روشی جدید برای متعادل کردن سیل های مکانیکی

پمپ ها یکی از بزرگترین کاربران آب بند مکانیکی هستند. همانطور که از نام آن پیداست، مهر و موم های مکانیکی مهر و موم های تماسی هستند که از مهر و موم های غیر تماسی آیرودینامیکی یا لابیرنتی متمایز می شوند.مهر و موم مکانیکیهمچنین به عنوان مهر و موم مکانیکی متعادل یامهر و موم مکانیکی نامتعادل. این به این اشاره دارد که در صورت وجود، چند درصد از فشار فرآیند می تواند در پشت صفحه آب بندی ثابت وارد شود. اگر سطح مهر و موم به وجه در حال چرخش فشار نیاورد (مانند مهر و موم فشاری) یا سیال فرآیند با فشاری که باید آب بندی شود، اجازه نداشته باشد به پشت وجه آب بند برود، فشار فرآیند باعث برگشت سطح آب بند می شود. و باز کنید. طراح مهر و موم باید تمام شرایط عملیاتی را برای طراحی مهر و موم با نیروی بسته شدن لازم اما نه با نیروی زیاد در نظر بگیرد که بارگذاری واحد در وجه سیل دینامیکی گرما و سایش بیش از حد ایجاد کند. این یک تعادل ظریف است که قابلیت اطمینان پمپ را ایجاد یا خراب می کند.

مهر و موم دینامیکی با فعال کردن نیروی باز کردن به جای روش معمولی روبرو می شود
متعادل کردن نیروی بسته شدن، همانطور که در بالا توضیح داده شد. نیروی بسته شدن لازم را از بین نمی برد، اما به طراح و کاربر پمپ یک دستگیره دیگر می دهد تا با اجازه دادن به وزن کشی یا تخلیه سطوح آب بندی، در حالی که نیروی بسته شدن مورد نیاز را حفظ می کند، بچرخد، در نتیجه گرما و سایش را کاهش می دهد و در عین حال شرایط عملیاتی احتمالی را افزایش می دهد.

مهر و موم گاز خشک (DGS)که اغلب در کمپرسورها استفاده می شود، نیروی بازشدن در وجوه آب بندی را فراهم می کند. این نیرو توسط یک اصل یاتاقان آیرودینامیکی ایجاد می شود، جایی که شیارهای پمپاژ ظریف به تشویق گاز از سمت فرآیند پرفشار آب بند، به داخل شکاف و در سراسر سطح آب بندی به عنوان یک یاتاقان فیلم سیال غیر تماسی کمک می کند.

نیروی باز شدن یاتاقان های آیرودینامیکی یک صفحه آب بندی گاز خشک. شیب خط نشان دهنده سفتی در یک شکاف است. توجه داشته باشید که شکاف بر حسب میکرون است.
همین پدیده در یاتاقان‌های روغن هیدرودینامیکی که اکثر کمپرسورهای گریز از مرکز بزرگ و روتورهای پمپ را پشتیبانی می‌کنند، رخ می‌دهد و در نمودارهای خروج از مرکز دینامیکی روتور که توسط Bently نشان داده شده است، دیده می‌شود. . مهر و موم های مکانیکی دارای شیارهای پمپاژ ظریفی نیستند که ممکن است در صورت DGS آیرودینامیکی یافت شود. ممکن است راهی برای استفاده از اصول یاتاقان گاز تحت فشار خارجی وجود داشته باشد تا نیروی بسته شدن را از وزن خارج کند.صورت مکانیکی مهر و مومs.

نمودارهای کیفی پارامترهای یاتاقان فیلم سیال در مقابل نسبت خروج از مرکز مجله. سفتی، K، و میرایی، D، زمانی که ژورنال در مرکز یاتاقان قرار دارد، حداقل هستند. با نزدیک شدن ژورنال به سطح یاتاقان، سفتی و میرایی به طور چشمگیری افزایش می یابد.

