Les bombes són un dels majors usuaris de segells mecànics. Com el seu nom indica, els segells mecànics són segells de tipus contacte, diferenciats dels segells aerodinàmics o laberíntics sense contacte.Segells mecànicstambé es caracteritzen com a segell mecànic equilibrat osegell mecànic desequilibratAixò fa referència al percentatge de la pressió del procés, si n'hi ha, que pot passar per darrere de la cara del segellat estacionari. Si la cara del segellat no es pressiona contra la cara giratòria (com en un segellat tipus empenyidor) o no es permet que el fluid del procés a la pressió que cal segellar arribi per darrere de la cara del segellat, la pressió del procés faria volar la cara del segellat cap enrere i s'obriria. El dissenyador del segellat ha de tenir en compte totes les condicions de funcionament per dissenyar un segellat amb la força de tancament necessària, però no tanta força que la càrrega unitària a la cara del segellat dinàmic creï massa calor i desgast. Aquest és un equilibri delicat que fa que la bomba tingui més o menys fiabilitat.
les cares de segellat dinàmic permetent una força d'obertura en lloc de la manera convencional de
equilibrant la força de tancament, tal com s'ha descrit anteriorment. No elimina la força de tancament necessària, però proporciona al dissenyador i a l'usuari de la bomba un altre botó per girar permetent alliberar el pes o descarregar les cares del segellat, tot mantenint la força de tancament necessària, reduint així la calor i el desgast alhora que amplia les possibles condicions de funcionament.
Segells de gas sec (DGS), sovint utilitzats en compressors, proporcionen una força d'obertura a les cares del segell. Aquesta força es crea mitjançant un principi de coixinet aerodinàmic, on unes fines ranures de bombament ajuden a afavorir el pas del gas des del costat del procés d'alta pressió del segell cap a l'espai i a través de la cara del segell com un coixinet de pel·lícula de fluid sense contacte.
La força d'obertura aerodinàmica del coixinet d'una cara de segellat de gas sec. El pendent de la línia és representatiu de la rigidesa en un espai. Tingueu en compte que l'espai és en micres.
El mateix fenomen es produeix en els coixinets d'oli hidrodinàmics que suporten la majoria de compressors centrífugs grans i rotors de bombes, i es veu en els diagrames d'excentricitat dinàmica del rotor mostrats per Bently. Aquest efecte proporciona una topada estable i és un element important per a l'èxit dels coixinets d'oli hidrodinàmics i els segells mecànics DGS. Els segells mecànics no tenen les ranures de bombament fines que es podrien trobar en una cara DGS aerodinàmica. Pot haver-hi una manera d'utilitzar principis de coixinets de gas pressuritzats externament per alleugerir la força de tancament del...cara del segell mecànics.
Gràfics qualitatius dels paràmetres dels coixinets fluid-pel·lícula en funció de la relació d'excentricitat del fus. La rigidesa, K, i l'amortiment, D, són mínims quan el fus es troba al centre del coixinet. A mesura que el fus s'acosta a la superfície del coixinet, la rigidesa i l'amortiment augmenten dràsticament.
Els coixinets de gas aerostàtics pressuritzats externament utilitzen una font de gas pressuritzat, mentre que els coixinets dinàmics utilitzen el moviment relatiu entre les superfícies per generar pressió de l'espai. La tecnologia de pressurització externa té almenys dos avantatges fonamentals. En primer lloc, el gas pressuritzat es pot injectar directament entre les cares del segell de manera controlada en lloc d'afavorir l'entrada de gas a l'espai del segell amb ranures de bombament poc profundes que requereixen moviment. Això permet separar les cares del segell abans que comenci la rotació. Fins i tot si les cares estan apretades, s'obriran per a arrencades i aturades sense fricció quan s'injecta pressió directament entre elles. A més, si el segell s'està escalfant, és possible amb pressió externa augmentar la pressió a la cara del segell. L'espai augmentaria proporcionalment amb la pressió, però la calor del cisallament cauria sobre una funció cúbica de l'espai. Això dóna a l'operador una nova capacitat per aprofitar contra la generació de calor.
Hi ha un altre avantatge en els compressors, ja que no hi ha flux a través de la cara com passa en un DGS. En canvi, la pressió més alta es troba entre les cares del segell, i la pressió externa fluirà cap a l'atmosfera o es ventilarà cap a un costat i cap al compressor des de l'altre costat. Això augmenta la fiabilitat mantenint el procés fora de l'espai. En les bombes, això pot no ser un avantatge, ja que pot ser indesitjable forçar un gas compressible a entrar en una bomba. Els gasos compressibles dins de les bombes poden causar problemes de cavitació o martells d'aire. Tanmateix, seria interessant tenir un segell sense contacte o sense fricció per a bombes sense el desavantatge del flux de gas cap al procés de la bomba. Podria ser possible tenir un coixinet de gas pressuritzat externament amb flux zero?
Compensació
Tots els coixinets pressuritzats externament tenen algun tipus de compensació. La compensació és una forma de restricció que manté la pressió en reserva. La forma més comuna de compensació és l'ús d'orificis, però també hi ha tècniques de compensació de ranura, esglaó i porositat. La compensació permet que els coixinets o les cares del segellat funcionin junts sense tocar-se, perquè com més a prop s'acosten, més alta és la pressió del gas entre ells, repel·lint les cares.
