Pumper er en af de største brugere af mekaniske tætninger. Som navnet antyder, er mekaniske tætninger kontakttætninger, der adskiller sig fra aerodynamiske eller labyrint-ikke-kontakttætninger.Mekaniske tætningerer også karakteriseret som balancerede mekaniske tætninger ellerubalanceret mekanisk tætningDette refererer til, hvor stor en procentdel af procestrykket, om noget, der kan komme bag den stationære tætningsflade. Hvis tætningsfladen ikke presses mod den roterende flade (som i en pusher-type tætning), eller procesvæsken med det tryk, der skal tætnes, ikke får lov til at komme bag tætningsfladen, vil procestrykket blæse tætningsfladen tilbage og åbne sig. Tætningsdesigneren skal overveje alle driftsforhold for at designe en tætning med den nødvendige lukkekraft, men ikke så meget kraft, at enhedsbelastningen på den dynamiske tætningsflade skaber for meget varme og slid. Dette er en delikat balance, der afgør eller ødelægger pumpens pålidelighed.
de dynamiske tætningsflader ved at muliggøre en åbningskraft i stedet for den konventionelle måde at
afbalancering af lukkekraften, som beskrevet ovenfor. Det eliminerer ikke den nødvendige lukkekraft, men giver pumpedesigneren og brugeren en ekstra knap at dreje på ved at tillade aflastning eller aflastning af tætningsfladerne, samtidig med at den nødvendige lukkekraft opretholdes, hvilket reducerer varme og slid, samtidig med at de mulige driftsforhold udvides.
Tørgastætninger (DGS), der ofte anvendes i kompressorer, giver en åbningskraft ved tætningsfladerne. Denne kraft skabes af et aerodynamisk lejeprincip, hvor fine pumperiller hjælper med at tilskynde gas fra højtryksprocessiden af tætningen, ind i mellemrummet og hen over tætningens overflade som et berøringsfrit væskefilmleje.
Den aerodynamiske lejeåbningskraft for en tør gasforseglingsflade. Linjens hældning er repræsentativ for stivheden ved et mellemrum. Bemærk, at mellemrummet er i mikron.
Det samme fænomen forekommer i de hydrodynamiske olielejer, der understøtter de fleste store centrifugalkompressorer og pumperotorer, og ses i rotordynamiske excentricitetsplots vist af Bently. Denne effekt giver et stabilt tilbageløb og er et vigtigt element i succesen af hydrodynamiske olielejer og DGS. Mekaniske tætninger har ikke de fine pumperiller, der kan findes i en aerodynamisk DGS-flade. Der kan være en måde at bruge principper for eksternt tryksatte gaslejer til at afvægte lukkekraften fra ...mekanisk tætningsflades.
Kvalitative plots af fluid-film lejeparametre versus lejetabs excentricitetsforhold. Stivhed, K, og dæmpning, D, er minimale, når lejetab er i midten af lejet. Når lejetab nærmer sig lejeoverfladen, øges stivhed og dæmpning dramatisk.
Eksternt tryksatte aerostatiske gaslejer anvender en kilde til tryksat gas, hvorimod dynamiske lejer bruger den relative bevægelse mellem overfladerne til at generere mellemrumstryk. Den eksternt tryksatte teknologi har mindst to grundlæggende fordele. For det første kan den tryksatte gas injiceres direkte mellem tætningsfladerne på en kontrolleret måde i stedet for at opmuntre gassen ind i tætningsgabet med lavvandede pumperiller, der kræver bevægelse. Dette gør det muligt at adskille tætningsfladerne, før rotationen starter. Selv hvis fladerne vrides sammen, vil de poppe op for friktionsfri start og stop, når der injiceres tryk direkte mellem dem. Derudover, hvis tætningen kører varm, er det muligt med eksternt tryk at øge trykket på tætningens flade. Gabet ville derefter stige proportionalt med trykket, men varmen fra forskydning ville falde på en kubefunktion af gabet. Dette giver operatøren en ny evne til at udnytte varmegenerering.
Der er en anden fordel ved kompressorer, idet der ikke er nogen strømning på tværs af fladen, som der er i en DGS. I stedet er det højeste tryk mellem tætningsfladerne, og det eksterne tryk vil strømme ud i atmosfæren eller udluftes til den ene side og ind i kompressoren fra den anden side. Dette øger pålideligheden ved at holde processen ude af mellemrummet. I pumper er dette muligvis ikke en fordel, da det kan være uønsket at tvinge en komprimerbar gas ind i en pumpe. Komprimerbare gasser inde i pumper kan forårsage kavitation eller problemer med luftslag. Det ville dog være interessant at have en berøringsfri eller friktionsfri tætning til pumper uden ulempen ved gasstrømning ind i pumpeprocessen. Kunne det være muligt at have et eksternt tryksat gasleje med nul flow?
Kompensation
Alle lejer under eksternt tryk har en eller anden form for kompensation. Kompensation er en form for begrænsning, der holder trykket tilbage. Den mest almindelige form for kompensation er brugen af åbninger, men der findes også spor-, trin- og porøs kompensationsteknikker. Kompensation gør det muligt for lejer eller tætningsflader at løbe tæt sammen uden at røre hinanden, fordi jo tættere de kommer, desto højere bliver gastrykket mellem dem, hvilket frastøder fladerne.