یاتاقان‌های گاز آئرواستاتیک تحت فشار خارجی از یک منبع گاز تحت فشار استفاده می‌کنند، در حالی که یاتاقان‌های دینامیکی از حرکت نسبی بین سطوح برای ایجاد فشار شکاف استفاده می‌کنند. فناوری تحت فشار خارجی حداقل دو مزیت اساسی دارد. ابتدا، گاز تحت فشار ممکن است مستقیماً بین صفحات آب بند به صورت کنترل شده تزریق شود، نه اینکه گاز را با شیارهای پمپاژ کم عمقی که نیاز به حرکت دارند، به داخل شکاف آب بندی تشویق کند. این امکان جداسازی سطوح آب بندی را قبل از شروع چرخش فراهم می کند. حتی اگر صفحه ها به هم فشرده شوند، برای شروع اصطکاک صفر باز می شوند و زمانی که فشار مستقیماً بین آنها تزریق شود متوقف می شود. علاوه بر این، اگر آب بند داغ است، می توان با فشار خارجی فشار را به سطح آب بند افزایش داد. سپس شکاف متناسب با فشار افزایش می‌یابد، اما گرمای حاصل از برش روی یک تابع مکعبی از شکاف می‌افتد. این به اپراتور قابلیت جدیدی برای اهرم در برابر تولید گرما می دهد.

مزیت دیگری در کمپرسورها وجود دارد که در آن جریانی مانند DGS وجود ندارد. در عوض، بالاترین فشار بین سطوح آب بند است و فشار خارجی به اتمسفر جریان می یابد یا به یک طرف هوا می رود و از طرف دیگر به کمپرسور می رسد. این امر با دور نگه داشتن فرآیند از شکاف، قابلیت اطمینان را افزایش می دهد. در پمپ ها این ممکن است مزیتی نداشته باشد، زیرا ممکن است فشار دادن یک گاز قابل تراکم به داخل پمپ نامطلوب باشد. گازهای تراکم پذیر داخل پمپ ها می توانند باعث ایجاد کاویتاسیون یا مشکلات چکش هوا شوند. با این حال، داشتن یک مهر و موم بدون تماس یا بدون اصطکاک برای پمپ ها بدون ضرر جریان گاز در فرآیند پمپ جالب خواهد بود. آیا می توان یک بلبرینگ گاز تحت فشار خارجی با جریان صفر داشت؟

غرامت
همه یاتاقان های تحت فشار خارجی نوعی جبران دارند. جبران نوعی محدودیت است که فشار را در ذخیره نگه می دارد. رایج ترین شکل جبران استفاده از روزنه ها است، اما تکنیک های جبران شیار، پله و متخلخل نیز وجود دارد. جبران یاتاقان‌ها یا وجه‌های مهر و موم را قادر می‌سازد تا بدون دست زدن به هم نزدیک شوند، زیرا هرچه نزدیک‌تر شوند، فشار گاز بین آنها بیشتر می‌شود و سطح‌ها را از هم دور می‌کند.

به عنوان مثال، در زیر یک روزنه تخت یاتاقان گاز جبران شده (تصویر 3)، میانگین
فشار در شکاف برابر است با کل بار روی یاتاقان تقسیم بر سطح سطح، این بار واحد است. اگر این فشار گاز منبع 60 پوند بر اینچ مربع (psi) باشد و وجه دارای 10 اینچ مربع مساحت و 300 پوند بار باشد، به طور متوسط ​​30 psi در شکاف یاتاقان وجود خواهد داشت. به طور معمول، شکاف حدود 0.0003 اینچ خواهد بود، و چون شکاف بسیار کوچک است، جریان فقط حدود 0.2 فوت مکعب استاندارد در دقیقه (scfm) خواهد بود. از آنجایی که درست قبل از شکاف که فشار را در ذخیره نگه می‌دارد، یک محدودکننده روزنه وجود دارد، اگر بار به 400 پوند افزایش یابد، شکاف یاتاقان به حدود 0.0002 اینچ کاهش می‌یابد و جریان از طریق شکاف را 0.1 scfm پایین می‌آورد. این افزایش در محدودیت دوم به محدود کننده روزنه جریان کافی می دهد تا فشار متوسط ​​در شکاف تا 40 psi افزایش یابد و بار افزایش یافته را پشتیبانی کند.

این یک نمای جانبی بریده از یک یاتاقان هوای معمولی است که در دستگاه اندازه‌گیری مختصات (CMM) یافت می‌شود. اگر قرار است یک سیستم پنوماتیکی به عنوان "بلبرینگ جبران شده" در نظر گرفته شود، باید یک محدودیت در بالادست محدودیت شکاف یاتاقان داشته باشد.
Orifice در مقابل جبران متخلخل
جبران روزنه پرکاربردترین شکل جبران است. یک روزنه معمولی ممکن است قطر سوراخی برابر با 0.010 اینچ داشته باشد، اما از آنجایی که چند اینچ مربع از مساحت را تغذیه می کند، چندین مرتبه قدر مساحت بیشتری را نسبت به خودش تغذیه می کند، بنابراین سرعت گاز می تواند بالا باشد. اغلب، روزنه ها دقیقاً از یاقوت یا یاقوت کبود بریده می شوند تا از فرسایش اندازه روزنه و بنابراین تغییر در عملکرد بلبرینگ جلوگیری شود. موضوع دیگر این است که در شکاف‌های زیر 0.0002 اینچ، ناحیه اطراف دهانه شروع به خفه کردن جریان به بقیه قسمت‌های صورت می‌کند، در این نقطه فروپاشی فیلم گاز رخ می‌دهد. همین امر در هنگام بلند کردن رخ می‌دهد، زیرا فقط ناحیه سوراخ‌ها رخ می‌دهد. روزنه و هر شیار برای شروع بالابر موجود است. این یکی از دلایل اصلی عدم مشاهده یاتاقان های تحت فشار خارجی در پلان های آب بندی است.

