Le pompe sono tra i maggiori utilizzatori di tenute meccaniche. Come suggerisce il nome, le tenute meccaniche sono tenute a contatto, a differenza delle tenute aerodinamiche o a labirinto, che non sono a contatto.Tenute meccanichesono caratterizzati anche come tenuta meccanica bilanciata otenuta meccanica sbilanciataQuesto si riferisce alla percentuale, se presente, della pressione di processo che può arrivare dietro la faccia di tenuta fissa. Se la faccia di tenuta non viene spinta contro la faccia rotante (come in una tenuta a spinta) o se al fluido di processo alla pressione che deve essere sigillata non viene consentito di passare dietro la faccia di tenuta, la pressione di processo spingerebbe indietro la faccia di tenuta e la aprirebbe. Il progettista della tenuta deve considerare tutte le condizioni operative per progettare una tenuta con la forza di chiusura richiesta, ma non così elevata da causare eccessivo calore e usura dovuti al carico unitario sulla faccia di tenuta dinamica. Questo è un delicato equilibrio che determina l'affidabilità della pompa.
le facce della guarnizione dinamica consentono una forza di apertura anziché il metodo convenzionale di
bilanciando la forza di chiusura, come descritto sopra. Non elimina la forza di chiusura necessaria, ma fornisce al progettista della pompa e all'utente un ulteriore strumento da utilizzare, consentendo di alleggerire o scaricare le superfici di tenuta, mantenendo al contempo la forza di chiusura necessaria, riducendo così calore e usura e ampliando le possibili condizioni operative.
Guarnizioni a gas secco (DGS), spesso utilizzati nei compressori, forniscono una forza di apertura sulle superfici di tenuta. Questa forza è creata da un principio di cuscinetto aerodinamico, in cui sottili scanalature di pompaggio aiutano a spingere il gas dal lato di processo ad alta pressione della tenuta all'interno dell'intercapedine e attraverso la superficie della tenuta come cuscinetto a film fluido senza contatto.
Forza di apertura aerodinamica del cuscinetto di una superficie di tenuta a gas secco. La pendenza della linea è rappresentativa della rigidità in corrispondenza di un gioco. Si noti che il gioco è espresso in micron.
Lo stesso fenomeno si verifica nei cuscinetti idrodinamici a olio che supportano la maggior parte dei grandi compressori centrifughi e dei rotori delle pompe ed è visibile nei grafici dell'eccentricità dinamica del rotore mostrati da Bently. Questo effetto fornisce un arresto di ritorno stabile ed è un elemento importante per il successo dei cuscinetti idrodinamici a olio e dei DGS. Le tenute meccaniche non hanno le sottili scanalature di pompaggio che potrebbero essere presenti in una faccia DGS aerodinamica. Potrebbe esserci un modo per utilizzare i principi dei cuscinetti a gas pressurizzati esternamente per alleggerire la forza di chiusura dalfaccia della tenuta meccanicas.
Grafici qualitativi dei parametri del cuscinetto a film fluido in funzione del rapporto di eccentricità del perno. La rigidezza, K, e lo smorzamento, D, sono minimi quando il perno si trova al centro del cuscinetto. Man mano che il perno si avvicina alla superficie del cuscinetto, rigidezza e smorzamento aumentano drasticamente.
I cuscinetti aerostatici a gas pressurizzati esternamente impiegano una fonte di gas in pressione, mentre i cuscinetti dinamici sfruttano il movimento relativo tra le superfici per generare la pressione di interstizio. La tecnologia a pressione esterna presenta almeno due vantaggi fondamentali. In primo luogo, il gas in pressione può essere iniettato direttamente tra le facce della tenuta in modo controllato, anziché essere spinto all'interno dell'interstizio tramite scanalature di pompaggio poco profonde che richiedono movimento. Ciò consente di separare le facce della tenuta prima dell'inizio della rotazione. Anche se le facce sono serrate, si apriranno di scatto per avviamenti e arresti senza attrito quando la pressione viene iniettata direttamente tra di esse. Inoltre, se la tenuta si surriscalda, è possibile aumentare la pressione sulla faccia della tenuta con una pressione esterna. L'interstizio aumenterebbe quindi proporzionalmente alla pressione, ma il calore generato dal taglio si distribuirebbe su una funzione cubica dell'interstizio. Ciò offre all'operatore una nuova possibilità di contrastare la generazione di calore.
Un altro vantaggio dei compressori è che non c'è flusso attraverso la superficie come avviene in un DGS. Invece, la pressione più elevata si verifica tra le superfici di tenuta e la pressione esterna fluirà nell'atmosfera o sfocerà da un lato e nel compressore dall'altro. Questo aumenta l'affidabilità mantenendo il processo al di fuori dello spazio. Nelle pompe, questo potrebbe non essere un vantaggio in quanto potrebbe essere indesiderato forzare un gas comprimibile nella pompa. I gas comprimibili all'interno delle pompe possono causare problemi di cavitazione o colpo d'ariete. Sarebbe interessante, tuttavia, avere una tenuta senza contatto o senza attrito per le pompe, senza lo svantaggio del flusso di gas nel processo della pompa. Sarebbe possibile avere un cuscinetto per gas pressurizzato esternamente con portata nulla?
Compensazione
Tutti i cuscinetti sottoposti a pressione esterna presentano una qualche forma di compensazione. La compensazione è una forma di restrizione che trattiene la pressione come riserva. La forma di compensazione più comune è l'uso di orifizi, ma esistono anche tecniche di compensazione a scanalatura, a gradino e porose. La compensazione consente ai cuscinetti o alle superfici di tenuta di ruotare vicini senza toccarsi, perché più si avvicinano, maggiore è la pressione del gas tra di esse, allontanandole.
