pompen zijn een van de grootste gebruikers van mechanische afdichtingen. Zoals de naam al doet vermoeden, zijn mechanische afdichtingen contactafdichtingen, onderscheidend van aerodynamische of labyrint-contactloze afdichtingen.Mechanische afdichtingenworden ook gekenmerkt als gebalanceerde mechanische afdichting ofongebalanceerde mechanische afdichting. Dit verwijst naar welk percentage van de procesdruk, indien aanwezig, achter het stationaire afdichtingsvlak kan komen. Als het afdichtingsvlak niet tegen het draaiende oppervlak wordt gedrukt (zoals bij een afdichting van het duwtype) of als de procesvloeistof met de druk die moet worden afgedicht niet achter het afdichtingsvlak mag komen, zou de procesdruk het afdichtingsvlak terugblazen en geopend. De afdichtingsontwerper moet rekening houden met alle bedrijfsomstandigheden om een afdichting te ontwerpen met de vereiste sluitkracht, maar niet zo veel kracht dat de belasting van de unit op het dynamische afdichtingsvlak te veel hitte en slijtage veroorzaakt. Dit is een delicaat evenwicht dat de betrouwbaarheid van de pomp maakt of breekt.
de dynamische afdichting is gericht door een openingskracht mogelijk te maken in plaats van op de conventionele manier
het balanceren van de sluitkracht, zoals hierboven beschreven. Het elimineert de vereiste sluitkracht niet, maar geeft de pompontwerper en gebruiker een andere knop om aan te draaien, waardoor de afdichtingsvlakken kunnen worden verzwaard of ontlast, terwijl de benodigde sluitkracht behouden blijft, waardoor hitte en slijtage worden verminderd en de mogelijke bedrijfsomstandigheden worden vergroot.
Droge gasafdichtingen (DGS), vaak gebruikt in compressoren, zorgen voor een openingskracht op de afdichtingsvlakken. Deze kracht wordt gecreëerd door een aerodynamisch lagerprincipe, waarbij fijne pompgroeven ervoor zorgen dat gas van de hogedrukproceszijde van de afdichting naar de opening en over het oppervlak van de afdichting wordt geleid als een contactloos vloeistoffilmlager.
De aerodynamische openingskracht van een droog gasafdichtingsvlak. De helling van de lijn is representatief voor de stijfheid bij een opening. Merk op dat de opening in microns is.
Hetzelfde fenomeen doet zich voor in de hydrodynamische olielagers die de meeste grote centrifugaalcompressoren en pomprotoren ondersteunen en is te zien in de dynamische excentriciteitsgrafieken van de rotor, weergegeven door Bently. Dit effect zorgt voor een stabiele terugloopstop en is een belangrijk element in het succes van hydrodynamische olielagers en DGS . Mechanische afdichtingen hebben niet de fijne pompgroeven die je wel aantreft in een aerodynamisch DGS-vlak. Er kan een manier zijn om gaslagerprincipes onder druk van buitenaf te gebruiken om de sluitkracht van de sluitkracht te verminderenvlak van mechanische afdichtings.
Kwalitatieve grafieken van vloeistoffilmlagerparameters versus de excentriciteitsverhouding van het tijdschrift. Stijfheid, K, en demping, D, zijn minimaal wanneer de tap zich in het midden van het lager bevindt. Naarmate de tap het lageroppervlak nadert, nemen de stijfheid en demping dramatisch toe.
