Pumpe su jedni od najvećih korisnika mehaničkih brtvi. Kao što ime sugerira, mehaničke brtve su kontaktne brtve, koje se razlikuju od aerodinamičnih ili labirintnih beskontaktnih brtvi.Mehaničke brtvetakođer se karakteriziraju kao uravnotežene mehaničke brtve ilinebalansirana mehanička brtvaTo se odnosi na postotak, ako uopće, procesnog tlaka koji se može pojaviti iza stacionarne brtvene površine. Ako se brtvena površina ne pritisne uz rotirajuću površinu (kao kod brtve tipa pusher) ili se procesnoj tekućini pod tlakom koji treba brtviti ne dopusti da dođe iza brtvene površine, procesni tlak će otpuhati brtvenu površinu unatrag i otvoriti je. Projektant brtve mora uzeti u obzir sve radne uvjete kako bi projektirao brtvu s potrebnom silom zatvaranja, ali ne toliko silom da opterećenje jedinice na dinamičkoj brtvenoj površini stvori previše topline i habanja. Ovo je delikatna ravnoteža koja određuje ili umanjuje pouzdanost pumpe.
dinamičke brtvene površine omogućujući silu otvaranja umjesto konvencionalnog načina
uravnoteženje sile zatvaranja, kao što je gore opisano. To ne eliminira potrebnu silu zatvaranja, ali daje konstruktoru pumpe i korisniku još jednu ručku za okretanje omogućujući rasterećenje ili rasterećenje brtvenih površina, uz održavanje potrebne sile zatvaranja, čime se smanjuje toplina i habanje, a istovremeno proširuju mogući radni uvjeti.
Suhi plinski brtvila (DGS), često korišteni u kompresorima, osiguravaju silu otvaranja na površinama brtve. Ova sila stvara se aerodinamičkim principom ležaja, gdje fini žljebovi za pumpanje potiču plin s visokotlačne procesne strane brtve u razmak i preko površine brtve kao beskontaktni ležaj fluidnog filma.
Aerodinamička sila otvaranja ležaja suhe plinske brtvene površine. Nagib linije predstavlja krutost u zazoru. Imajte na umu da je zazor u mikronima.
Isti fenomen javlja se u hidrodinamičkim uljnim ležajevima koji podupiru većinu velikih centrifugalnih kompresora i rotora pumpi, a vidljiv je na dijagramima dinamičke ekscentričnosti rotora koje je prikazao Bently. Ovaj efekt osigurava stabilan povratni graničnik i važan je element uspjeha hidrodinamičkih uljnih ležajeva i DGS-a. Mehaničke brtve nemaju fine žljebove za pumpanje koji se mogu naći u aerodinamičnoj DGS površini. Možda postoji način korištenja principa ležajeva plina pod vanjskim tlakom kako bi se smanjila sila zatvaranja.mehanička brtvena površinas.
Kvalitativni dijagrami parametara ležaja fluidnog filma u odnosu na omjer ekscentriciteta rukavca. Krutost, K, i prigušenje, D, minimalni su kada se rukavac nalazi u središtu ležaja. Kako se rukavac približava površini ležaja, krutost i prigušenje dramatično se povećavaju.
Aerostatski plinski ležajevi s vanjskim tlakom koriste izvor komprimiranog plina, dok dinamički ležajevi koriste relativno gibanje između površina za stvaranje tlaka u razmaku. Tehnologija vanjskog tlaka ima barem dvije temeljne prednosti. Prvo, komprimirani plin može se ubrizgati izravno između brtvenih površina na kontroliran način, umjesto da se plin poticao u razmak brtve plitkim žljebovima za pumpanje koji zahtijevaju gibanje. To omogućuje odvajanje brtvenih površina prije početka rotacije. Čak i ako su površine stisnute jedna prema drugoj, one će se otvoriti bez trenja kada se tlak ubrizga izravno između njih. Osim toga, ako se brtva zagrijava, moguće je vanjskim tlakom povećati tlak na površini brtve. Razmak bi se tada proporcionalno povećavao s tlakom, ali toplina od smicanja padala bi na kubnu funkciju razmaka. To operateru daje novu mogućnost iskorištavanja stvaranja topline.
Postoji još jedna prednost kod kompresora, a to je da nema protoka preko površine brtve kao što je to slučaj kod DGS-a. Umjesto toga, najveći tlak je između brtvenih površina, a vanjski tlak će teći u atmosferu ili se ispuhati na jednu stranu, a u kompresor s druge strane. To povećava pouzdanost sprječavanjem ulaska procesa u jaz. Kod pumpi to možda nije prednost jer može biti nepoželjno prisilno upuhivati stlačivi plin u pumpu. Stlačivi plinovi unutar pumpi mogu uzrokovati probleme s kavitacijom ili zračnim udarom. Bilo bi zanimljivo imati brtvu bez kontakta ili trenja za pumpe bez nedostatka protoka plina u proces pumpe. Bi li bilo moguće imati ležaj plina pod vanjskim tlakom s nultim protokom?
