Pumpe su jedni od najvećih korisnika mehaničkih zaptivki. Kao što i samo ime govori, mehaničke zaptivke su kontaktne zaptivke, koje se razlikuju od aerodinamičnih ili labirintnih beskontaktnih zaptivki.Mehaničke brtvese također karakteriziraju kao uravnoteženo mehaničko zaptivanje ilinebalansirano mehaničko zaptivanjeOvo se odnosi na to koji procenat, ako uopšte postoji, procesnog pritiska može doći iza stacionarne površine zaptivke. Ako površina zaptivke nije pritisnuta uz rotirajuću površinu (kao kod zaptivke tipa gurača) ili ako procesna tečnost pod pritiskom koji treba da se zaptivka ne sme da dođe iza površine zaptivke, procesni pritisak bi potisnuo površinu zaptivke unazad i otvorio je. Projektant zaptivke mora uzeti u obzir sve radne uslove kako bi dizajnirao zaptivku sa potrebnom silom zatvaranja, ali ne toliko silom da opterećenje jedinice na dinamičkoj površini zaptivke stvori previše toplote i habanja. Ovo je delikatna ravnoteža koja određuje ili umanjuje pouzdanost pumpe.
dinamičke zaptivne površine omogućavajući silu otvaranja umjesto konvencionalnog načina
uravnoteženje sile zatvaranja, kao što je gore opisano. To ne eliminira potrebnu silu zatvaranja, ali daje dizajneru i korisniku pumpe još jednu ručku za okretanje omogućavajući rasterećenje ili rasterećenje površina zaptivki, uz održavanje potrebne sile zatvaranja, čime se smanjuje toplina i habanje, a istovremeno proširuju mogući radni uslovi.
Suhi plinski zaptivači (DGS), često korišteni u kompresorima, obezbjeđuju silu otvaranja na površinama zaptivke. Ova sila se stvara principom aerodinamičkog ležaja, gdje fini žljebovi za pumpanje pomažu u podsticanju gasa sa strane zaptivke pod visokim pritiskom u zazor i preko površine zaptivke kao beskontaktni ležaj fluidnog filma.
Aerodinamička sila otvaranja ležaja suhe plinske zaptivne površine. Nagib linije predstavlja krutost u zazoru. Treba napomenuti da je zazor u mikronima.
Isti fenomen se javlja u hidrodinamičkim uljnim ležajevima koji podržavaju većinu velikih centrifugalnih kompresora i rotora pumpi, a vidi se na dijagramima dinamičke ekscentričnosti rotora koje je prikazao Bently. Ovaj efekat omogućava stabilan povratni graničnik i važan je element uspjeha hidrodinamičkih uljnih ležajeva i DGS-a. Mehanička brtvila nemaju fine žljebove za pumpanje koji se mogu naći na aerodinamičnoj površini DGS-a. Možda postoji način da se koriste principi ležajeva plina pod vanjskim pritiskom kako bi se smanjila sila zatvaranja odmehanička zaptivna površinas.
Kvalitativni dijagrami parametara ležaja fluidnog filma u odnosu na omjer ekscentriciteta rukavca. Krutost, K, i prigušenje, D, su minimalni kada se rukavac nalazi u središtu ležaja. Kako se rukavac približava površini ležaja, krutost i prigušenje se dramatično povećavaju.
Aerostatički plinski ležajevi s vanjskim pritiskom koriste izvor plina pod pritiskom, dok dinamički ležajevi koriste relativno kretanje između površina za generiranje pritiska u zazoru. Tehnologija vanjskog pritiska ima najmanje dvije fundamentalne prednosti. Prvo, plin pod pritiskom može se ubrizgati direktno između površina zaptivke na kontroliran način, umjesto da se plin uvodi u zazor zaptivke plitkim žljebovima za pumpanje koji zahtijevaju kretanje. To omogućava odvajanje površina zaptivke prije početka rotacije. Čak i ako su površine stisnute jedna prema drugoj, one će se otvoriti bez trenja kada se pritisak ubrizga direktno između njih. Osim toga, ako se zaptivka pregrije, moguće je vanjskim pritiskom povećati pritisak na površinu zaptivke. Zazor bi se tada proporcionalno povećavao s pritiskom, ali toplina od smicanja bi padala na kubnu funkciju zazora. To daje operateru novu mogućnost da se izbori sa stvaranjem topline.
Postoji još jedna prednost kod kompresora, a to je da nema protoka preko površine zaptivke kao što je to slučaj kod DGS-a. Umjesto toga, najveći pritisak je između površina zaptivke, a vanjski pritisak će teći u atmosferu ili se ispuštati na jednu stranu, a u kompresor s druge strane. Ovo povećava pouzdanost tako što sprečava proces da uđe u zazor. Kod pumpi ovo možda nije prednost jer može biti nepoželjno forsirati kompresibilni gas u pumpu. Komprimovatelni gasovi unutar pumpi mogu uzrokovati probleme sa kavitacijom ili vazdušnim čekićem. Međutim, bilo bi zanimljivo imati beskontaktno ili zaptivku bez trenja za pumpe bez nedostatka protoka gasa u proces pumpe. Da li bi bilo moguće imati ležaj gasa pod vanjskim pritiskom sa nultim protokom?
Kompenzacija
Svi ležajevi pod vanjskim pritiskom imaju neku vrstu kompenzacije. Kompenzacija je oblik ograničenja koji zadržava pritisak u rezervi. Najčešći oblik kompenzacije je upotreba otvora, ali postoje i tehnike kompenzacije žljebovima, stepenicama i poroznošću. Kompenzacija omogućava ležajevima ili površinama zaptivki da se približavaju jedna drugoj bez dodirivanja, jer što su bliže, to je veći pritisak plina između njih, što odbija površine.
