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 senza contatto.Guarnizioni meccanichesono anche caratterizzate come tenuta meccanica bilanciata otenuta meccanica sbilanciataQuesto si riferisce alla percentuale, se presente, della pressione di processo che può passare dietro la superficie di tenuta fissa. Se la superficie di tenuta non viene spinta contro la superficie rotante (come in una tenuta a spinta) o se il fluido di processo alla pressione che deve essere sigillata non può passare dietro la superficie di tenuta, la pressione di processo spingerebbe indietro la superficie 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 una forza tale da generare un carico unitario eccessivo sulla superficie di tenuta dinamica, con conseguente surriscaldamento e usura. Si tratta di un delicato equilibrio che può determinare il successo o il fallimento dell'affidabilità della pompa.
le superfici di tenuta dinamiche consentono una forza di apertura piuttosto che il modo convenzionale di
bilanciando la forza di chiusura, come descritto in precedenza. Ciò non elimina la forza di chiusura necessaria, ma offre al progettista e all'utilizzatore della pompa un ulteriore parametro di regolazione, consentendo di alleggerire o ridurre il carico sulle superfici di tenuta, pur mantenendo la forza di chiusura necessaria, riducendo così il calore e l'usura e ampliando le possibili condizioni operative.
Guarnizioni a gas secco (DGS)Spesso utilizzati nei compressori, questi cuscinetti forniscono una forza di apertura sulle superfici di tenuta. Tale forza è generata da un principio di cuscinetto aerodinamico, in cui sottili scanalature di pompaggio favoriscono il passaggio del gas dal lato ad alta pressione della tenuta, attraverso l'intercapedine e sulla superficie di tenuta, agendo come un cuscinetto a film fluido senza contatto.
Forza di apertura aerodinamica del cuscinetto di una tenuta a gas secco. La pendenza della retta è rappresentativa della rigidità in corrispondenza di un'intercapedine. Si noti che l'intercapedine è espressa in micron.
Lo stesso fenomeno si verifica nei cuscinetti a olio idrodinamici che supportano la maggior parte dei grandi compressori centrifughi e rotori di pompe ed è visibile nei grafici di eccentricità dinamica del rotore mostrati da Bently. Questo effetto fornisce un fermo 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 potrebbero essere trovate 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 dalsuperficie di 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, la rigidezza e lo smorzamento aumentano drasticamente.
I cuscinetti a gas aerostatici a pressione esterna utilizzano una fonte di gas pressurizzato, mentre i cuscinetti dinamici sfruttano il movimento relativo tra le superfici per generare la pressione nell'intercapedine. La tecnologia a pressione esterna presenta almeno due vantaggi fondamentali. In primo luogo, il gas pressurizzato può essere iniettato direttamente tra le superfici di tenuta in modo controllato, anziché essere spinto nell'intercapedine attraverso scanalature di pompaggio poco profonde che richiedono movimento. Ciò consente di separare le superfici di tenuta prima dell'inizio della rotazione. Anche se le superfici vengono compresse, si separano automaticamente, consentendo avviamenti e arresti a attrito zero, quando la pressione viene iniettata direttamente tra di esse. Inoltre, se la tenuta si surriscalda, è possibile, tramite la pressione esterna, aumentare la pressione sulla superficie di tenuta. L'intercapedine aumenterebbe quindi proporzionalmente alla pressione, ma il calore generato dallo sforzo di taglio si ridurrebbe con una funzione cubica dell'intercapedine. Questo offre all'operatore una nuova possibilità per contrastare la generazione di calore.
Un altro vantaggio dei compressori è che, come nei cuscinetti a gas disciolti (DGS), non vi è flusso attraverso la superficie di tenuta. Invece, la pressione più elevata si concentra tra le superfici di tenuta e la pressione esterna fluisce nell'atmosfera o viene sfogata da un lato e immessa nel compressore dall'altro. Ciò aumenta l'affidabilità mantenendo il processo al di fuori dell'intercapedine. Nelle pompe, questo potrebbe non essere un vantaggio, poiché forzare un gas comprimibile all'interno di una pompa può essere indesiderabile. I gas comprimibili all'interno delle pompe possono causare cavitazione o colpi d'ariete. Sarebbe interessante, tuttavia, disporre di una tenuta senza contatto o a basso attrito per le pompe, senza lo svantaggio del flusso di gas nel processo di pompaggio. Sarebbe possibile avere un cuscinetto a gas pressurizzato esternamente con flusso nullo?
Risarcimento
Tutti i cuscinetti a pressione esterna sono dotati di un qualche tipo di compensazione. La compensazione è una forma di restrizione che trattiene la pressione come riserva. La forma più comune di compensazione è l'utilizzo di orifizi, ma esistono anche tecniche di compensazione a scanalatura, a gradino e porose. La compensazione consente alle superfici di contatto dei cuscinetti o delle guarnizioni di ruotare vicine senza toccarsi, perché più sono vicine, maggiore è la pressione del gas tra di esse, che le respinge.
