Pumput ovat yksi suurimmista mekaanisten tiivisteiden käyttäjistä. Kuten nimestä voi päätellä, mekaaniset tiivisteet ovat kosketustiivisteitä, jotka eroavat aerodynaamisista tai labyrinttitiivisteistä, jotka eivät kosketa.Mekaaniset tiivisteetovat myös ominaisia tasapainotetuiksi mekaanisiksi tiivisteiksi taiepätasapainotettu mekaaninen tiivisteTämä viittaa siihen, kuinka suuri osa prosessipaineesta, jos lainkaan, pääsee kiinteän tiivistepinnan taakse. Jos tiivistepintaa ei paineta pyörivää pintaa vasten (kuten työntötiivisteessä) tai tiivistettävän paineen alaisena oleva prosessineste ei pääse tiivistepinnan taakse, prosessipaine puhaltaa tiivistepinnan taaksepäin ja aukeaa. Tiivisteen suunnittelijan on otettava huomioon kaikki käyttöolosuhteet suunnitellakseen tiivisteen, jolla on vaadittu sulkeutumisvoima, mutta ei niin suuri voima, että yksikön kuormitus dynaamisessa tiivistepinnassa aiheuttaa liikaa lämpöä ja kulumista. Tämä on herkkä tasapaino, joka tekee pumpun luotettavuudesta joko ratkaisevan tai rikkoo sen.
dynaamiset tiivistepinnat mahdollistamalla avausvoiman perinteisen tavan sijaan
tasapainottamalla sulkuvoimaa, kuten edellä on kuvattu. Se ei poista tarvittavaa sulkuvoimaa, mutta antaa pumpun suunnittelijalle ja käyttäjälle toisen käännettävän nupin mahdollistamalla tiivistepintojen painon keventämisen tai kuormituksen vähentämisen samalla, kun tarvittava sulkuvoima säilyy, mikä vähentää lämpöä ja kulumista ja laajentaa mahdollisia käyttöolosuhteita.
Kuivakaasutiivisteet (DGS), joita käytetään usein kompressoreissa, tarjoavat avautumisvoiman tiivistepinnoille. Tämä voima syntyy aerodynaamisen laakeriperiaatteen avulla, jossa hienot pumppausurat auttavat kaasun virtaamisessa tiivisteen korkeapaineprosessipuolelta rakoon ja tiivisteen pinnan poikki kosketuksettoman nestekalvolaakerin tavoin.
Kuivan kaasun tiivistepinnan aerodynaaminen laakerin avausvoima. Viivan kulmakerroin kuvaa jäykkyyttä raossa. Huomaa, että rako on mikroneina.
Sama ilmiö esiintyy hydrodynaamisissa öljylaakereissa, jotka tukevat useimpia suuria keskipakoiskompressoreita ja pumppujen roottoreita, ja se näkyy Bentlyn esittämissä roottorin dynaamisissa epäkeskisyyskäyrissä. Tämä ilmiö tarjoaa vakaan takaisinpysäytyksen ja on tärkeä tekijä hydrodynaamisten öljylaakereiden ja DGS:n menestyksessä. Mekaanisissa tiivisteissä ei ole hienoja pumppausuria, joita saattaa löytyä aerodynaamisesta DGS-pinnasta. Ulkoisesti paineistettujen kaasulaakereiden periaatteita voidaan mahdollisesti käyttää sulkemisvoiman keventämiseksi.mekaaninen tiivistepintas.
Laadulliset kuvaajat nestekalvolaakerin parametreista laakerin akselin epäkeskisyyssuhteen funktiona. Jäykkyys K ja vaimennus D ovat pienimmät, kun laakeri on laakerin keskellä. Kun laakeri lähestyy laakerin pintaa, jäykkyys ja vaimennus kasvavat dramaattisesti.
