningsflatene på en kontrollert måte, i stedet for å oppmuntre gassen inn i tetningsgapet med grunne pumpespor som krever bevegelse. Dette gjør det mulig å separere tetningsflatene før rotasjonen starter. Selv om flatene vris sammen, vil de sprette opp for friksjonsfri start og stopp når trykk injiseres direkte mellom dem. I tillegg, hvis tetningen går varm, er det mulig med eksternt trykk å øke trykket mot tetningsflaten. Gapet vil da øke proporsjonalt med trykket, men varmen fra skjæringen vil falle på en kubefunksjon av gapet. Dette gir operatøren en ny mulighet til å utnytte mot varmegenerering.
Det er en annen fordel med kompressorer at det ikke er noen strømning over flaten slik det er i en DGS. I stedet er det høyeste trykket mellom tetningsflatene, og det eksterne trykket vil strømme ut i atmosfæren eller luftes ut på den ene siden og inn i kompressoren fra den andre siden. Dette øker påliteligheten ved å holde prosessen utenfor gapet. I pumper er dette kanskje ikke en fordel, da det kan være uønsket å tvinge en komprimerbar gass inn i en pumpe. Komprimerbare gasser inne i pumper kan forårsake kavitasjon eller problemer med luftslag. Det ville imidlertid være interessant å ha en berøringsfri eller friksjonsfri tetning for pumper uten ulempen med gasstrøm inn i pumpeprosessen. Kunne det være mulig å ha et eksternt trykksatt gasslager med null strømning?
Kompensasjon
Alle lagre under eksternt trykk har en eller annen form for kompensasjon. Kompensasjon er en form for begrensning som holder trykket tilbake i reserve. Den vanligste formen for kompensasjon er bruk av åpninger, men det finnes også spor-, trinn- og porøs kompensasjonsteknikker. Kompensasjon gjør det mulig for lagre eller tetningsflater å løpe tett sammen uten å berøre hverandre, fordi jo nærmere de kommer, desto høyere blir gasstrykket mellom dem, noe som frastøter flatene.
Som et eksempel, under et kompensert gasslager med flat åpning (bilde 3), er gjennomsnittet
Trykket i gapet vil være lik den totale belastningen på lageret delt på overflatearealet, dette er enhetsbelastning. Hvis dette kildegasstrykket er 60 pund per kvadrattomme (psi) og overflaten har et areal på 10 kvadrattomme og det er 300 pund last, vil det være et gjennomsnitt på 30 psi i lagergapet. Vanligvis vil gapet være omtrent 0,0003 tommer, og fordi gapet er så lite, vil strømningen bare være omtrent 0,2 standard kubikkfot per minutt (scfm). Fordi det er en dysebegrenser rett før gapet som holder trykket tilbake i reserve, reduseres lagergapet til omtrent 0,0002 tommer hvis lasten øker til 400 pund, noe som begrenser strømningen gjennom gapet ned 0,1 scfm. Denne økningen i den andre begrensningen gir dysebegrenseren nok strømning til å tillate at gjennomsnittstrykket i gapet øker til 40 psi og støtter den økte belastningen.
Dette er et snitt fra siden av et typisk dyseluftlager som finnes i en koordinatmålemaskin (CMM). Hvis et pneumatisk system skal betraktes som et «kompensert lager», må det ha en innsnevring oppstrøms for lagergapsinnsnevringen.
Åpning vs. porøs kompensasjon
Åpningskompensasjon er den mest brukte formen for kompensasjon. En typisk åpning kan ha en hulldiameter på 0,010 tommer, men siden den mater et areal på noen få kvadratcentimeter, mater den et areal på flere størrelsesordener mer enn seg selv, slik at gasshastigheten kan være høy. Ofte er åpninger presist kuttet fra rubiner eller safirer for å unngå erosjon av åpningsstørrelsen og dermed endringer i lagerets ytelse. Et annet problem er at ved hull under 0,0002 tommer begynner området rundt åpningen å kvele strømmen til resten av flaten, hvorved kollaps av gassfilmen oppstår. Det samme skjer ved løfting, da bare området rundt åpningen og eventuelle spor er tilgjengelige for å starte løft. Dette er en av hovedgrunnene til at eksternt trykksatte lagre ikke sees i tetningsplaner.
Dette er ikke tilfelle for det porøse kompenserte lageret, i stedet fortsetter stivheten å
øker etter hvert som lasten øker og gapet reduseres, akkurat som tilfellet med DGS (bilde 1) og
hydrodynamiske oljelagre. Når det gjelder eksternt trykksatte porøse lagre, vil lageret være i en balansert kraftmodus når inngangstrykket multiplisert med arealet er lik den totale belastningen på lageret. Dette er et interessant tribologisk tilfelle, da det ikke er null løft eller luftgap. Det vil ikke være null strømning, men den hydrostatiske kraften fra lufttrykket mot motflaten under lagerflaten avlaster fortsatt den totale belastningen og resulterer i en friksjonskoeffisient nesten null – selv om flatene fortsatt er i kontakt.
Hvis for eksempel en grafittforseglingsflate har et areal på 10 kvadrattommer og 1000 pund lukkekraft, og grafitten har en friksjonskoeffisient på 0,1, ville det kreve 100 pund kraft for å starte bevegelse. Men med en ekstern trykkilde på 100 psi som sendes gjennom den porøse grafitten til flaten, ville det i hovedsak være null kraft som kreves for å starte bevegelse. Dette til tross for at det fortsatt er 1000 pund lukkekraft som klemmer de to flatene sammen, og at flatene er i fysisk kontakt.
En klasse glidelagermaterialer som grafitt, karbon og keramikk som alumina og silisiumkarbider, som er kjent i turboindustrien og er naturlig porøse, slik at de kan brukes som eksternt trykksatte lagre som er ikke-kontakterende væskefilmlagre. Det finnes en hybridfunksjon der eksternt trykk brukes til å avvekte kontakttrykket eller lukkekraften til tetningen fra tribologien som skjer i de kontaktende tetningsflatene. Dette gjør at pumpeoperatøren kan justere noe utenfor pumpen for å håndtere problemapplikasjoner og drift med høyere hastigheter ved bruk av mekaniske tetninger.
Dette prinsippet gjelder også børster, kommutatorer, eksitatorer eller enhver kontaktleder som kan brukes til å ta data eller elektrisk strøm på eller av roterende objekter. Etter hvert som rotorene roterer raskere og går tom, kan det være vanskelig å holde disse enhetene i kontakt med akselen, og det er ofte nødvendig å øke fjærtrykket som holder dem mot akselen. Dessverre, spesielt ved høyhastighetsdrift, resulterer denne økningen i kontaktkraft også i mer varme og slitasje. Det samme hybridprinsippet som brukes på mekaniske tetningsflater beskrevet ovenfor, kan også brukes her, der fysisk kontakt er nødvendig for elektrisk ledningsevne mellom de stasjonære og roterende delene. Det eksterne trykket kan brukes som trykket fra en hydraulisk sylinder for å redusere friksjonen ved det dynamiske grensesnittet, samtidig som fjærkraften eller lukkekraften som kreves for å holde børsten eller tetningsflaten i kontakt med den roterende akselen økes.
Publisert: 21. oktober 2023