این مورد برای یاتاقان جبران متخلخل نیست، در عوض سفتی همچنان ادامه دارد
همانطور که در مورد DGS (تصویر 1) و
یاتاقان روغن هیدرودینامیک. در مورد یاتاقان‌های متخلخل تحت فشار خارجی، زمانی که فشار ورودی برابر با کل بار بر یاتاقان باشد، یاتاقان در حالت نیروی متعادل قرار می‌گیرد. این یک مورد تریبولوژیکی جالب است زیرا بالابر یا شکاف هوایی صفر وجود دارد. جریان صفر خواهد بود، اما نیروی هیدرواستاتیکی فشار هوا بر روی سطح مقابل در زیر صفحه یاتاقان، بار کلی را کم وزن می کند و منجر به ضریب اصطکاک نزدیک به صفر می شود - حتی اگر سطوح هنوز در تماس باشند.

به عنوان مثال، اگر سطح مهر و موم گرافیتی 10 اینچ مربع و 1000 پوند نیروی بسته شدن داشته باشد و گرافیت دارای ضریب اصطکاک 0.1 باشد، برای شروع حرکت به 100 پوند نیرو نیاز است. اما با یک منبع فشار خارجی 100 psi که از طریق گرافیت متخلخل به سطح آن منتقل می شود، اساساً نیرویی برای شروع حرکت لازم نیست. این در حالی است که هنوز 1000 پوند نیروی بسته کننده وجود دارد که دو صورت را به هم فشار می دهد و چهره ها در تماس فیزیکی هستند.

دسته ای از مواد یاتاقان ساده مانند: گرافیت، کربن ها و سرامیک ها مانند آلومینا و سیلیکون-کاربیدها که در صنایع توربو شناخته شده و به طور طبیعی متخلخل هستند، بنابراین می توان از آنها به عنوان یاتاقان های تحت فشار خارجی که یاتاقان های فیلم سیال غیر تماسی هستند استفاده کرد. یک تابع ترکیبی وجود دارد که در آن از فشار خارجی برای وزن‌زدایی از فشار تماس یا نیروی بسته شدن آب‌بند از تریبولوژی که در وجوه آب‌بند در حال انجام است استفاده می‌شود. این به اپراتور پمپ اجازه می‌دهد تا در خارج از پمپ چیزی را تنظیم کند تا در هنگام استفاده از مهر و موم مکانیکی، با برنامه‌های مشکل‌ساز و عملیات‌های سرعت بالاتر مقابله کند.

این اصل همچنین در مورد برس‌ها، کموتاتورها، محرک‌ها یا هر رسانای تماسی که ممکن است برای گرفتن داده یا جریان الکتریکی روی یا خاموش کردن اجسام در حال چرخش استفاده شود، صدق می‌کند. از آنجایی که روتورها سریع‌تر می‌چرخند و تمام می‌شوند، نگه داشتن این دستگاه‌ها در تماس با شفت دشوار است و اغلب لازم است فشار فنری که آنها را در برابر شفت نگه می‌دارد، افزایش داد. متأسفانه، به خصوص در مورد عملکرد با سرعت بالا، این افزایش نیروی تماسی باعث گرما و سایش بیشتر نیز می شود. همان اصل ترکیبی اعمال شده در وجوه آب بندی مکانیکی که در بالا توضیح داده شد را می توان در اینجا نیز اعمال کرد، جایی که تماس فیزیکی برای هدایت الکتریکی بین قطعات ثابت و دوار لازم است. فشار خارجی را می توان مانند فشار یک سیلندر هیدرولیک برای کاهش اصطکاک در رابط دینامیکی استفاده کرد و در عین حال نیروی فنر یا نیروی بسته شدن مورد نیاز برای حفظ برس یا صفحه آب بندی در تماس با شفت چرخان را افزایش داد.