Som et eksempel, under et fladt dysekompenseret gasleje (Billede 3), er gennemsnittet
Trykket i mellemrummet vil være lig med den samlede belastning på lejet divideret med lejefladearealet, dette er enhedsbelastningen. Hvis dette kildegastryk er 60 pund pr. kvadrattomme (psi), og lejefladen har et areal på 10 kvadrattomme, og der er 300 pund belastning, vil der være et gennemsnit på 30 psi i lejespalten. Typisk vil mellemrummet være omkring 0,0003 tommer, og fordi mellemrummet er så lille, vil flowet kun være omkring 0,2 standardkubikfod pr. minut (scfm). Fordi der er en dysebegrænser lige før mellemrummet, der holder trykket tilbage i reserve, reduceres lejespalten til omkring 0,0002 tommer, hvis belastningen stiger til 400 pund, hvilket begrænser flowet gennem mellemrummet ned 0,1 scfm. Denne forøgelse af den anden begrænsning giver dysebegrænseren tilstrækkelig flow til at tillade det gennemsnitlige tryk i mellemrummet at stige til 40 psi og understøtte den øgede belastning.
Dette er en gennemskåret sidevisning af et typisk dyseluftleje, der findes i en koordinatmålemaskine (CMM). Hvis et pneumatisk system skal betragtes som et "kompenseret leje", skal det have en begrænsning opstrøms for lejespaltebegrænsningen.
Orifice vs. porøs kompensation
Dysekompensation er den mest anvendte form for kompensation. En typisk dyse kan have en huldiameter på 0,010 tommer, men da den forsyner et par kvadratcentimeter areal, forsyner den et adskillige størrelsesordener mere areal end sig selv, så gashastigheden kan være høj. Ofte er dyser præcist skåret ud af rubiner eller safirer for at undgå erosion af dysestørrelsen og dermed ændringer i lejets ydeevne. Et andet problem er, at ved mellemrum under 0,0002 tommer begynder området omkring dysen at kvæle strømmen til resten af fladen, hvorefter gasfilmen kollapser. Det samme sker ved løft, da kun dyseområdet og eventuelle riller er tilgængelige til at starte løft. Dette er en af hovedårsagerne til, at eksternt tryksatte lejer ikke ses i tætningsplaner.
Dette er ikke tilfældet for det porøse kompenserede leje, i stedet fortsætter stivheden med at
øges efterhånden som belastningen øges, og mellemrummet reduceres, ligesom tilfældet med DGS (Billede 1) og
hydrodynamiske olielejer. I tilfælde af eksternt tryksatte porøse lejer vil lejet være i en balanceret krafttilstand, når indgangstrykket ganget med arealet er lig med den samlede belastning på lejet. Dette er et interessant tribologisk tilfælde, da der er nul løft eller luftgab. Der vil være nul flow, men den hydrostatiske kraft fra lufttrykket mod modfladen under lejets flade aflaster stadig den samlede belastning og resulterer i en næsten nul friktionskoefficient - selvom fladerne stadig er i kontakt.
Hvis for eksempel en grafitforseglingsflade har et areal på 10 kvadrattommer og en lukkekraft på 1.000 pund, og grafitten har en friktionskoefficient på 0,1, ville det kræve 100 pund kraft for at starte bevægelse. Men med en ekstern trykkilde på 100 psi, der føres gennem den porøse grafit til dens overflade, ville der stort set ikke være behov for nogen kraft for at starte bevægelse. Dette på trods af, at der stadig er 1.000 pund lukkekraft, der klemmer de to overflader sammen, og at overfladerne er i fysisk kontakt.
En klasse af glidelejematerialer såsom grafit, kulstof og keramik såsom aluminiumoxid og siliciumcarbider, der er kendt fra turboindustrien og er naturligt porøse, så de kan bruges som eksternt tryksatte lejer, der er ikke-kontakterende væskefilmlejer. Der er en hybridfunktion, hvor eksternt tryk bruges til at afvægte kontakttrykket eller tætningens lukkekraft fra den tribologi, der foregår i de kontaktende tætningsflader. Dette giver pumpeoperatøren mulighed for at justere noget uden for pumpen for at håndtere problematiske applikationer og drift med højere hastigheder, mens der anvendes mekaniske tætninger.
Dette princip gælder også for børster, kommutatorer, excitere eller enhver kontaktleder, der kan bruges til at tage data eller elektrisk strøm på eller fra roterende objekter. Efterhånden som rotorerne roterer hurtigere og løber tør, kan det være vanskeligt at holde disse enheder i kontakt med akslen, og det er ofte nødvendigt at øge fjedertrykket, der holder dem mod akslen. Desværre, især i tilfælde af højhastighedsdrift, resulterer denne stigning i kontaktkraft også i mere varme og slid. Det samme hybridprincip, der anvendes på mekaniske tætningsflader beskrevet ovenfor, kan også anvendes her, hvor fysisk kontakt er nødvendig for elektrisk ledningsevne mellem de stationære og roterende dele. Det eksterne tryk kan bruges ligesom trykket fra en hydraulisk cylinder til at reducere friktionen ved den dynamiske grænseflade, samtidig med at fjederkraften eller lukkekraften, der kræves for at holde børsten eller tætningsfladen i kontakt med den roterende aksel, øges.
Opslagstidspunkt: 21. oktober 2023