Pompen zijn een van de grootste gebruikers van mechanische afdichtingen. Zoals de naam al doet vermoeden, zijn mechanische afdichtingen contactafdichtingen, die zich onderscheiden van aerodynamische of labyrintafdichtingen.Mechanische afdichtingenworden ook wel gekenmerkt als gebalanceerde mechanische afdichting ofongebalanceerde mechanische afdichtingDit verwijst naar welk percentage van de procesdruk, indien aanwezig, achter het stationaire afdichtingsvlak kan komen. Als het afdichtingsvlak niet tegen het draaiende vlak wordt gedrukt (zoals bij een duwafdichting) of als procesvloeistof met de druk die moet worden afgedicht niet achter het afdichtingsvlak kan komen, zou de procesdruk het afdichtingsvlak terugblazen en openbreken. De ontwerper van de afdichting moet rekening houden met alle bedrijfsomstandigheden om een afdichting te ontwerpen met de vereiste sluitkracht, maar niet zo veel dat de belasting van de eenheid op het dynamische afdichtingsvlak te veel hitte en slijtage veroorzaakt. Dit is een delicate balans die de betrouwbaarheid van de pomp maakt of breekt.
de dynamische afdichtingsvlakken door een openingskracht mogelijk te maken in plaats van de conventionele manier van
Het balanceren van de sluitkracht, zoals hierboven beschreven. Dit elimineert de vereiste sluitkracht niet, maar geeft de pompontwerper en -gebruiker een extra draaiknop om te draaien door de afdichtingsvlakken te ontlasten of te ontlasten, terwijl de benodigde sluitkracht behouden blijft. Dit vermindert hitte en slijtage en verruimt de mogelijke bedrijfsomstandigheden.
Droge gasafdichtingen (DGS), vaak gebruikt in compressoren, zorgt voor een openingskracht op de afdichtingsvlakken. Deze kracht wordt gecreëerd door een aerodynamisch lagerprincipe, waarbij fijne pompgroeven helpen om gas van de hogedrukproceszijde van de afdichting in de spleet en over het afdichtingsvlak te brengen als een contactloos vloeistoffilmlager.
De aerodynamische openingskracht van een droog gasafdichtingsvlak. De helling van de lijn is representatief voor de stijfheid bij een spleet. Merk op dat de spleet 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 dynamische excentriciteitsgrafieken van 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 wel aanwezig kunnen zijn in een aerodynamisch DGS-vlak. Er is mogelijk een manier om de principes van extern onder druk staande gaslagers te gebruiken om de sluitkracht van de afdichting te ontlasten.mechanische afdichtingsvlaks.
Kwalitatieve grafieken van vloeistoffilmlagerparameters versus de excentriciteitsverhouding van de lagertap. Stijfheid, K, en demping, D, zijn minimaal wanneer de lagertap zich in het midden van het lager bevindt. Naarmate de lagertap het lageroppervlak nadert, nemen de stijfheid en demping aanzienlijk 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 technologie met externe druk heeft ten minste twee fundamentele voordelen. Ten eerste kan het gas onder druk op een gecontroleerde manier direct tussen de afdichtingsvlakken worden geïnjecteerd in plaats van het gas in de afdichtingsspleet te duwen 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 worden gedrukt, springen ze open voor starten en stoppen zonder wrijving wanneer er direct druk tussen de vlakken wordt geïnjecteerd. Bovendien is het, als de afdichting heet is, mogelijk om met externe druk de druk op het afdichtingsvlak te verhogen. De spleet zou dan evenredig toenemen met de druk, maar de hitte van de schuifspanning zou een derdegraadsfunctie van de spleet hebben. Dit geeft de operator een nieuwe mogelijkheid om warmteontwikkeling tegen te gaan.
Compressoren hebben nog een ander voordeel: er is geen stroming over het afdichtingsvlak, zoals bij een DGS. In plaats daarvan bevindt de hoogste druk zich tussen de afdichtingsvlakken, en stroomt de externe druk de atmosfeer in of ontlucht aan de ene kant en aan de andere kant naar de compressor. Dit verhoogt de betrouwbaarheid doordat het proces buiten de spleet blijft. Bij pompen is dit mogelijk geen voordeel, omdat het ongewenst kan zijn om een samendrukbaar gas in een pomp te persen. Samendrukbare gassen in pompen kunnen cavitatie of luchthamer veroorzaken. Het zou echter interessant zijn om een contactloze of wrijvingsvrije afdichting voor pompen te hebben zonder het nadeel van gasstroming in het pompproces. Zou het mogelijk zijn om een extern onder druk staand gaslager met nul stroming te hebben?
Compensatie
Alle lagers met externe druk 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 zijn ook groef-, stap- en poreuze compensatietechnieken. Compensatie zorgt ervoor dat lagers of afdichtingsvlakken dicht tegen elkaar aan kunnen lopen zonder elkaar te raken. Hoe dichter ze bij elkaar komen, hoe hoger de gasdruk tussen de vlakken wordt, waardoor de vlakken van elkaar af worden geduwd.
