le pompe sono uno dei maggiori utilizzatori di tenute meccaniche. Come suggerisce il nome, le tenute meccaniche sono tenute di tipo a contatto, differenziate dalle tenute aerodinamiche o a labirinto senza contatto.Tenute meccanichesono anche caratterizzati come tenuta meccanica bilanciata otenuta meccanica sbilanciata. Si riferisce alla percentuale, se presente, della pressione di processo che può passare dietro la faccia stazionaria della tenuta. Se la faccia della tenuta non viene spinta contro la faccia rotante (come in una tenuta del tipo a spinta) o se il fluido di processo alla pressione che deve essere sigillata non riesce a penetrare dietro la faccia della tenuta, la pressione di processo spingerebbe indietro la faccia della tenuta e aperto. Il progettista della tenuta deve considerare tutte le condizioni operative per progettare una tenuta con la forza di chiusura richiesta ma non così tanta da far sì che il carico dell'unità sulla faccia dinamica della tenuta crei troppo calore e usura. Si tratta di un equilibrio delicato che determina o compromette l'affidabilità della pompa.
la tenuta dinamica si affaccia consentendo una forza di apertura anziché il modo convenzionale
bilanciare la forza di chiusura, come descritto sopra. Non elimina la forza di chiusura richiesta ma fornisce al progettista e all'utente della pompa un'altra manopola da girare consentendo di alleggerire o scaricare le facce della tenuta, mantenendo la forza di chiusura necessaria, riducendo così il calore e l'usura e ampliando le possibili condizioni operative.
Tenute per gas secco (DGS), spesso utilizzati nei compressori, forniscono una forza di apertura sulle facce della tenuta. Questa forza è creata da un principio di cuscinetto aerodinamico, in cui sottili scanalature di pompaggio aiutano a incoraggiare il gas dal lato del processo ad alta pressione della tenuta, nello spazio e attraverso la faccia della tenuta come un cuscinetto a pellicola di fluido senza contatto.
La forza di apertura del cuscinetto aerodinamico di una faccia di tenuta a gas secco. La pendenza della linea è rappresentativa della rigidezza in corrispondenza di un gap. Tieni presente che il divario è in micron.
Lo stesso fenomeno si verifica nei cuscinetti a olio idrodinamici che supportano la maggior parte dei grandi compressori centrifughi e rotori delle pompe ed è visibile nei grafici dell'eccentricità dinamica del rotore mostrati da Bently. Questo effetto fornisce un arresto posteriore stabile ed è un elemento importante per il successo dei cuscinetti a olio idrodinamici e dei DGS. . Le tenute meccaniche non hanno le sottili scanalature di pompaggio che si potrebbero trovare in una faccia aerodinamica del DGS. Potrebbe esserci un modo per utilizzare i principi del cuscinetto a gas pressurizzato esternamente per alleggerire la forza di chiusura dalfaccia della tenuta meccanicas.
Grafici qualitativi dei parametri dei cuscinetti a film fluido rispetto al rapporto di eccentricità del perno. La rigidità, K, e lo smorzamento, D, sono minimi quando il perno si trova al centro del cuscinetto. Quando il perno si avvicina alla superficie del cuscinetto, la rigidità e lo smorzamento aumentano notevolmente.
I cuscinetti aerostatici a gas pressurizzati esternamente utilizzano una fonte di gas pressurizzato, mentre i cuscinetti dinamici utilizzano il movimento relativo tra le superfici per generare pressione tra loro. La tecnologia pressurizzata esternamente presenta almeno due vantaggi fondamentali. Innanzitutto, il gas pressurizzato può essere iniettato direttamente tra le facce della tenuta in modo controllato anziché incoraggiare il gas nello spazio della tenuta con scanalature di pompaggio poco profonde che richiedono movimento. Ciò consente di separare le facce della tenuta prima che inizi la rotazione. Anche se le facce vengono strizzate insieme, si apriranno per avviamenti e arresti senza attrito quando la pressione viene iniettata direttamente tra di loro. Inoltre, se la guarnizione è surriscaldata, è possibile aumentare la pressione sulla superficie della guarnizione mediante pressione esterna. Il divario quindi aumenterebbe proporzionalmente alla pressione, ma il calore derivante dal taglio ricadrebbe su una funzione cubica del divario. Ciò offre all'operatore una nuova capacità di sfruttare la generazione di calore.
C'è un altro vantaggio nei compressori: non c'è flusso attraverso la faccia come nei DGS. Invece, la pressione più alta si verifica tra le facce della tenuta e la pressione esterna fluirà nell'atmosfera o sfogherà da un lato e nel compressore dall'altro. Ciò aumenta l'affidabilità mantenendo il processo fuori dal divario. Nelle pompe questo potrebbe non essere un vantaggio in quanto può essere indesiderabile forzare un gas comprimibile in una pompa. I gas comprimibili all'interno delle pompe possono causare problemi di cavitazione o colpi d'aria. 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. Potrebbe essere possibile avere un cuscinetto di gas pressurizzato esternamente con flusso zero?
Compensazione
Tutti i cuscinetti pressurizzati esternamente hanno una sorta di compensazione. La compensazione è una forma di restrizione che mantiene la pressione sulle riserve. La forma più comune di compensazione è l'uso di orifizi, ma esistono anche tecniche di compensazione con scanalature, gradini e porose. La compensazione consente ai cuscinetti o alle facce della tenuta di scorrere vicini senza toccarsi, perché più si avvicinano, maggiore diventa la pressione del gas tra di loro, respingendo le facce.
