As bombas son un dos maiores usuarios de selos mecánicos. Como o seu nome indica, os selos mecánicos son selos de tipo contacto, diferenciados dos selos aerodinámicos ou labirínticos sen contacto.Selos mecánicostamén se caracterizan como selo mecánico equilibrado ouselo mecánico desequilibradoIsto refírese á porcentaxe da presión do proceso, se é que existe algunha, que pode chegar por detrás da cara do selo estacionaria. Se a cara do selo non se empurra contra a cara xiratoria (como nun selo de tipo empuxador) ou se non se permite que o fluído do proceso á presión que precisa selar chegue por detrás da cara do selo, a presión do proceso faría soplar a cara do selo cara atrás e abriríase. O deseñador de selos debe ter en conta todas as condicións de funcionamento para deseñar un selo coa forza de peche requirida, pero non tanta forza que a carga unitaria na cara do selo dinámico cree demasiada calor e desgaste. Este é un equilibrio delicado que fai ou desfai a fiabilidade da bomba.
as caras de selado dinámicas ao permitir unha forza de apertura en lugar da forma convencional de
equilibrando a forza de peche, como se describiu anteriormente. Non elimina a forza de peche necesaria, pero proporciona ao deseñador e usuario da bomba outro botón para xirar ao permitir aliviar ou descargar as caras do selo, mantendo ao mesmo tempo a forza de peche necesaria, reducindo así a calor e o desgaste e ampliando as posibles condicións de funcionamento.
Sellos de gas seco (DGS), que se empregan a miúdo en compresores, proporcionan unha forza de apertura nas caras do selo. Esta forza créase mediante un principio de rodamento aerodinámico, no que unhas finas ranuras de bombeo axudan a impulsar o gas desde o lado do proceso de alta presión do selo cara ao espazo e a través da cara do selo como un rodamento de película de fluído sen contacto.
A forza de apertura aerodinámica do soporte dunha cara de selado de gas seco. A pendente da liña é representativa da rixidez nun oco. Teña en conta que o oco está en micras.
O mesmo fenómeno ocorre nos coxíns de aceite hidrodinámicos que soportan a maioría dos compresores centrífugos e rotores de bombas grandes, e obsérvase nos gráficos de excentricidade dinámica do rotor mostrados por Bently. Este efecto proporciona un tope de retroceso estable e é un elemento importante para o éxito dos coxíns de aceite hidrodinámicos e os selos DGS. Os selos mecánicos non teñen as ranuras de bombeo finas que se poderían atopar nunha cara aerodinámica DGS. Pode haber unha forma de usar principios de coxíns de gas presurizado externamente para aliviar a forza de peche docara do selo mecánicos.
Gráficos cualitativos dos parámetros dos rodamentos de película fluída fronte á relación de excentricidade do rodamento. A rixidez, K, e o amortecemento, D, son mínimos cando o rodamento está no centro do rodamento. A medida que o rodamento se achega á superficie do rodamento, a rixidez e o amortecemento aumentan drasticamente.
Os rodamientos de gas aerostáticos presurizados externamente empregan unha fonte de gas presurizado, mentres que os rodamientos dinámicos usan o movemento relativo entre as superficies para xerar presión na fenda. A tecnoloxía presurizada externamente ten polo menos dúas vantaxes fundamentais. En primeiro lugar, o gas presurizado pode inxectarse directamente entre as caras do selo de forma controlada en lugar de fomentar que o gas entre na fenda do selo con ranuras de bombeo pouco profundas que requiren movemento. Isto permite separar as caras do selo antes de que comece a rotación. Mesmo se as caras están apertadas, abriranse para arranques e paradas sen fricción cando se inxecta presión directamente entre elas. Ademais, se o selo está funcionando quente, é posible con presión externa aumentar a presión na cara do selo. A fenda aumentaría entón proporcionalmente coa presión, pero a calor do cizallamento caería sobre unha función cúbica da fenda. Isto dálle ao operador unha nova capacidade para aproveitar contra a xeración de calor.
Outra vantaxe dos compresores é que non hai fluxo a través da cara como ocorre nun DGS. En cambio, a presión máis alta está entre as caras do selo, e a presión externa fluirá cara á atmosfera ou ventilará cara a un lado e cara ao compresor desde o outro lado. Isto aumenta a fiabilidade ao manter o proceso fóra do oco. Nas bombas, isto pode non ser unha vantaxe, xa que pode ser indesexable forzar un gas compresible cara a unha bomba. Os gases compresibles dentro das bombas poden causar problemas de cavitación ou martelos neumáticos. Non obstante, sería interesante ter un selo sen contacto ou sen fricción para as bombas sen a desvantaxe do fluxo de gas cara ao proceso da bomba. Sería posible ter un rodamento de gas presurizado externamente con fluxo cero?
Compensación
Todos os rodamientos presurizados externamente teñen algún tipo de compensación. A compensación é unha forma de restrición que mantén a presión en reserva. A forma máis común de compensación é o uso de orificios, pero tamén existen técnicas de compensación porosa, porosa e con ranuras. A compensación permite que os rodamientos ou as caras de selado se acomoden sen tocarse, porque canto máis se acheguen, maior será a presión do gas entre eles, o que repele as caras para separalas.