Als voorbeeld geldt dat onder een vlak gecompenseerd gaslager (afbeelding 3) de gemiddelde
De druk in de opening is gelijk aan de totale belasting op het lager gedeeld door het oppervlak van het lagervlak; dit is de eenheidsbelasting. Als de druk van dit brongas 60 pond per vierkante inch (psi) is en het lagervlak een oppervlak van 10 vierkante inch heeft en er een belasting van 300 pond is, zal er gemiddeld 30 psi in de lageropening zitten. Normaal gesproken is de opening ongeveer 0,0003 inch, en omdat de opening zo klein is, zal de stroom slechts ongeveer 0,2 standaard kubieke voet per minuut (scfm) zijn. Omdat er zich vlak voor de opening een orifice restrictor bevindt die de druk in reserve houdt, wordt de lageropening verkleind tot ongeveer 0,0002 inch als de belasting toeneemt tot 400 pond, waardoor de stroom door de opening met 0,1 scfm wordt beperkt. Deze toename van de tweede restrictie geeft de orifice restrictor voldoende stroom om de gemiddelde druk in de opening te laten toenemen tot 40 psi en de verhoogde belasting te ondersteunen.
Dit is een zijaanzicht met doorsnede van een typisch luchtlager met een opening in een coördinatenmeetmachine (CMM). Om een pneumatisch systeem als een "gecompenseerd lager" te beschouwen, moet het een restrictie hebben vóór de lagerspleetrestrictie.
Opening versus poreuze compensatie
Orifice compensation is de meest gebruikte vorm van compensatie. Een typische opening kan een gatdiameter hebben van 0,010 inch, maar omdat het een paar vierkante inches aan oppervlakte voedt, voedt het meerdere ordes van grootte meer oppervlakte dan zichzelf, dus de snelheid van het gas kan hoog zijn. Vaak worden openingen nauwkeurig gesneden uit robijnen of saffieren om erosie van de openinggrootte en daarmee veranderingen in de prestaties van het lager te voorkomen. Een ander probleem is dat bij openingen kleiner dan 0,0002 inch het gebied rond de opening de stroming naar de rest van het oppervlak begint te smoren, waarop instorting van de gasfilm optreedt. Hetzelfde gebeurt bij lift-off, aangezien alleen het gebied van de opening en eventuele groeven beschikbaar zijn om lift te initiëren. Dit is een van de belangrijkste redenen waarom extern onder druk staande lagers niet te zien zijn in afdichtingsplannen.
Bij het poreuze gecompenseerde lager is dit niet het geval, in plaats daarvan blijft de stijfheid gelijk.
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 met externe druk, zal het lager zich in een evenwichtsmodus bevinden wanneer de ingaande druk vermenigvuldigd met het oppervlak gelijk is aan de totale belasting op het lager. Dit is een interessant tribologisch geval, aangezien er geen opwaartse kracht of luchtspleet is. Er zal geen stroming zijn, maar de hydrostatische kracht van de luchtdruk tegen het contactoppervlak onder het lagervlak ontlast de totale belasting nog steeds en resulteert in een wrijvingscoëfficiënt van bijna nul, ondanks het feit dat de vlakken nog steeds contact maken.
Als een grafiet afdichtingsvlak bijvoorbeeld een oppervlakte heeft van 10 vierkante inch (ca. 254 cm²) en een sluitkracht van 1000 pond (450 kg) en het grafiet een wrijvingscoëfficiënt van 0,1 heeft, is er 100 pond (450 kg) kracht nodig om de beweging te initiëren. Maar met een externe drukbron van 100 psi (750 kg/cm³) die via het poreuze grafiet naar het vlak wordt geleid, is er in principe geen kracht nodig om de beweging te initiëren. Dit ondanks het feit dat er nog steeds 1000 pond (450 kg) sluitkracht de twee vlakken tegen elkaar drukt en de vlakken fysiek contact maken.
Een klasse glijlagermaterialen zoals grafiet, koolstof en keramiek zoals aluminiumoxide en siliciumcarbide, die bekend zijn in de turbo-industrie en van nature poreus zijn, waardoor ze gebruikt kunnen worden als lagers met externe druk die geen contact maken met vloeistoffilm. 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. Dit stelt de pompoperator in staat om buiten de pomp aanpassingen te doen om probleemtoepassingen en hogere snelheden bij het gebruik van mechanische afdichtingen aan te pakken.
Dit principe is ook van toepassing op borstels, commutatoren, exciters of andere contactgeleiders die worden gebruikt om data of elektrische stromen aan of uit roterende objecten te leiden. Naarmate rotoren sneller draaien en de uitloop toeneemt, kan het moeilijk zijn om deze componenten in contact te houden met de as, en is het vaak nodig om de veerdruk die ze tegen de as houdt te verhogen. Helaas resulteert deze toename in contactkracht, vooral bij hoge snelheden, ook in meer hitte en slijtage. Hetzelfde hybride principe dat hierboven is beschreven voor mechanische afdichtingsvlakken, kan hier ook worden toegepast, waar fysiek contact vereist is voor elektrische geleiding tussen de stationaire en roterende onderdelen. De externe druk kan worden gebruikt, net als de druk van een hydraulische cilinder, om de wrijving op de dynamische interface te verminderen en tegelijkertijd de veerkracht of sluitkracht te verhogen die nodig is om het borstel- of afdichtingsvlak in contact te houden met de roterende as.
Plaatsingstijd: 21-10-2023