Čerpadlá sú jedným z najväčších používateľov mechanických upchávok. Ako už názov napovedá, mechanické upchávky sú kontaktné upchávky, ktoré sa líšia od aerodynamických alebo labyrintových bezkontaktných upchávok.Mechanické upchávkysú tiež charakterizované ako vyvážené mechanické tesnenie alebonevyvážené mechanické tesnenieToto sa vzťahuje na to, aké percento, ak vôbec nejaké, procesného tlaku sa môže dostať za stacionárnu tesniacu plochu. Ak tesniaca plocha nie je tlačená proti rotujúcej ploche (ako v prípade tlačného tesnenia) alebo ak sa procesná kvapalina s tlakom, ktorý je potrebné utesniť, nedostane za tesniacu plochu, procesný tlak by tesniacu plochu odfúkol späť a otvoril ju. Konštruktér tesnenia musí zvážiť všetky prevádzkové podmienky, aby navrhol tesnenie s požadovanou uzatváracou silou, ale nie s takou veľkou silou, aby zaťaženie jednotky na dynamickej tesniacej ploche nevytváralo príliš veľa tepla a opotrebenia. Toto je krehká rovnováha, ktorá určuje alebo znižuje spoľahlivosť čerpadla.
dynamické tesniace plochy tým, že umožňujú otváraciu silu namiesto konvenčného spôsobu
vyváženie uzatváracej sily, ako je opísané vyššie. Neodstraňuje potrebnú uzatváraciu silu, ale poskytuje konštruktérovi a používateľovi čerpadla ďalší gombík na otáčanie tým, že umožňuje odľahčenie tesniacich plôch pri zachovaní potrebnej uzatváracej sily, čím sa znižuje teplo a opotrebenie a zároveň sa rozširujú možné prevádzkové podmienky.
Suché plynové tesnenia (DGS), často používané v kompresoroch, vytvárajú otváraciu silu na tesniacich plochách. Táto sila je vytvorená princípom aerodynamického ložiska, kde jemné čerpacie drážky pomáhajú privádzať plyn z vysokotlakovej procesnej strany tesnenia do medzery a cez plochu tesnenia ako bezkontaktné ložisko s fluidným filmom.
Aerodynamická otváracia sila ložiska čelnej plochy suchého plynového tesnenia. Sklon čiary predstavuje tuhosť v medzere. Medzera je vyjadrená v mikrónoch.
Rovnaký jav sa vyskytuje v hydrodynamických olejových ložiskách, ktoré podopierajú väčšinu veľkých odstredivých kompresorov a rotorov čerpadiel, a je viditeľný na grafoch dynamickej excentricity rotora, ktoré znázornil Bently. Tento efekt zabezpečuje stabilný spätný doraz a je dôležitým prvkom úspechu hydrodynamických olejových ložísk a DGS. Mechanické upchávky nemajú jemné čerpacie drážky, ktoré by sa mohli nachádzať v aerodynamickej ploche DGS. Môže existovať spôsob, ako použiť princípy externe stlačeného plynového ložiska na odľahčenie uzatváracej sily z...čelná strana mechanického tesnenias.
Kvalitatívne grafy parametrov ložiska s fluidným filmom v závislosti od pomeru excentricity čapu. Tuhosť K a tlmenie D sú minimálne, keď sa čap nachádza v strede ložiska. Ako sa čap blíži k povrchu ložiska, tuhosť a tlmenie sa dramaticky zvyšujú.
Externe tlakované aerostatické plynové ložiská využívajú zdroj tlakového plynu, zatiaľ čo dynamické ložiská využívajú relatívny pohyb medzi povrchmi na generovanie tlaku v medzere. Technológia externého tlaku má najmenej dve základné výhody. Po prvé, tlakový plyn sa môže vstrekovať priamo medzi tesniace plochy kontrolovaným spôsobom, namiesto toho, aby sa plyn vháňal do tesniacej medzery plytkými čerpacími drážkami, ktoré vyžadujú pohyb. To umožňuje oddeliť tesniace plochy pred začatím otáčania. Aj keď sú plochy stlačené k sebe, pri priamom vstreknutí tlaku medzi ne sa otvoria, čím sa dosiahne nulové trenie. Okrem toho, ak je tesnenie horúce, je možné pomocou externého tlaku zvýšiť tlak na plochu tesnenia. Medzera by sa potom úmerne zväčšovala s tlakom, ale teplo zo šmyku by dopadalo na kocku medzery. To dáva operátorovi novú možnosť využiť prostriedky proti vytváraniu tepla.
