Pompen behoren tot de grootste gebruikers van mechanische afdichtingen. Zoals de naam al doet vermoeden, zijn mechanische afdichtingen contactafdichtingen, in tegenstelling tot aerodynamische of labyrintafdichtingen die geen contact maken.Mechanische afdichtingenworden ook wel gekenmerkt als gebalanceerde mechanische afdichting ofongebalanceerde mechanische afdichtingDit verwijst naar het percentage van de procesdruk dat achter het stationaire afdichtingsvlak kan komen. Als het afdichtingsvlak niet tegen het roterende vlak wordt gedrukt (zoals bij een duwafdichting) of als procesvloeistof met de te verzegelen druk niet achter het afdichtingsvlak kan komen, zal de procesdruk het afdichtingsvlak terugduwen en openen. De ontwerper van de afdichting moet rekening houden met alle bedrijfsomstandigheden om een afdichting te ontwerpen met de vereiste sluitkracht, maar niet zo sterk dat de belasting van de unit op het dynamische afdichtingsvlak te veel warmte en slijtage veroorzaakt. Dit is een delicate balans die de betrouwbaarheid van de pomp bepaalt.
De dynamische afdichting maakt het mogelijk om een openingskracht te genereren in plaats van de conventionele methode.
Het balanceren van de sluitkracht, zoals hierboven beschreven. Het elimineert niet de benodigde sluitkracht, maar geeft de pompontwerper en -gebruiker een extra mogelijkheid om de afdichtingsvlakken te ontlasten, terwijl de vereiste sluitkracht behouden blijft. Hierdoor worden warmteontwikkeling en slijtage verminderd en de mogelijke bedrijfsomstandigheden verbreed.
Droge gasafdichtingen (DGS)Deze afdichtingen, die vaak in compressoren worden gebruikt, zorgen voor een openingskracht op de afdichtingsvlakken. Deze kracht wordt gegenereerd door een aerodynamisch lagerprincipe, waarbij fijne pompgroeven helpen om gas vanuit de hogedrukzijde van de afdichting in de spleet te persen en over het afdichtingsvlak te laten stromen als een contactloze vloeistoffilm.
De aerodynamische openingskracht van een droge gasafdichting. De helling van de lijn geeft de stijfheid bij een bepaalde spleetbreedte weer. Merk op dat de spleetbreedte in micrometers is.
Hetzelfde fenomeen doet zich voor in de hydrodynamische olielagers die de meeste grote centrifugaalcompressoren en pomprotoren ondersteunen en is te zien in de door Bentley getoonde grafieken van rotordynamische excentriciteit. Dit effect zorgt voor een stabiele terugslag en is een belangrijk element in het succes van hydrodynamische olielagers en DGS. Mechanische afdichtingen hebben niet de fijne pompgroeven die in een aerodynamisch DGS-vlak te vinden zijn. Er is mogelijk een manier om de principes van extern onder druk staande gaslagers te gebruiken om de sluitkracht van de lagers te verminderen.mechanisch afdichtingsvlaks.
Kwalitatieve grafieken van de parameters van een vloeistoffilmlager versus de excentriciteitsverhouding van de as. De stijfheid, K, en de demping, D, zijn minimaal wanneer de as zich in het midden van het lager bevindt. Naarmate de as het lageroppervlak nadert, nemen de stijfheid en demping dramatisch toe.
Extern gecomprimeerde aerostatische gaslagers maken gebruik van een bron van gecomprimeerd gas, terwijl dynamische lagers de relatieve beweging tussen de oppervlakken gebruiken om spleetdruk te genereren. De extern gecomprimeerde technologie heeft minstens twee fundamentele voordelen. Ten eerste kan het gecomprimeerde gas op gecontroleerde wijze direct tussen de afdichtingsvlakken worden geïnjecteerd, in plaats van het gas in de afdichtingsspleet te persen met ondiepe pompgroeven die beweging vereisen. Dit maakt het mogelijk om de afdichtingsvlakken te scheiden voordat de rotatie begint. Zelfs als de vlakken tegen elkaar aanliggen, zullen ze openspringen voor wrijvingsloze start- en stopbewegingen wanneer er direct druk tussen wordt geïnjecteerd. Bovendien is het mogelijk om, als de afdichting warm wordt, met externe druk de druk op het afdichtingsvlak te verhogen. De spleetbreedte neemt dan evenredig toe met de druk, maar de warmte die ontstaat door afschuiving neemt af met een derdemachtsfunctie van de spleetbreedte. Dit geeft de gebruiker een nieuwe mogelijkheid om warmteontwikkeling tegen te gaan.