Ad esempio, sotto un cuscinetto di gas compensato con orifizio piatto (Immagine 3), la media
la pressione nell'interstizio sarà uguale al carico totale sul cuscinetto diviso per l'area frontale, questo è il carico unitario. Se la pressione del gas di origine è di 60 libbre per pollice quadrato (psi) e la faccia ha un'area di 10 pollici quadrati e il carico è di 300 libbre, ci sarà una media di 30 psi nello spazio del cuscinetto. Tipicamente, il divario sarebbe di circa 0,0003 pollici e, poiché il divario è così piccolo, il flusso sarebbe solo di circa 0,2 piedi cubi standard al minuto (scfm). Poiché c'è un orifizio limitatore appena prima dell'interstizio che trattiene la pressione come riserva, se il carico aumenta a 400 libbre, l'interstizio del cuscinetto si riduce a circa 0,0002 pollici, limitando il flusso attraverso l'interstizio fino a 0,1 scfm. Questo aumento nella seconda restrizione fornisce al limitatore dell'orifizio un flusso sufficiente per consentire alla pressione media nell'interstizio di aumentare fino a 40 psi e supportare il carico aumentato.
Questa è una vista laterale in sezione di un tipico cuscinetto d'aria con orifizio presente in una macchina di misura a coordinate (CMM). Se un sistema pneumatico deve essere considerato un “cuscinetto compensato”, deve avere una restrizione a monte della restrizione del gioco del cuscinetto.
Orifizio vs. compensazione porosa
La compensazione dell'orifizio è la forma di compensazione più utilizzata. Un tipico orifizio può avere un diametro del foro di 0,010 pollici, ma poiché alimenta pochi pollici quadrati di area, alimenta un'area di diversi ordini di grandezza maggiore di se stessa, quindi la velocità del gas può essere elevato. Spesso gli orifizi vengono tagliati con precisione da rubini o zaffiri per evitare l'erosione delle dimensioni dell'orifizio e quindi cambiamenti nelle prestazioni del cuscinetto. Un altro problema è che a intervalli inferiori a 0,0002 pollici, l'area attorno all'orifizio inizia a soffocare il flusso verso il resto della faccia, a quel punto si verifica il collasso della pellicola di gas. Lo stesso avviene al decollo, poiché solo l'area del siano disponibili l'orifizio e le eventuali scanalature per avviare il sollevamento. Questo è uno dei motivi principali per cui i cuscinetti pressurizzati esternamente non sono presenti nei piani di tenuta.
Questo non è il caso del cuscinetto compensato poroso, la rigidità invece continua a esserlo
aumentano all'aumentare del carico e il divario si riduce, proprio come nel caso del DGS (Immagine 1) e
cuscinetti oleodinamici idrodinamici. Nel caso di cuscinetti porosi pressurizzati esternamente, il cuscinetto sarà in modalità di forza bilanciata quando la pressione in ingresso moltiplicata per l'area è uguale al carico totale sul cuscinetto. Questo è un caso tribologico interessante poiché non vi è portanza o traferro d'aria. Il flusso sarà nullo, ma la forza idrostatica della pressione dell'aria contro la controsuperficie sotto la faccia del cuscinetto alleggerisce comunque il carico totale e si traduce in un coefficiente di attrito vicino allo zero, anche se le facce sono ancora in contatto.
Ad esempio, se la faccia di una 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 portata attraverso la grafite porosa fino alla sua faccia, la forza necessaria per avviare il movimento sarebbe essenzialmente pari a zero. Questo nonostante ci siano ancora 1.000 libbre di forza di chiusura che stringono insieme le due facce e che le facce siano in contatto fisico.
Una classe di materiali per cuscinetti lisci come: grafite, carbonio e ceramica come allumina e carburo di silicio che sono noti alle industrie turbo e sono naturalmente porosi in modo che possano essere utilizzati come cuscinetti pressurizzati esternamente che sono 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 della tenuta a contatto. Ciò consente all'operatore della pompa di regolare qualcosa all'esterno della pompa per affrontare applicazioni problematiche e operazioni a velocità più elevata durante l'utilizzo delle tenute meccaniche.
Questo principio si applica anche a spazzole, commutatori, eccitatori o qualsiasi conduttore di contatto che può essere utilizzato per portare dati o correnti elettriche su o fuori oggetti rotanti. Poiché i rotori girano più velocemente e l'esaurimento aumenta, può essere difficile mantenere questi dispositivi in contatto con l'albero ed è spesso necessario aumentare la pressione della molla che li tiene contro l'albero. Sfortunatamente, soprattutto nel caso di funzionamento ad alta velocità, questo aumento della forza di contatto comporta anche più calore e usura. Lo stesso principio ibrido applicato alle facce della tenuta meccanica sopra descritto può essere applicato anche qui, dove è richiesto 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 sull'interfaccia dinamica aumentando allo stesso tempo la forza della molla o la forza di chiusura richiesta per mantenere la spazzola o la faccia della tenuta in contatto con l'albero rotante.
Orario di pubblicazione: 21 ottobre 2023