pumper er en av de største brukerne av mekaniske tetninger.Som navnet antyder, er mekaniske tetninger kontakttype tetninger, differensiert fra aerodynamiske eller labyrintfrie tetninger.Mekaniske tetningerer også karakterisert som balansert mekanisk tetning ellerubalansert mekanisk tetning.Dette refererer til hvor stor prosentandel av, om noe, prosesstrykk som kan komme rundt bak den stasjonære tetningsflaten.Hvis tetningsflaten ikke skyves mot den roterende overflaten (som i en tetning av skyvetype) eller prosessvæske ved trykket som må forsegles ikke får komme bak tetningsflaten, vil prosesstrykket blåse tetningsflaten tilbake og åpne.Tetningsdesigneren må vurdere alle driftsforhold for å designe en tetning med den nødvendige lukkekraften, men ikke så mye kraft at enhetens belastning ved den dynamiske tetningsflaten skaper for mye varme og slitasje.Dette er en delikat balanse som gjør eller bryter pumpens pålitelighet.
den dynamiske tetningen vender ved å muliggjøre en åpningskraft i stedet for den konvensjonelle måten
balansere lukkekraften, som beskrevet ovenfor.Det eliminerer ikke den nødvendige lukkekraften, men gir pumpedesigneren og brukeren en annen knott å vri ved å tillate avvekting eller lossing av tetningsflatene, samtidig som den nødvendige lukkekraften opprettholdes, og reduserer dermed varme og slitasje samtidig som de mulige driftsforholdene utvides.
Dry Gas Seals (DGS), ofte brukt i kompressorer, gir en åpningskraft ved tetningsflatene.Denne kraften er skapt av et aerodynamisk lagerprinsipp, der fine pumpespor bidrar til å stimulere gass fra høytrykksprosesssiden av tetningen, inn i gapet og på tvers av tetningens overflate som et berøringsfritt væskefilmlager.
Den aerodynamiske lageråpningskraften til en tørr gasstetningsflate.Helningen på linjen 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 rotordynamiske eksentrisitetsplott vist av Bently. Denne effekten gir en stabil tilbakestopp og er et viktig element i suksessen til hydrodynamiske oljelagre og DGS .Mekaniske tetninger har ikke de fine pumpesporene som kan finnes i en aerodynamisk DGS-flate.Det kan være en måte å bruke eksternt trykksatte gassbærende prinsipper for å avvekte lukkekraften framekanisk tetningsflates.
Kvalitative plott av væskefilmbærende parametere versus journaleksentrisitetsforhold.Stivhet, K, og demping, D, er minimum når tappen er i midten av lageret.Når tappen nærmer seg lageroverflaten, øker stivhet og demping dramatisk.
Eksternt trykksatte aerostatiske gasslagere bruker en kilde for trykkgass, 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 stimulere gassen inn i tetningsgapet med grunne pumpespor som krever bevegelse.Dette gjør det mulig å separere tetningsflatene før rotasjonen starter.Selv om ansiktene er vridd sammen, vil de åpne seg for nullfriksjonsstarter og stoppe når det injiseres direkte mellom dem.I tillegg, hvis forseglingen er varm, er det mulig med eksternt trykk å øke trykket mot forsiden av tetningen.Gapet vil da øke proporsjonalt med trykket, men varmen fra skjærkraften vil falle på en kubefunksjon av gapet.Dette gir operatøren en ny evne til å utnytte varmeutviklingen.
Det er en annen fordel med kompressorer ved at det ikke er noen flyt over overflaten slik det er i en DGS.I stedet er det høyeste trykket mellom tetningsflatene, og det eksterne trykket vil strømme inn i atmosfæren eller ventilere inn 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 lufthammer.Det ville imidlertid vært interessant å ha en berøringsfri eller friksjonsfri tetning for pumper uten ulempen med gassstrøm inn i pumpeprosessen.Kan det være mulig å ha et eksternt trykksatt gasslager med nullstrøm?
Kompensasjon
Alle eksternt trykksatte lagre har en slags kompensasjon.Kompensasjon er en form for restriksjon som holder trykket tilbake i reserve.Den vanligste formen for kompensasjon er bruk av åpninger, men det finnes også spor-, trinn- og porøse kompensasjonsteknikker.Kompensasjon gjør at lagre eller tetningsflater kan løpe tett sammen uten å berøre dem, fordi jo nærmere de kommer, jo høyere blir gasstrykket mellom dem, og avviser ansiktene fra hverandre.