Ďalšou výhodou kompresorov je, že nedochádza k prietoku cez tesniacu plochu, ako je to v prípade DGS. Namiesto toho je najvyšší tlak medzi tesniacimi plochami a vonkajší tlak prúdi do atmosféry alebo sa odvetráva na jednu stranu a do kompresora z druhej strany. To zvyšuje spoľahlivosť tým, že sa proces udrží mimo medzery. V čerpadlách to nemusí byť výhoda, pretože môže byť nežiaduce vtláčať stlačiteľný plyn do čerpadla. Stlačiteľné plyny vo vnútri čerpadiel môžu spôsobiť problémy s kavitáciou alebo vzduchovým rázom. Bolo by však zaujímavé mať bezkontaktné alebo beztrecie tesnenie pre čerpadlá bez nevýhody prúdenia plynu do procesu čerpadla. Mohlo by byť možné mať externe tlakované plynové ložisko s nulovým prietokom?
Kompenzácia
Všetky ložiská vystavené vonkajšiemu tlaku majú nejaký druh kompenzácie. Kompenzácia je forma obmedzenia, ktorá udržiava tlak v rezerve. Najbežnejšou formou kompenzácie je použitie otvorov, ale existujú aj techniky kompenzácie s drážkami, stupnicami a pórmi. Kompenzácia umožňuje ložiskám alebo tesniacim plochám pohybovať blízko seba bez toho, aby sa dotýkali, pretože čím sú bližšie, tým vyšší je tlak plynu medzi nimi, čo odpudzuje plochy od seba.
Napríklad pod plynovým ložiskom s kompenzáciou plochého otvoru (obrázok 3) je priemerná
Tlak v medzere sa bude rovnať celkovému zaťaženiu ložiska delenému plochou čela, čo je jednotkové zaťaženie. Ak je tlak tohto zdrojového plynu 60 libier na štvorcový palec (psi) a čelo má plochu 10 štvorcových palcov a zaťaženie je 300 libier, v medzere ložiska bude priemerný tlak 30 psi. Medzera by typicky bola približne 0,0003 palca a pretože je medzera taká malá, prietok by bol iba približne 0,2 štandardnej kubickej stopy za minútu (scfm). Pretože tesne pred medzerou sa nachádza obmedzovač otvoru, ktorý drží tlak v rezerve, ak sa zaťaženie zvýši na 400 libier, medzera ložiska sa zníži na približne 0,0002 palca, čím sa prietok cez medzeru obmedzí o 0,1 scfm. Toto zvýšenie druhého obmedzenia poskytne obmedzovaču otvoru dostatočný prietok na to, aby sa priemerný tlak v medzere zvýšil na 40 psi a uniesol zvýšené zaťaženie.
Toto je bočný pohľad v reze na typické vzduchové ložisko s otvorom, ktoré sa nachádza v súradnicovom meracom stroji (CMM). Ak sa má pneumatický systém považovať za „kompenzované ložisko“, musí mať pred obmedzením medzery ložiska obmedzenie.
Kompenzácia otvorov verzus pórov
Kompenzácia otvoru je najpoužívanejšou formou kompenzácie. Typický otvor môže mať priemer otvoru 0,010 palca, ale keďže napája plochu niekoľkých štvorcových centimetrov, napája o niekoľko rádov väčšiu plochu ako on sám, takže rýchlosť plynu môže byť vysoká. Otvory sú často presne vyrezané z rubínov alebo zafírov, aby sa zabránilo erózii veľkosti otvoru a tým zmenám vo výkone ložiska. Ďalším problémom je, že pri medzerách menších ako 0,0002 palca začína oblasť okolo otvoru obmedzovať tok do zvyšku čelnej plochy, v takom prípade dochádza ku kolapsu plynového filmu. To isté sa deje pri zdvihnutí, pretože na spustenie zdvihu je k dispozícii iba oblasť otvoru a prípadné drážky. To je jeden z hlavných dôvodov, prečo sa ložiská s externým tlakom nenachádzajú v plánoch tesnení.