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 superficie di contatto; questo è il carico unitario. Se la pressione del gas di alimentazione è di 60 libbre per pollice quadrato (psi), la superficie di contatto ha un'area di 10 pollici quadrati e il carico è di 300 libbre, la pressione media nell'intercapedine del cuscinetto sarà di 30 psi. Tipicamente, l'intercapedine è di circa 0,0003 pollici e, poiché è così piccola, il flusso è di soli 0,2 piedi cubi standard al minuto (scfm). Poiché è presente un orifizio restrittore immediatamente 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 a 0,1 scfm. Questo aumento della seconda restrizione fornisce all'orifizio restrittore un flusso sufficiente a consentire alla pressione media nell'intercapedine di aumentare a 40 psi e supportare il carico maggiore.
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", è necessario che presenti una restrizione a monte della restrizione del gioco del cuscinetto.
Compensazione orifizio vs. porosa
La compensazione tramite orifizio è la forma di compensazione più diffusa. Un orifizio tipico può avere un diametro di 0,010 pollici, ma poiché alimenta un'area di pochi pollici quadrati, alimenta un'area di diversi ordini di grandezza maggiore rispetto a se stesso, quindi la velocità del gas può essere elevata. Spesso, gli orifizi vengono tagliati con precisione da rubini o zaffiri per evitare l'erosione della dimensione dell'orifizio e quindi le variazioni nelle prestazioni del cuscinetto. Un altro problema è che con intercapedini inferiori a 0,0002 pollici, l'area intorno all'orifizio inizia a strozzare il flusso verso il resto della superficie, a quel punto si verifica il collasso del film di gas. Lo stesso accade al momento del sollevamento, poiché solo l'area dell'orifizio e le eventuali scanalature sono disponibili per iniziare il sollevamento. Questo è uno dei motivi principali per cui i cuscinetti a pressione esterna non sono presenti nei progetti di tenuta.
Questo non è il caso del cuscinetto compensato poroso, invece la rigidità continua a
aumentano all'aumentare del carico e il divario si riduce, proprio come nel caso del DGS (Immagine 1) e
Cuscinetti a olio idrodinamici. Nel caso di cuscinetti porosi a pressione esterna, il cuscinetto si troverà in una condizione 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 sollevamento o intercapedine d'aria. Non ci sarà flusso, ma la forza idrostatica della pressione dell'aria contro la contro-superficie sotto la faccia del cuscinetto alleggerisce comunque il carico totale e si traduce in un coefficiente di attrito prossimo allo zero, anche se le superfici sono ancora a contatto.
Ad esempio, se una superficie di tenuta in grafite ha un'area di 10 pollici quadrati e una forza di chiusura di 1.000 libbre 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 applicata attraverso la grafite porosa alla sua superficie, la forza necessaria per avviare il movimento sarebbe praticamente nulla. Questo nonostante la forza di chiusura di 1.000 libbre che comprime le due superfici l'una contro l'altra e il fatto che queste siano a contatto fisico.
Una classe di materiali per cuscinetti lisci come grafite, carbonio e ceramiche come allumina e carburi di silicio, noti nell'industria delle turbocompressori e naturalmente porosi, che possono essere utilizzati come cuscinetti a pressione esterna, ovvero cuscinetti a film fluido senza contatto. Esiste una funzione ibrida in cui la pressione esterna viene utilizzata per ridurre la pressione di contatto o la forza di chiusura della tenuta, alleggerendo così la tribologia che si verifica sulle superfici di contatto. Ciò consente all'operatore della pompa di effettuare regolazioni esterne per affrontare applicazioni problematiche e operazioni ad alta velocità, anche con tenute meccaniche.
Questo principio si applica anche a spazzole, collettori, eccitatori o qualsiasi conduttore di contatto utilizzato per trasferire dati o correnti elettriche su o da oggetti rotanti. Con l'aumentare della velocità di rotazione dei rotori e della eccentricità, può risultare difficile mantenere questi dispositivi a contatto con l'albero, ed è spesso necessario aumentare la pressione della molla che li tiene a contatto con l'albero. Purtroppo, soprattutto in caso di funzionamento ad alta velocità, questo aumento della forza di contatto comporta anche un maggiore surriscaldamento e usura. Lo stesso principio ibrido applicato alle superfici di tenuta meccaniche descritto in precedenza può essere applicato anche in questo caso, dove è necessario un contatto fisico per la conduttività elettrica tra le parti fisse e rotanti. La pressione esterna può essere utilizzata, analogamente alla pressione di un cilindro idraulico, per ridurre l'attrito all'interfaccia dinamica, aumentando al contempo la forza della molla o la forza di chiusura necessaria per mantenere la spazzola o la superficie di tenuta a contatto con l'albero rotante.
Data di pubblicazione: 21 ottobre 2023