Som et eksempel, under en flat åpning kompensert gasslager (bilde 3), gjennomsnittet
trykket i gapet vil være lik den totale belastningen på lageret delt på flatearealet, dette er enhetsbelastning.Hvis dette kildegasstrykket er 60 pund per kvadrattomme (psi) og overflaten har 10 kvadrattomme areal og det er 300 pund belastning, 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 strømmen bare være omtrent 0,2 standard kubikkfot per minutt (scfm).Fordi det er en åpningsbegrenser like før gapet som holder trykket tilbake i reserve, hvis belastningen øker til 400 pund, reduseres lagergapet til omtrent 0,0002 tommer, og begrenser strømmen gjennom gapet ned 0,1 scfm.Denne økningen i den andre begrensningen gir åpningsbegrenseren nok strømning til å tillate gjennomsnittstrykket i gapet å øke til 40 psi og støtte den økte belastningen.
Dette er et snitt fra siden av et typisk åpningsluftlager funnet i en koordinatmålemaskin (CMM).Hvis et pneumatisk system skal betraktes som et "kompensert lager" må det ha en begrensning oppstrøms for lagerspaltebegrensningen.
Åpning vs. porøs kompensasjon
Åpningskompensasjon er den mest brukte formen for kompensasjon En typisk åpning kan ha en hulldiameter på 0,010 tommer, men ettersom den mater noen kvadratcentimeter av området, mater den flere størrelsesordener mer areal enn seg selv, så hastigheten av gassen kan være høy.Ofte kuttes åpninger nøyaktig fra rubiner eller safirer for å unngå erosjon av åpningsstørrelsen og dermed endringer i lagerets ytelse.Et annet problem er at ved avstander under 0,0002 tommer, begynner området rundt åpningen å strupe strømmen til resten av ansiktet, på hvilket tidspunkt kollaps av gassfilmen skjer. Det samme skjer ved løfting, da bare området av åpning og eventuelle spor er tilgjengelige for å starte løft.Dette er en av hovedårsakene til at eksternt trykksatte lagre ikke sees i tetningsplaner.
Dette er ikke tilfellet for det porøse kompenserte lageret, i stedet fortsetter stivheten
øke når belastningen øker og gapet reduseres, akkurat som tilfellet med DGS (bilde 1) og
hydrodynamiske oljelager.Når det gjelder utvendig trykksatte porøse lagre, vil lageret være i balansert kraftmodus når inngangstrykket ganger arealet tilsvarer den totale belastningen på lageret.Dette er et interessant tribologisk tilfelle ettersom det er null løft eller luftgap.Det vil være null strømning, men den hydrostatiske kraften til lufttrykket mot motflaten under lagerflaten avvekter fortsatt den totale belastningen og resulterer i en nesten null friksjonskoeffisient - selv om flatene fortsatt er i kontakt.
For eksempel, hvis en grafittforseglingsflate har et areal på 10 kvadrattommer og 1000 pund lukkekraft og grafitten har en friksjonskoeffisient på 0,1, vil det kreve 100 pund kraft for å starte bevegelse.Men med en ekstern trykkkilde på 100 psi ført gjennom den porøse grafitten til dens overflate, ville det i hovedsak være null kraft som kreves for å sette i gang bevegelse.Dette til tross for at det fortsatt er 1000 pund med lukkekraft som klemmer de to ansiktene sammen og at ansiktene er i fysisk kontakt.
En klasse glidelagermaterialer som: grafitt, karbon og keramikk som alumina og silisiumkarbider som er kjent for turboindustrien og er naturlig porøse slik at de kan brukes som eksternt trykksatte lagre som er ikke-kontaktende væskefilmlagre.Det er en hybridfunksjon hvor eksternt trykk brukes for å avvekte kontakttrykket eller lukkekraften til tetningen fra tribologien som pågår i de kontaktende tetningsflatene.Dette gjør at pumpeoperatøren kan justere noe utenfor pumpen for å håndtere problemapplikasjoner og operasjoner med høyere hastighet ved bruk av mekaniske tetninger.
Dette prinsippet gjelder også for børster, kommutatorer, magnetiseringer eller enhver kontaktleder som kan brukes til å ta data eller elektriske strømmer på eller av roterende objekter.Ettersom rotorene spinner raskere og går tom øker, 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 brukt på mekaniske tetningsflater beskrevet ovenfor kan også brukes her, der fysisk kontakt er nødvendig for elektrisk ledningsevne mellom de stasjonære og roterende delene.Det ytre 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.
Innleggstid: 21. oktober 2023