Na primjer, ispod ležaja s kompenzacijom plina s ravnim otvorom (Slika 3), prosječna
Pritisak u zazoru bit će jednak ukupnom opterećenju na ležaju podijeljenom s površinom čeone površine, ovo je jedinično opterećenje. Ako je pritisak ovog izvornog plina 60 funti po kvadratnom inču (psi), a čeona površina ima 10 kvadratnih inča i postoji opterećenje od 300 funti, u zazoru ležaja bit će prosječno 30 psi. Tipično, zazor bi bio oko 0,0003 inča, a budući da je zazor tako mali, protok bi bio samo oko 0,2 standardne kubne stope u minuti (scfm). Budući da se neposredno prije zazora nalazi ograničivač otvora koji drži pritisak u rezervi, ako se opterećenje poveća na 400 funti, zazor ležaja se smanjuje na oko 0,0002 inča, ograničavajući protok kroz zazor za 0,1 scfm. Ovo povećanje drugog ograničenja daje ograničivaču otvora dovoljno protoka da omogući da se prosječni pritisak u zazoru poveća na 40 psi i podrži povećano opterećenje.
Ovo je bočni presjek tipičnog otvornog zračnog ležaja koji se nalazi u koordinatnoj mjernoj mašini (CMM). Ako se pneumatski sistem smatra "kompenziranim ležajem", mora imati ograničenje uzvodno od ograničenja zazora ležaja.
Kompenzacija otvora u odnosu na poroznost
Kompenzacija otvora je najčešće korišten oblik kompenzacije. Tipičan otvor može imati promjer rupe od 0,010 inča, ali budući da napaja nekoliko kvadratnih inča površine, napaja nekoliko redova veličine veću površinu od sebe samog, tako da brzina plina može biti velika. Često se otvori precizno izrezuju od rubina ili safira kako bi se izbjegla erozija veličine otvora i time promjene u performansama ležaja. Drugi problem je što kod zazora ispod 0,0002 inča, područje oko otvora počinje gušiti protok do ostatka površine, u kom trenutku dolazi do kolapsa plinskog filma. Isto se događa pri odlijetanju, jer je samo područje otvora i svi žljebovi dostupni za pokretanje odlijetanja. Ovo je jedan od glavnih razloga zašto se ležajevi pod vanjskim pritiskom ne vide u planovima zaptivki.
To nije slučaj kod poroznog kompenziranog ležaja, umjesto toga krutost i dalje raste
povećavaju se kako se opterećenje povećava, a jaz se smanjuje, baš kao što je slučaj sa DGS-om (Slika 1) i
Hidrodinamički uljni ležajevi. U slučaju poroznih ležajeva pod vanjskim pritiskom, ležaj će biti u režimu uravnotežene sile kada je ulazni pritisak pomnožen sa površinom jednak ukupnom opterećenju na ležaju. Ovo je zanimljiv tribološki slučaj jer nema uzgona ili zračnog raspora. Protok će biti nulti, ali hidrostatička sila zračnog pritiska na kontra površinu ispod površine ležaja i dalje smanjuje ukupno opterećenje i rezultira koeficijentom trenja gotovo nultom - iako su površine i dalje u kontaktu.
Na primjer, ako grafitna brtvena površina ima površinu od 10 kvadratnih inča i 1.000 funti sile zatvaranja, a grafit ima koeficijent trenja od 0,1, bilo bi potrebno 100 funti sile da bi se pokrenulo kretanje. Ali sa vanjskim izvorom pritiska od 100 psi koji bi se provodio kroz porozni grafit do njegove površine, u suštini ne bi bila potrebna nikakva sila za pokretanje kretanja. Ovo je uprkos činjenici da i dalje postoji 1.000 funti sile zatvaranja koja stišće dvije površine zajedno i da su površine u fizičkom kontaktu.
Klasa materijala za klizne ležajeve kao što su: grafit, ugljik i keramika poput aluminijevog oksida i silicijum-karbida koji su poznati u turbo industriji i prirodno su porozni, tako da se mogu koristiti kao ležajevi pod vanjskim pritiskom koji su beskontaktni ležajevi s fluidnim filmom. Postoji hibridna funkcija gdje se vanjski pritisak koristi za smanjenje kontaktnog pritiska ili sile zatvaranja zaptivke od tribologije koja se dešava na kontaktnim površinama zaptivke. Ovo omogućava operateru pumpe da nešto prilagodi izvan pumpe kako bi se nosio s problematičnim primjenama i radom većih brzina pri korištenju mehaničkih zaptivki.
Ovaj princip se također primjenjuje na četkice, komutatore, pobuđivače ili bilo koji kontaktni provodnik koji se može koristiti za dovod podataka ili električnih struja na ili sa rotirajućih objekata. Kako se rotori brže okreću i povećava se njihovo istrošenost, može biti teško održati ove uređaje u kontaktu s osovinom, te je često potrebno povećati pritisak opruge koja ih drži uz osovinu. Nažalost, posebno u slučaju rada velikom brzinom, ovo povećanje kontaktne sile također rezultira većim zagrijavanjem i habanjem. Isti hibridni princip koji se primjenjuje na mehaničke zaptivne površine opisane gore može se primijeniti i ovdje, gdje je potreban fizički kontakt za električnu provodljivost između stacionarnih i rotirajućih dijelova. Vanjski pritisak se može koristiti poput pritiska iz hidrauličnog cilindra za smanjenje trenja na dinamičkom interfejsu, a istovremeno povećavati silu opruge ili silu zatvaranja potrebnu za održavanje četkice ili zaptivne površine u kontaktu s rotirajućom osovinom.
Vrijeme objave: 21. oktobar 2023.