Kompenzacija
Svi ležajevi pod vanjskim tlakom imaju neku vrstu kompenzacije. Kompenzacija je oblik ograničenja koji zadržava tlak u rezervi. Najčešći oblik kompenzacije je korištenje otvora, ali postoje i tehnike kompenzacije utorima, stepenicama i poroznošću. Kompenzacija omogućuje ležajevima ili brtvenim površinama da se približe jedna drugoj bez dodirivanja, jer što su bliže, to je veći tlak plina između njih, što odbija površine.
Na primjer, ispod plinskog ležaja s kompenzacijom ravnog otvora (Slika 3), prosječna
Tlak u rasporu bit će jednak ukupnom opterećenju na ležaju podijeljenom s površinom čeone površine, to je jedinično opterećenje. Ako je tlak ovog izvornog plina 60 funti po kvadratnom inču (psi), a čeona površina ima 10 kvadratnih inča i postoji opterećenje od 300 funti, u rasporu ležaja bit će prosječno 30 psi. Tipično, raspor bi bio oko 0,0003 inča, a budući da je raspor tako mali, protok bi bio samo oko 0,2 standardne kubne stope u minuti (scfm). Budući da se neposredno prije raspora nalazi ograničivač otvora koji drži tlak u rezervi, ako se opterećenje poveća na 400 funti, raspor ležaja smanjuje se na oko 0,0002 inča, ograničavajući protok kroz raspor za 0,1 scfm. Ovo povećanje drugog ograničenja daje ograničivaču otvora dovoljno protoka da omogući povećanje prosječnog tlaka u rasporu na 40 psi i podrži povećano opterećenje.
Ovo je bočni presjek tipičnog zračnog ležaja s otvorom koji se nalazi u koordinatnom mjernom stroju (CMM). Ako se pneumatski sustav 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 opskrbljuje nekoliko četvornih inča površine, opskrbljuje nekoliko redova veličine veću površinu od sebe samog, pa brzina plina može biti velika. Često su otvori precizno izrezani od rubina ili safira kako bi se izbjegla erozija veličine otvora i time promjene u performansama ležaja. Drugi problem je što kod razmaka ispod 0,0002 inča, područje oko otvora počinje gušiti protok do ostatka površine, u kojem trenutku dolazi do kolapsa plinskog filma. Isto se događa pri odlijetanju, jer je samo područje otvora i svi žljebovi dostupni za pokretanje odlijetanja. To je jedan od glavnih razloga zašto se ležajevi pod vanjskim tlakom ne vide u nacrtima brtvljenja.
To nije slučaj kod poroznog kompenziranog ležaja, već krutost i dalje raste
povećavaju se s povećanjem opterećenja i smanjenjem razmaka, baš kao što je slučaj s DGS-om (Slika 1) i
Hidrodinamički uljni ležajevi. U slučaju poroznih ležajeva pod vanjskim tlakom, ležaj će biti u uravnoteženom načinu rada sile kada je ulazni tlak pomnožen s površinom jednak ukupnom opterećenju na ležaju. Ovo je zanimljiv tribološki slučaj jer nema uzgona ili zračnog raspora. Protok će biti nulti, ali hidrostatička sila tlaka zraka na protupovršinu ispod površine ležaja i dalje smanjuje ukupno opterećenje i rezultira gotovo nultim koeficijentom trenja - iako su površine još uvijek u kontaktu.
Na primjer, ako grafitna brtvena površina ima površinu od 10 četvornih inča i 1000 funti sile zatvaranja, a grafit ima koeficijent trenja od 0,1, za pokretanje kretanja bilo bi potrebno 100 funti sile. Ali s vanjskim izvorom tlaka od 100 psi koji se provodi kroz porozni grafit do njegove površine, za pokretanje kretanja u biti ne bi bila potrebna nikakva sila. To je unatoč činjenici da još uvijek postoji 1000 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 silicijevih karbida koji su poznati u turboindustriji i prirodno su porozni pa se mogu koristiti kao ležajevi pod vanjskim tlakom koji su beskontaktni ležajevi s fluidnim filmom. Postoji hibridna funkcija gdje se vanjski tlak koristi za smanjenje kontaktnog tlaka ili sile zatvaranja brtve od tribologije koja se događa u kontaktnim površinama brtve. To omogućuje operateru pumpe da nešto prilagodi izvan pumpe kako bi se nosio s problematičnim primjenama i radom većih brzina pri korištenju mehaničkih brtvi.
Ovo načelo se također odnosi na četkice, komutatore, pobudnike ili bilo koji kontaktni vodič koji se može koristiti za dovod podataka ili električnih struja na ili s 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 tlak opruge koja ih drži uz osovinu. Nažalost, posebno u slučaju rada velikom brzinom, ovo povećanje kontaktne sile također rezultira većim zagrijavanjem i trošenjem. Isti hibridni princip primijenjen na gore opisane površine mehaničkih brtvi može se primijeniti i ovdje, gdje je fizički kontakt potreban za električnu vodljivost između stacionarnih i rotirajućih dijelova. Vanjski tlak može se koristiti poput tlaka iz hidrauličkog cilindra za smanjenje trenja na dinamičkom sučelju, a istovremeno povećati silu opruge ili silu zatvaranja potrebnu za održavanje četkice ili površine brtve u kontaktu s rotirajućom osovinom.
Vrijeme objave: 21. listopada 2023.