Aerostatische gaslagers met externe druk maken gebruik van een bron van gas onder druk, terwijl dynamische lagers de relatieve beweging tussen de oppervlakken gebruiken om spleetdruk te genereren. De extern onder druk staande technologie heeft minstens twee fundamentele voordelen. Ten eerste kan het onder druk staande gas op een gecontroleerde manier rechtstreeks tussen de afdichtingsvlakken worden geïnjecteerd in plaats van het gas in de afdichtingsspleet te stimuleren met ondiepe pompgroeven die beweging vereisen. Dit maakt het mogelijk de afdichtingsvlakken te scheiden voordat de rotatie begint. Zelfs als de vlakken in elkaar zijn gewrongen, springen ze open zodat er geen wrijving ontstaat en stopt wanneer er direct druk tussen wordt geïnjecteerd. Als de afdichting heet wordt, is het bovendien mogelijk om met externe druk de druk op de voorkant van de afdichting te vergroten. De opening zou dan proportioneel toenemen met de druk, maar de warmte van de afschuiving zou vallen op een derdemachtsfunctie van de opening. Dit geeft de operator een nieuwe mogelijkheid om warmteontwikkeling tegen te gaan.
Er is nog een voordeel bij compressoren, omdat er geen stroming over het oppervlak is, zoals bij een DGS. In plaats daarvan bevindt de hoogste druk zich tussen de afdichtingsvlakken en zal de externe druk de atmosfeer in stromen of vanaf de andere kant naar de compressor ontsnappen. Dit verhoogt de betrouwbaarheid door het proces buiten de gaten te houden. Bij pompen hoeft dit geen voordeel te zijn, aangezien het onwenselijk kan zijn een samendrukbaar gas in een pomp te dwingen. Samendrukbare gassen in pompen kunnen cavitatie- of luchtslagproblemen veroorzaken. Het zou echter interessant zijn om een contactloze of wrijvingsvrije afdichting voor pompen te hebben zonder het nadeel van gasstroom in het pompproces. Zou het mogelijk zijn om een extern onder druk staand gaslager te hebben zonder stroming?
Compensatie
Alle extern onder druk staande lagers hebben een soort compensatie. Compensatie is een vorm van beperking die de druk in reserve houdt. De meest voorkomende vorm van compensatie is het gebruik van openingen, maar er zijn ook groef-, trap- en poreuze compensatietechnieken. Door compensatie kunnen lagers of afdichtingsvlakken dicht bij elkaar lopen zonder elkaar te raken, want hoe dichter ze bij elkaar komen, hoe hoger de gasdruk daartussen wordt, waardoor de vlakken uit elkaar worden afgestoten.
Als voorbeeld: onder een gaslager met vlakke opening (Afbeelding 3), het gemiddelde
De druk in de opening zal gelijk zijn aan de totale belasting op het lager gedeeld door het vlakoppervlak, dit is de eenheidsbelasting. Als deze brongasdruk 60 pond per vierkante inch (psi) is en het vlak een oppervlakte van 10 vierkante inch heeft en er is een belasting van 300 pond, zal er gemiddeld 30 psi in de lageropening zitten. Typisch zou de tussenruimte ongeveer 0,0003 inch zijn, en omdat de tussenruimte zo klein is, zou de stroom slechts ongeveer 0,2 standaard kubieke voet per minuut (scfm) zijn. Omdat er vlak voor de opening een openingsbegrenzer is die de druk in reserve houdt, wordt, als de belasting toeneemt tot 400 pond, de lageropening teruggebracht tot ongeveer 0,0002 inch, waardoor de stroom door de opening met 0,1 scfm wordt beperkt. Deze toename van de tweede restrictie geeft de openingsrestrictor voldoende stroom om de gemiddelde druk in de opening te laten toenemen tot 40 psi en de toegenomen belasting te ondersteunen.
Dit is een opengewerkt zijaanzicht van een typisch luchtlager met opening dat wordt aangetroffen in een coördinatenmeetmachine (CMM). Als een pneumatisch systeem als een “gecompenseerd lager” moet worden beschouwd, moet het een beperking hebben stroomopwaarts van de beperking van de lagerspleet.