To neplatí pre pórovité kompenzované ložisko, namiesto toho tuhosť naďalej rastie
zvyšujú sa so zvyšujúcim sa zaťažením a zmenšujú sa medzery, rovnako ako v prípade DGS (obrázok 1) a
Hydrodynamické olejové ložiská. V prípade pórovitých ložísk s vonkajším tlakom bude ložisko v režime vyváženej sily, keď sa vstupný tlak vynásobí plochou a rovná sa celkovému zaťaženiu ložiska. Ide o zaujímavý tribologický prípad, pretože je tu nulový vztlak ani vzduchová medzera. Prietok bude nulový, ale hydrostatická sila tlaku vzduchu pôsobiaca na protiľahlú plochu pod čelnou plochou ložiska stále odľahčuje celkové zaťaženie a vedie k takmer nulovému koeficientu trenia – aj keď sú čelné plochy stále v kontakte.
Napríklad, ak má grafitová tesniaca plocha plochu 10 štvorcových palcov a uzatváraciu silu 1 000 libier a grafit má koeficient trenia 0,1, na spustenie pohybu by bolo potrebných 100 libier sily. Ale s externým zdrojom tlaku 100 psi, ktorý by prechádzal cez pórovitý grafit k jeho ploche, by na spustenie pohybu nebola potrebná v podstate nulová sila. A to aj napriek tomu, že stále existuje 1 000 libier uzatváracej sily, ktorá stlačí obe plochy k sebe a že plochy sú vo fyzickom kontakte.
Trieda materiálov pre klzné ložiská, ako sú: grafit, uhlíky a keramika, ako napríklad oxid hlinitý a karbidy kremíka, ktoré sú známe v turbopriemysle a sú prirodzene pórovité, takže sa môžu používať ako externe tlakované ložiská, ktoré sú bezkontaktnými ložiskami s fluidným filmom. Existuje hybridná funkcia, kde sa externý tlak používa na odľahčenie kontaktného tlaku alebo uzatváracej sily tesnenia od tribológie, ktorá prebieha na kontaktných plochách tesnenia. To umožňuje obsluhe čerpadla niečo upraviť mimo čerpadla, aby sa vysporiadala s problémovými aplikáciami a prevádzkou pri vyšších rýchlostiach pri použití mechanických tesnení.
Táto zásada platí aj pre kefy, komutátory, budiče alebo akýkoľvek kontaktný vodič, ktorý sa môže použiť na prenos dát alebo elektrických prúdov na rotujúce objekty alebo z nich. Keď sa rotory otáčajú rýchlejšie a ich biceps sa zvyšuje, môže byť ťažké udržať tieto zariadenia v kontakte s hriadeľom a často je potrebné zvýšiť tlak pružiny, ktorá ich drží na hriadeli. Bohužiaľ, najmä v prípade vysokorýchlostnej prevádzky, toto zvýšenie kontaktnej sily vedie aj k väčšiemu zahrievaniu a opotrebovaniu. Rovnaký hybridný princíp, ktorý sa uplatňuje pri vyššie opísaných mechanických tesniacich plochách, sa dá uplatniť aj tu, kde je pre elektrickú vodivosť medzi stacionárnymi a rotujúcimi časťami potrebný fyzický kontakt. Vonkajší tlak sa môže použiť podobne ako tlak z hydraulického valca na zníženie trenia na dynamickom rozhraní a zároveň sa zvyšuje sila pružiny alebo uzatváracia sila potrebná na udržanie kefy alebo tesniacej plochy v kontakte s rotujúcim hriadeľom.
Čas uverejnenia: 21. októbra 2023