Ad esempio, sotto un cuscinetto a gas compensato con orifizio piatto (immagine 3), la media
La pressione nell'intercapedine sarà pari al carico totale sul cuscinetto diviso per l'area della faccia, questo è il carico unitario. Se la pressione del gas sorgente è di 60 libbre per pollice quadrato (psi) e la faccia ha un'area di 10 pollici quadrati e c'è un carico di 300 libbre, ci sarà una media di 30 psi nell'intercapedine del cuscinetto. Tipicamente, l'intercapedine sarebbe di circa 0,0003 pollici e, poiché l'intercapedine è così piccola, la portata sarebbe di soli 0,2 piedi cubi standard al minuto (scfm). Poiché è presente un limitatore dell'orifizio appena prima dell'intercapedine che trattiene la pressione di riserva, se il carico aumenta a 400 libbre l'intercapedine del cuscinetto si riduce a circa 0,0002 pollici, limitando il flusso attraverso l'intercapedine di 0,1 scfm. Questo aumento della seconda restrizione fornisce al limitatore dell'orifizio una portata sufficiente a consentire alla pressione media nell'intercapedine di aumentare a 40 psi e supportare l'aumento del carico.
Questa è una vista laterale in sezione di un tipico cuscinetto pneumatico a orifizio presente in una macchina di misura a coordinate (CMM). Affinché un sistema pneumatico possa essere considerato un "cuscinetto compensato", deve avere una restrizione a monte della restrizione del gioco del cuscinetto.
Compensazione orifizio vs. poroso
La compensazione dell'orifizio è la forma di compensazione più ampiamente utilizzata. Un orifizio tipico può avere un diametro del foro di 0,010 pollici, ma poiché alimenta un'area di pochi pollici quadrati, alimenta un'area di diversi ordini di grandezza maggiore della propria, quindi la velocità del gas può essere elevata. Spesso, gli orifizi sono tagliati con precisione da rubini o zaffiri per evitare l'erosione delle dimensioni dell'orifizio e quindi modifiche nelle prestazioni del cuscinetto. Un altro problema è che con fessure inferiori a 0,0002 pollici, l'area intorno all'orifizio inizia a strozzare il flusso verso il resto della faccia, punto in cui si verifica il collasso del film di gas. Lo stesso accade al sollevamento, poiché solo l'area dell'orifizio e le eventuali scanalature sono disponibili per avviare il sollevamento. Questo è uno dei motivi principali per cui i cuscinetti pressurizzati esternamente non sono visibili nei piani di tenuta.
Questo non è il caso del cuscinetto compensato poroso, invece la rigidità continua a
aumentano all'aumentare del carico e si riduce lo spazio, proprio come nel caso del DGS (immagine 1) e
Cuscinetti a olio idrodinamici. Nel caso di cuscinetti porosi pressurizzati esternamente, il cuscinetto si troverà in una modalità di forza bilanciata quando la pressione di ingresso moltiplicata per l'area è uguale al carico totale sul cuscinetto. Questo è un caso tribologico interessante, poiché non vi è alcuna portanza o traferro. Non vi sarà flusso, ma la forza idrostatica della pressione dell'aria contro la superficie di contatto sotto la faccia del cuscinetto scarica comunque il carico totale e si traduce in un coefficiente di attrito prossimo allo zero, anche se le facce sono ancora a contatto.
Ad esempio, se una superficie di tenuta in grafite ha un'area di 10 pollici quadrati e 1.000 libbre di forza di chiusura e la grafite ha un coefficiente di attrito di 0,1, sarebbero necessarie 100 libbre di forza per avviare il movimento. Ma con una fonte di pressione esterna di 100 psi trasmessa attraverso la grafite porosa alla sua superficie, non ci sarebbe praticamente alcuna forza necessaria per avviare il movimento. Questo nonostante ci siano ancora 1.000 libbre di forza di chiusura che comprimono le due superfici e che le superfici siano in contatto fisico.
Una classe di materiali per cuscinetti lisci, come grafite, carboni e ceramiche come allumina e carburi di silicio, noti all'industria dei turbocompressori e naturalmente porosi, che possono essere utilizzati come cuscinetti pressurizzati esternamente, ovvero cuscinetti a film fluido senza contatto. Esiste una funzione ibrida in cui la pressione esterna viene utilizzata per alleggerire la pressione di contatto o la forza di chiusura della tenuta dalla tribologia che si verifica nelle facce di tenuta a contatto. Ciò consente all'operatore della pompa di regolare qualcosa all'esterno della pompa per far fronte ad applicazioni problematiche e operazioni a velocità più elevate durante l'utilizzo di tenute meccaniche.
Questo principio si applica anche a spazzole, commutatori, eccitatori o qualsiasi conduttore di contatto che possa essere utilizzato per prelevare dati o correnti elettriche da o verso oggetti rotanti. Man mano che i rotori girano più velocemente e l'eccentricità aumenta, può essere difficile mantenere questi dispositivi a contatto con l'albero, ed è spesso necessario aumentare la pressione della molla che li tiene contro l'albero. Sfortunatamente, soprattutto in caso di funzionamento ad alta velocità, questo aumento della forza di contatto si traduce anche in maggiore calore e usura. Lo stesso principio ibrido applicato alle facce di tenuta meccanica descritto in precedenza può essere applicato anche qui, dove è necessario il contatto fisico per la conduttività elettrica tra le parti fisse e rotanti. La pressione esterna può essere utilizzata come la pressione di un cilindro idraulico per ridurre l'attrito all'interfaccia dinamica, aumentando comunque la forza della molla o la forza di chiusura necessaria per mantenere la spazzola o la faccia di tenuta a contatto con l'albero rotante.
Data di pubblicazione: 21 ottobre 2023