Ulkoisesti paineistetuissa aerostaattisissa kaasulaakereissa käytetään paineistettua kaasua, kun taas dynaamisissa laakereissa käytetään pintojen välistä suhteellista liikettä rakopaineen luomiseen. Ulkoisesti paineistetulla teknologialla on ainakin kaksi perustavanlaatuista etua. Ensinnäkin paineistettu kaasu voidaan ruiskuttaa suoraan tiivistepintojen väliin hallitusti sen sijaan, että kaasua ohjattaisiin tiivisterakoon matalilla pumppausurilla, jotka vaativat liikettä. Tämä mahdollistaa tiivistepintojen erottamisen ennen pyörimisen alkamista. Vaikka pinnat puristuisivat yhteen, ne ponnahtavat auki kitkattomaan käynnistykseen ja pysähtymiseen, kun painetta ruiskutetaan suoraan niiden väliin. Lisäksi, jos tiiviste kuumenee, on mahdollista lisätä painetta tiivisteen pintaan ulkoisella paineella. Rako kasvaisi sitten suhteessa paineeseen, mutta leikkauslämpö osuisi rakoon kuutiofunktiona. Tämä antaa käyttäjälle uuden mahdollisuuden hyödyntää lämmöntuotantoa.
Kompressoreissa on toinenkin etu: niissä ei ole virtausta pinnan poikki, kuten DGS:ssä. Sen sijaan korkein paine on tiivistepintojen välissä, ja ulkoinen paine virtaa ilmakehään tai purkautuu toiselle puolelle ja kompressoriin toiselta puolelta. Tämä lisää luotettavuutta pitämällä prosessin poissa raosta. Pumpuissa tämä ei välttämättä ole etu, koska puristettavan kaasun pakottaminen pumppuun voi olla ei-toivottavaa. Pumppujen sisällä olevat puristettavat kaasut voivat aiheuttaa kavitaatiota tai ilmaiskuja. Olisi kuitenkin mielenkiintoista saada kosketukseton tai kitkaton tiiviste pumpuille ilman kaasun virtauksen haittaa pumpun prosessiin. Olisiko mahdollista saada ulkoisesti paineistettu kaasulaakeri, jossa ei ole virtausta?
Korvaus
Kaikissa ulkoisesti paineistetuissa laakereissa on jonkinlainen kompensointi. Kompensointi on rajoituksen muoto, joka pitää paineen varalla. Yleisin kompensointitapa on aukkojen käyttö, mutta on olemassa myös ura-, porras- ja huokoisia kompensointitekniikoita. Kompensointi mahdollistaa laakerien tai tiivistepintojen sijaitsemisen lähellä toisiaan koskettamatta toisiaan, koska mitä lähemmäksi ne tulevat, sitä korkeampi on niiden välinen kaasunpaine, mikä työntää pintoja erilleen.
Esimerkiksi tasaisen aukon kompensoiman kaasulaakerin alla (kuva 3) keskimääräinen
Raon paine on yhtä suuri kuin laakerin kokonaiskuormitus jaettuna laakeripinnan pinta-alalla, tämä on yksikkökuormitus. Jos tämän lähdekaasun paine on 60 paunaa neliötuumaa kohden (psi) ja laakeripinnan pinta-ala on 10 neliötuumaa ja kuorma on 300 paunaa, laakerin raossa on keskimäärin 30 psi. Tyypillisesti rako olisi noin 0,0003 tuumaa, ja koska rako on niin pieni, virtaus olisi vain noin 0,2 standardikuutiojalkaa minuutissa (scfm). Koska juuri ennen rakoa on aukkokuristin, joka pitää paineen varalla, jos kuormitus kasvaa 400 paunaan, laakerin rako pienenee noin 0,0002 tuumaan, mikä rajoittaa virtausta raon läpi 0,1 scfm:iin. Tämä toisen rajoittimen kasvu antaa aukkokuristimelle riittävästi virtausta, jotta raon keskimääräinen paine voi nousta 40 psi:iin ja tukea lisääntynyttä kuormitusta.
Tämä on tyypillisen koordinaattimittauskoneessa (CMM) olevan aukolla varustetun ilmalaakerin sivultapäin otettu leikkauskuva. Jos pneumaattista järjestelmää voidaan pitää "kompensoituna laakerina", siinä on oltava rajoitin laakerivälyksen rajoittimen ylävirtaan.