Per exemple, sota un coixinet de gas compensat amb orifici pla (Imatge 3), la mitjana
La pressió a l'espai serà igual a la càrrega total sobre el coixinet dividida per l'àrea de la cara, això és la càrrega unitària. Si aquesta pressió de gas font és de 60 lliures per polzada quadrada (psi) i la cara té 10 polzades quadrades d'àrea i hi ha 300 lliures de càrrega, hi haurà una mitjana de 30 psi a l'espai del coixinet. Normalment, l'espai seria d'unes 0,0003 polzades, i com que l'espai és tan petit, el flux només seria d'uns 0,2 peus cúbics estàndard per minut (scfm). Com que hi ha un restrictor d'orifici just abans de l'espai que manté la pressió en reserva, si la càrrega augmenta a 400 lliures, l'espai del coixinet es redueix a unes 0,0002 polzades, restringint el flux a través de l'espai 0,1 scfm. Aquest augment en la segona restricció dóna al restrictor d'orifici prou flux per permetre que la pressió mitjana a l'espai augmenti a 40 psi i suporti l'augment de càrrega.
Aquesta és una vista lateral en tall d'un coixinet d'aire d'orifici típic que es troba en una màquina de mesurar per coordenades (CMM). Si un sistema pneumàtic s'ha de considerar un "coixinet compensat", ha de tenir una restricció aigües amunt de la restricció del joc del coixinet.
Compensació d'orifici vs. porós
La compensació d'orificis és la forma de compensació més utilitzada. Un orifici típic pot tenir un diàmetre de forat de 0,010 polzades, però com que alimenta uns quants centímetres quadrats d'àrea, alimenta diversos ordres de magnitud més àrea que ell mateix, de manera que la velocitat del gas pot ser alta. Sovint, els orificis es tallen amb precisió a partir de robins o safirs per evitar l'erosió de la mida de l'orifici i, per tant, canvis en el rendiment del coixinet. Un altre problema és que a buits inferiors a 0,0002 polzades, l'àrea al voltant de l'orifici comença a obstruir el flux cap a la resta de la cara, moment en què es produeix el col·lapse de la pel·lícula de gas. El mateix passa en l'aixecament, ja que només l'àrea de l'orifici i les ranures estan disponibles per iniciar l'aixecament. Aquesta és una de les principals raons per les quals els coixinets pressuritzats externament no es veuen en els plànols de segellat.
Aquest no és el cas del coixinet porós compensat, sinó que la rigidesa continua
augmenten a mesura que augmenta la càrrega i es redueix el buit, tal com passa amb DGS (Imatge 1) i
Rodaments d'oli hidrodinàmics. En el cas de rodaments porosos pressuritzats externament, el rodament estarà en un mode de força equilibrada quan la pressió d'entrada multiplicada per l'àrea sigui igual a la càrrega total sobre el rodament. Aquest és un cas tribològic interessant, ja que hi ha sustentació o entreferro zero. Hi haurà flux zero, però la força hidrostàtica de la pressió de l'aire contra la superfície contrària sota la cara del rodament encara alleugereix la càrrega total i resulta en un coeficient de fricció gairebé zero, tot i que les cares encara estan en contacte.
Per exemple, si una cara de segellat de grafit té una superfície de 10 polzades quadrades i 1.000 lliures de força de tancament i el grafit té un coeficient de fricció de 0,1, caldrien 100 lliures de força per iniciar el moviment. Però amb una font de pressió externa de 100 psi portada a través del grafit porós fins a la seva cara, la força necessària seria essencialment zero per iniciar el moviment. Això malgrat que encara hi ha 1.000 lliures de força de tancament que comprimeixen les dues cares i que les cares estan en contacte físic.
Una classe de materials de coixinets lliscants com ara: grafit, carbonis i ceràmiques com l'alúmina i els carburs de silici que són coneguts per les turboindústries i són naturalment porosos, de manera que es poden utilitzar com a coixinets pressuritzats externament que són coixinets de pel·lícula de fluid sense contacte. Hi ha una funció híbrida on s'utilitza pressió externa per desgravar la pressió de contacte o la força de tancament del segell de la tribologia que es produeix a les cares del segell en contacte. Això permet a l'operador de la bomba ajustar alguna cosa fora de la bomba per fer front a aplicacions problemàtiques i operacions de més alta velocitat mentre utilitza segells mecànics.
Aquest principi també s'aplica a les escombretes, commutadors, excitadors o qualsevol conductor de contacte que es pugui utilitzar per prendre dades o corrents elèctrics dins o fora d'objectes giratoris. A mesura que els rotors giren més ràpid i l'excés de velocitat augmenta, pot ser difícil mantenir aquests dispositius en contacte amb l'eix, i sovint cal augmentar la pressió de la molla que els manté contra l'eix. Malauradament, especialment en el cas d'un funcionament a alta velocitat, aquest augment de la força de contacte també provoca més calor i desgast. El mateix principi híbrid aplicat a les cares del segell mecànic descrit anteriorment també es pot aplicar aquí, on es requereix contacte físic per a la conductivitat elèctrica entre les parts estacionàries i giratòries. La pressió externa es pot utilitzar com la pressió d'un cilindre hidràulic per reduir la fricció a la interfície dinàmica mentre s'augmenta la força de la molla o la força de tancament necessària per mantenir la cara del raspall o del segell en contacte amb l'eix giratori.
Data de publicació: 21 d'octubre de 2023