Como exemplo, baixo un rolamento de gas compensado con orificio plano (Imaxe 3), a media
A presión no oco será igual á carga total no rolamento dividida pola área da cara, esta é a carga unitaria. Se esta presión de gas fonte é de 60 libras por polgada cadrada (psi) e a cara ten 10 polgadas cadradas de área e hai 300 libras de carga, haberá unha media de 30 psi no oco do rolamento. Normalmente, o oco sería duns 0,0003 polgadas e, debido a que o oco é tan pequeno, o fluxo sería só duns 0,2 pés cúbicos estándar por minuto (scfm). Debido a que hai un restritor de orificio xusto antes do oco que mantén a presión en reserva, se a carga aumenta a 400 libras, o oco do rolamento redúcese a uns 0,0002 polgadas, restrinxindo o fluxo a través do oco 0,1 scfm. Este aumento na segunda restrición dálle ao restritor de orificio fluxo suficiente para permitir que a presión media no oco aumente a 40 psi e soporte o aumento da carga.
Esta é unha vista lateral en corte dun rodamento de aire de orificio típico que se atopa nunha máquina de medición por coordenadas (CMM). Se un sistema pneumático se considera un "rodamento compensado", debe ter unha restrición augas arriba da restrición do oco do rodamento.
Compensación de orificios vs. porosos
A compensación do orificio é a forma de compensación máis empregada. Un orificio típico pode ter un diámetro de burato de 0,010 polgadas, pero como alimenta unhas poucas polgadas cadradas de área, alimenta varias ordes de magnitude máis área ca si mesmo, polo que a velocidade do gas pode ser alta. A miúdo, os orificios córtanse con precisión a partir de rubís ou zafiros para evitar a erosión do tamaño do orificio e, polo tanto, cambios no rendemento do rolamento. Outro problema é que con espazos por debaixo de 0,0002 polgadas, a área arredor do orificio comeza a estrangular o fluxo cara ao resto da cara, punto no que se produce o colapso da película de gas. O mesmo ocorre na elevación, xa que só a área do orificio e calquera ranura están dispoñibles para iniciar a elevación. Esta é unha das principais razóns polas que os rolamentos presurizados externamente non se ven nos planos de selos.
Este non é o caso do rolamento poroso compensado, senón que a rixidez continúa a
aumentan a medida que a carga aumenta e o espazo redúcese, igual que no caso de DGS (Imaxe 1) e
Rodamentos de aceite hidrodinámicos. No caso de rodamentos porosos presurizados externamente, o rodamento estará nun modo de forza equilibrada cando a presión de entrada multiplicada pola área sexa igual á carga total sobre o rodamento. Este é un caso tribolóxico interesante, xa que hai sustentación ou espazo de aire cero. Haberá fluxo cero, pero a forza hidrostática da presión de aire contra a superficie contraria debaixo da cara do rodamento aínda descarga a carga total e resulta nun coeficiente de fricción case cero, mesmo cando as caras aínda están en contacto.
Por exemplo, se unha cara de selo de grafito ten unha área de 10 polgadas cadradas e 1.000 libras de forza de peche e o grafito ten un coeficiente de fricción de 0,1, requiriríanse 100 libras de forza para iniciar o movemento. Pero cunha fonte de presión externa de 100 psi transportada a través do grafito poroso ata a súa cara, a forza necesaria sería esencialmente nula para iniciar o movemento. Isto ocorre a pesar do feito de que aínda hai 1.000 libras de forza de peche que apertan as dúas caras e que as caras están en contacto físico.
Unha clase de materiais para coxinetes lisos como: grafito, carbonos e cerámicas como a alúmina e os carburos de silicio, coñecidos polas turboindustrias e naturalmente porosos, polo que se poden usar como coxinetes presurizados externamente que son coxinetes de película de fluído sen contacto. Existe unha función híbrida na que se usa presión externa para aliviar a presión de contacto ou a forza de peche do selo da triboloxía que se produce nas caras do selo en contacto. Isto permítelle ao operador da bomba axustar algo fóra da bomba para xestionar aplicacións problemáticas e operacións de maior velocidade mentres usa selos mecánicos.
Este principio tamén se aplica a escobillas, conmutadores, excitadores ou calquera condutor de contacto que se poida usar para levar datos ou correntes eléctricas a obxectos rotatorios ou fóra deles. A medida que os rotores xiran máis rápido e o esgotamento aumenta, pode ser difícil manter estes dispositivos en contacto co eixe e, a miúdo, é necesario aumentar a presión do resorte que os suxeita contra o eixe. Desafortunadamente, especialmente no caso de funcionamento a alta velocidade, este aumento da forza de contacto tamén resulta en máis calor e desgaste. O mesmo principio híbrido aplicado ás caras do selo mecánico descrito anteriormente tamén se pode aplicar aquí, onde se require contacto físico para a condutividade eléctrica entre as pezas estacionarias e rotatorias. A presión externa pódese usar como a presión dun cilindro hidráulico para reducir a fricción na interface dinámica e, ao mesmo tempo, aumentar a forza do resorte ou a forza de peche necesaria para manter a escobilla ou a cara do selo en contacto co eixe rotatorio.
Data de publicación: 21 de outubro de 2023