Aukko vs. huokoinen kompensointi
Aukon kompensointi on yleisimmin käytetty kompensointimuoto. Tyypillisen aukon reiän halkaisija voi olla 0,010 tuumaa, mutta koska se syöttää muutaman neliötuuman kokoista aluetta, se syöttää useita kertaluokkia suurempaa aluetta kuin itse kaasu, joten kaasun nopeus voi olla suuri. Usein aukot leikataan tarkasti rubiineista tai safiireista, jotta vältetään aukon koon eroosio ja siten laakerin suorituskyvyn muutokset. Toinen ongelma on, että alle 0,0002 tuuman raoilla aukon ympärillä oleva alue alkaa tukahduttaa virtauksen muualle pintaan, jolloin kaasukalvo romahtaa. Sama tapahtuu nostoliikkeen aikana, koska vain aukon alue ja mahdolliset urat ovat käytettävissä nostoliikkeen aloittamiseen. Tämä on yksi tärkeimmistä syistä, miksi ulkoisesti paineistettuja laakereita ei nähdä tiivistesuunnitelmissa.
Tämä ei päde huokoiseen kompensoituun laakeriin, vaan jäykkyys jatkaa
kasvaa kuormituksen kasvaessa ja rakoa pienentäen, aivan kuten DGS:n tapauksessa (kuva 1) ja
hydrodynaamiset öljylaakerit. Ulkoisesti paineistetuissa huokoisissa laakereissa laakeri on tasapainotetussa voimatilassa, kun syöttöpaine kerrottuna pinta-alalla on yhtä suuri kuin laakerin kokonaiskuormitus. Tämä on mielenkiintoinen tribologinen tapaus, koska nostovoimaa tai ilmarakoa ei ole. Virtaus on nolla, mutta ilmanpaineen hydrostaattinen voima laakerin pinnan alla olevaa vastapintaa vasten keventää silti kokonaiskuorman ja johtaa lähes nollakitkakertoimeen – vaikka pinnat ovat edelleen kosketuksissa toisiinsa.
Esimerkiksi jos grafiittitiivistepinnan pinta-ala on 10 neliötuumaa ja sen sulkuvoima on 1 000 paunaa ja grafiitin kitkakerroin on 0,1, liikkeen käynnistämiseen tarvittaisiin 100 paunan voima. Mutta jos huokoisen grafiitin läpi kuljetetaan ulkoinen 100 psi:n paine, liikkeen käynnistämiseen ei tarvittaisi käytännössä mitään voimaa. Tämä siitä huolimatta, että pintoja puristaa edelleen 1 000 paunan sulkuvoima ja pinnat ovat fyysisessä kosketuksessa toisiinsa.
Liukulaakerimateriaalien luokka, kuten grafiitti, hiili ja keramiikka, kuten alumiinioksidi ja piikarbidit, jotka ovat tunnettuja turboahdinteollisuudessa ja jotka ovat luonnostaan huokoisia, joten niitä voidaan käyttää ulkoisesti paineistettuina laakereina, jotka ovat kosketuksettomia nestekalvolaakereita. Hybriditoiminnossa ulkoista painetta käytetään poistamaan kosketuspaine tai tiivisteen sulkeutumisvoima kosketuspinnoilla tapahtuvasta tribologiasta. Tämä antaa pumpun käyttäjälle mahdollisuuden säätää pumpun ulkopuolella ongelmallisten sovellusten ja nopeampien toimintojen käsittelemiseksi mekaanisia tiivisteitä käytettäessä.
Tämä periaate pätee myös harjoihin, kommutaattoreihin, herättimiin tai mihin tahansa kosketusjohtimeen, jota voidaan käyttää datan tai sähkövirtojen siirtämiseen pyöriviin kappaleisiin tai niistä pois. Kun roottorit pyörivät nopeammin ja niiden käyntinopeus kasvaa, näiden laitteiden pitäminen kosketuksissa akseliin voi olla vaikeaa, ja usein on tarpeen lisätä niitä akselia vasten pitävää jousivoimaa. Valitettavasti, erityisesti suurnopeuskäytössä, tämä kosketusvoiman kasvu johtaa myös lisääntyneeseen lämpöön ja kulumiseen. Samaa edellä kuvattua mekaanisiin tiivistepintoihin sovellettua hybridiperiaatetta voidaan soveltaa myös tässä, jossa fyysinen kosketus vaaditaan sähkönjohtavuudelle kiinteiden ja pyörivien osien välillä. Ulkoista painetta voidaan käyttää kuten hydraulisylinterin painetta kitkan vähentämiseksi dynaamisessa rajapinnassa samalla kun lisätään jousivoimaa tai sulkeutumisvoimaa, jota tarvitaan harjan tai tiivistepinnan pitämiseksi kosketuksissa pyörivän akselin kanssa.
Julkaisun aika: 21.10.2023