Een ander voordeel van compressoren is dat er geen stroming over het afdichtingsvlak plaatsvindt, zoals bij een DGS (Direct Gas Seal). In plaats daarvan is de hoogste druk tussen de afdichtingsvlakken, en de externe druk stroomt naar de atmosfeer of wordt aan de ene kant afgevoerd en aan de andere kant de compressor in. Dit verhoogt de betrouwbaarheid doordat het proces buiten de spleet blijft. Bij pompen is dit mogelijk geen voordeel, omdat het onwenselijk kan zijn om een samendrukbaar gas in een pomp te persen. Samendrukbare gassen in pompen kunnen cavitatie of luchtslag veroorzaken. Het zou echter interessant zijn om een contactloze of wrijvingsloze afdichting voor pompen te hebben zonder het nadeel van gasstroming in het pompproces. Zou het mogelijk zijn om een extern onder druk staand gaslager te hebben met nul stroming?
Compensatie
Alle extern onder druk staande lagers hebben een vorm van compensatie. Compensatie is een vorm van beperking die druk in reserve houdt. De meest voorkomende vorm van compensatie is het gebruik van openingen, maar er bestaan ook groef-, trap- en poreuze compensatietechnieken. Compensatie zorgt ervoor dat lagers of afdichtingsvlakken dicht bij elkaar kunnen bewegen zonder elkaar te raken, omdat hoe dichter ze bij elkaar komen, hoe hoger de gasdruk ertussen wordt, waardoor de vlakken van elkaar worden afgestoten.
Als voorbeeld: onder een gaslager met vlakke opening (Afbeelding 3) is het gemiddelde
De druk in de spleet is gelijk aan de totale belasting op het lager gedeeld door het oppervlak van het lagervlak; dit is de eenheidsbelasting. Als de druk van het brongas 60 pond per vierkante inch (psi) is, het lagervlak een oppervlakte van 10 vierkante inch heeft en er een belasting van 300 pond is, zal de gemiddelde druk in de lagerspleet 30 psi bedragen. De spleet is doorgaans ongeveer 0,0003 inch, en omdat de spleet zo klein is, is de doorstroming slechts ongeveer 0,2 standaard kubieke voet per minuut (scfm). Omdat er vlak voor de spleet een restrictor is die de druk in reserve houdt, wordt de lagerspleet bij een belasting van 400 pond verkleind tot ongeveer 0,0002 inch, waardoor de doorstroming door de spleet met 0,1 scfm wordt beperkt. Deze toename in de tweede restrictie zorgt ervoor dat de restrictor voldoende doorstroming heeft om de gemiddelde druk in de spleet te laten stijgen tot 40 psi en de verhoogde belasting te kunnen dragen.
Dit is een doorsnede van een typisch pneumatisch lager met opening, zoals dat voorkomt in een coördinatenmeetmachine (CMM). Om een pneumatisch systeem als een "gecompenseerd lager" te beschouwen, moet er een vernauwing vóór de vernauwing van de lageropening aanwezig zijn.