Opening versus poreuze compensatie
Openingscompensatie is de meest gebruikte vorm van compensatie. Een typische opening kan een gatdiameter hebben van 0,010 inch, maar omdat deze een oppervlak van enkele vierkante centimeters voedt, voedt deze verschillende ordes van grootte meer oppervlak dan hijzelf, dus de snelheid van het gas kan hoog zijn. Vaak worden de openingen nauwkeurig uit robijnen of saffieren gesneden om erosie van de openinggrootte en dus veranderingen in de prestaties van het lager te voorkomen. Een ander probleem is dat bij openingen van minder dan 0,0002 inch het gebied rond de opening de stroom naar de rest van het oppervlak begint te verstikken, op welk punt het instorten van de gasfilm plaatsvindt. Hetzelfde gebeurt bij het opstijgen, aangezien alleen het gebied van de gasfilm opening en eventuele groeven zijn beschikbaar om de lift te initiëren. Dit is een van de belangrijkste redenen waarom extern onder druk staande lagers niet voorkomen in afdichtingsplannen.
Dit is niet het geval voor het poreuze gecompenseerde lager, maar de stijfheid blijft bestaan
toenemen naarmate de belasting toeneemt en de opening kleiner wordt, net zoals het geval is bij DGS (Afbeelding 1) en
hydrodynamische olielagers. In het geval van poreuze lagers die onder externe druk staan, bevindt het lager zich in een gebalanceerde krachtmodus wanneer de ingangsdruk maal het oppervlak gelijk is aan de totale belasting op het lager. Dit is een interessant tribologisch geval, aangezien er geen sprake is van lift of luchtspleet. Er zal geen stroming zijn, maar de hydrostatische kracht van de luchtdruk tegen het tegenoppervlak onder het vlak van het lager weegt nog steeds de totale belasting en resulteert in een wrijvingscoëfficiënt van bijna nul, ook al zijn de vlakken nog steeds in contact.
Als een grafietafdichtingsvlak bijvoorbeeld een oppervlak heeft van 10 vierkante inch en een sluitkracht van 1000 pond en het grafiet een wrijvingscoëfficiënt van 0,1 heeft, zou er 100 pond kracht nodig zijn om beweging te initiëren. Maar met een externe drukbron van 100 psi die door het poreuze grafiet naar de voorkant wordt geleid, zou er in wezen geen kracht nodig zijn om beweging te initiëren. Dit ondanks het feit dat er nog steeds een sluitkracht van 1000 pond is die de twee vlakken samendrukt en dat de vlakken fysiek contact maken.
Een klasse glijlagermaterialen zoals: grafiet, koolstof en keramiek zoals aluminiumoxide en siliciumcarbiden die bekend zijn in de turbo-industrie en van nature poreus zijn, zodat ze kunnen worden gebruikt als lagers onder externe druk die geen contact maken met vloeistoffilmlagers. Er is een hybride functie waarbij externe druk wordt gebruikt om de contactdruk of de sluitkracht van de afdichting te ontlasten van de tribologie die plaatsvindt in de contactvlakken van de afdichting. Hierdoor kan de pompoperator iets buiten de pomp aanpassen om probleemtoepassingen en hogere snelheden aan te pakken bij gebruik van mechanische afdichtingen.
Dit principe is ook van toepassing op borstels, commutatoren, exciters of andere contactgeleiders die kunnen worden gebruikt om gegevens of elektrische stromen naar of van roterende objecten te leiden. Naarmate rotoren sneller draaien en meer leeg raken, kan het moeilijk zijn om deze apparaten in contact te houden met de as, en is het vaak nodig om de veerdruk te verhogen die ze tegen de as houdt. Helaas resulteert deze toename van de contactkracht, vooral bij gebruik op hoge snelheid, ook in meer hitte en slijtage. Hetzelfde hybride principe toegepast op de hierboven beschreven mechanische afdichtingsvlakken kan hier ook worden toegepast, waar fysiek contact vereist is voor elektrische geleiding tussen de stationaire en roterende delen. De externe druk kan worden gebruikt zoals de druk van een hydraulische cilinder om de wrijving op het dynamische grensvlak te verminderen, terwijl toch de veerkracht of sluitkracht wordt vergroot die nodig is om het borstel- of afdichtingsvlak in contact te houden met de roterende as.
Posttijd: 21 oktober 2023