Opening versus poreuze compensatie
Orificecompensatie is de meest gebruikte vorm van compensatie. Een typische orifice heeft een gatdiameter van 0,010 inch, maar omdat deze een oppervlakte van enkele vierkante inches voedt, voedt deze een oppervlakte die vele malen groter is dan de orifice zelf, waardoor de gassnelheid hoog kan zijn. Vaak worden orifices nauwkeurig uit robijnen of saffieren gesneden om erosie van de orificegrootte en daarmee veranderingen in de prestaties van het lager te voorkomen. Een ander probleem is dat bij spleten kleiner dan 0,0002 inch het gebied rond de orifice de stroming naar de rest van het oppervlak begint te belemmeren, waardoor de gasfilm instort. Hetzelfde gebeurt bij het loskomen van het lager, omdat dan alleen het oppervlak van de orifice en eventuele groeven beschikbaar zijn om het loskomen te initiëren. Dit is een van de belangrijkste redenen waarom extern onder druk staande lagers niet in afdichtingsplannen voorkomen.
Dit is niet het geval bij het poreuze gecompenseerde lager; in plaats daarvan blijft de stijfheid behouden.
neemt toe naarmate de belasting toeneemt en de kloof kleiner wordt, net zoals bij DGS (Afbeelding 1) en
Hydrodynamische olielagers. Bij poreuze lagers met externe druk bevindt het lager zich in een evenwichtsmodus wanneer de ingangsdruk vermenigvuldigd met het oppervlak gelijk is aan de totale belasting op het lager. Dit is een interessant tribologisch geval, omdat er geen lift of luchtspleet is. Er is geen stroming, maar de hydrostatische kracht van de luchtdruk tegen het tegenoppervlak onder het lagervlak ontlast de totale belasting en resulteert in een wrijvingscoëfficiënt die bijna nul is, ook al zijn de vlakken nog steeds in contact.
Stel bijvoorbeeld dat een grafietafdichting een oppervlakte heeft van 10 vierkante inch en een sluitkracht van 1000 pond, en het grafiet een wrijvingscoëfficiënt van 0,1 heeft. Dan is er 100 pond kracht nodig om de beweging in gang te zetten. Maar met een externe drukbron van 100 psi die door het poreuze grafiet naar het afdichtingsvlak wordt geleid, is er in principe geen kracht meer nodig om de beweging te starten. Dit ondanks het feit dat er nog steeds een sluitkracht van 1000 pond is die de twee vlakken tegen elkaar drukt en dat de vlakken fysiek met elkaar in contact staan.
Een klasse glijlagermaterialen zoals grafiet, koolstof en keramiek zoals aluminiumoxide en siliciumcarbide, die bekend zijn in de turbo-industrie en van nature poreus zijn, kunnen worden gebruikt als extern onder druk staande lagers die fungeren als contactloze vloeistoffilm-lagers. Er bestaat een hybride functie waarbij externe druk wordt gebruikt om de contactdruk of de sluitkracht van de afdichting te compenseren die ontstaat door de tribologische processen die plaatsvinden tussen de contactvlakken van de afdichting. Dit biedt de pompoperator de mogelijkheid om buiten de pomp aanpassingen te doen om problemen in specifieke toepassingen en bij hogere snelheden op te lossen, terwijl er gebruik wordt gemaakt van mechanische afdichtingen.
Dit principe is ook van toepassing op borstels, commutatoren, exciters of andere contactgeleiders die gebruikt worden om data of elektrische stroom van of naar roterende objecten te leiden. Naarmate rotors sneller draaien en de slingering toeneemt, kan het lastig zijn om deze componenten in contact te houden met de as, en is het vaak nodig om de veerdruk te verhogen die ze tegen de as drukt. Helaas leidt deze verhoogde contactkracht, met name bij hoge snelheden, ook tot meer warmteontwikkeling en slijtage. Hetzelfde hybride principe dat hierboven is beschreven voor mechanische afdichtingsvlakken, kan ook hier worden toegepast, waar fysiek contact vereist is voor elektrische geleiding tussen de stationaire en roterende onderdelen. De externe druk kan worden gebruikt, zoals de druk van een hydraulische cilinder, om de wrijving op het dynamische contactvlak te verminderen, terwijl tegelijkertijd de veerkracht of sluitkracht wordt verhoogd die nodig is om de borstel of het afdichtingsvlak in contact te houden met de roterende as.
Geplaatst op: 21 oktober 2023