วิธีการใหม่ของซีลเชิงกลที่ปรับสมดุลแรง

ปั๊มเป็นหนึ่งในผู้ใช้ซีลเชิงกลรายใหญ่ที่สุด ดังชื่อที่บ่งบอก ซีลเชิงกลเป็นซีลแบบสัมผัส ซึ่งแตกต่างจากซีลแบบไม่สัมผัสแบบแอโรไดนามิกหรือแบบเขาวงกตซีลเชิงกลยังมีลักษณะเป็นซีลเชิงกลแบบสมดุลหรือซีลเชิงกลที่ไม่สมดุล. หมายถึงเปอร์เซ็นต์ของแรงดันในกระบวนการ (ถ้ามี) ที่สามารถไหลผ่านด้านหลังหน้าซีลที่อยู่กับที่ หากหน้าซีลไม่ถูกดันเข้ากับหน้าหมุน (เช่น ในซีลแบบดัน) หรือของเหลวในกระบวนการที่แรงดันที่ต้องการปิดผนึกไม่สามารถไหลผ่านหลังหน้าซีลได้ แรงดันในกระบวนการจะดันหน้าซีลกลับและเปิดออก ผู้ออกแบบซีลจำเป็นต้องพิจารณาเงื่อนไขการทำงานทั้งหมดเพื่อออกแบบซีลให้มีแรงปิดที่เหมาะสม แต่ไม่มากเกินไปจนทำให้แรงกดที่หน้าซีลแบบไดนามิกก่อให้เกิดความร้อนและการสึกหรอมากเกินไป นี่คือความสมดุลที่ละเอียดอ่อนที่สร้างหรือทำลายความน่าเชื่อถือของปั๊ม

ซีลแบบไดนามิกจะหันหน้าเข้าหากันโดยให้แรงเปิดมากกว่าวิธีการแบบเดิม
การสร้างสมดุลแรงปิดดังที่อธิบายไว้ข้างต้น วิธีนี้ไม่ได้ขจัดแรงปิดที่จำเป็น แต่ช่วยให้ผู้ออกแบบปั๊มและผู้ใช้มีปุ่มควบคุมอีกปุ่มหนึ่ง โดยอนุญาตให้ปลดน้ำหนักหรือปลดภาระของซีลออกได้ ในขณะที่ยังคงรักษาแรงปิดที่จำเป็นไว้ ซึ่งจะช่วยลดความร้อนและการสึกหรอ พร้อมทั้งขยายสภาวะการทำงานที่เป็นไปได้

ซีลก๊าซแห้ง (DGS)มักใช้ในเครื่องอัดอากาศ เพื่อสร้างแรงเปิดที่หน้าซีล แรงนี้เกิดจากหลักการของตลับลูกปืนตามหลักอากาศพลศาสตร์ โดยร่องปั๊มขนาดเล็กจะช่วยดันก๊าซจากด้านกระบวนการแรงดันสูงของซีลเข้าไปในช่องว่างและผ่านหน้าซีล ในลักษณะตลับลูกปืนฟิล์มของไหลแบบไม่สัมผัส

แรงเปิดของตลับลูกปืนตามหลักอากาศพลศาสตร์ของซีลก๊าซแห้ง ความลาดเอียงของเส้นแสดงถึงความแข็งที่ช่องว่าง โปรดทราบว่าช่องว่างมีหน่วยเป็นไมครอน
ปรากฏการณ์เดียวกันนี้เกิดขึ้นในตลับลูกปืนน้ำมันไฮโดรไดนามิกที่รองรับคอมเพรสเซอร์แบบแรงเหวี่ยงขนาดใหญ่และโรเตอร์ปั๊มส่วนใหญ่ และพบเห็นได้ในกราฟความเยื้องศูนย์ไดนามิกของโรเตอร์ที่แสดงโดย Bently ผลกระทบนี้ทำให้เกิดจุดหยุดนิ่งที่มั่นคงและเป็นองค์ประกอบสำคัญต่อความสำเร็จของตลับลูกปืนน้ำมันไฮโดรไดนามิกและ DGS ซีลเชิงกลไม่มีร่องปั๊มละเอียดที่อาจพบได้ในหน้าสัมผัสอากาศพลศาสตร์ของ DGS อาจมีวิธีการใช้หลักการของตลับลูกปืนก๊าซที่มีแรงดันภายนอกเพื่อปลดน้ำหนักแรงปิดจากหน้าซีลเชิงกลs.

กราฟเชิงคุณภาพของพารามิเตอร์แบริ่งของไหลต่อฟิล์มเทียบกับอัตราส่วนความเยื้องศูนย์ของเจอร์นัล ความแข็ง K และการหน่วง D จะมีค่าน้อยที่สุดเมื่อเจอร์นัลอยู่กึ่งกลางของแบริ่ง เมื่อเจอร์นัลเข้าใกล้พื้นผิวแบริ่ง ความแข็งและการหน่วงจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก

ตลับลูกปืนแก๊สแอโรสแตติกแบบใช้แรงดันภายนอกใช้แหล่งกำเนิดแก๊สที่มีแรงดัน ในขณะที่ตลับลูกปืนแบบไดนามิกใช้การเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างพื้นผิวเพื่อสร้างแรงดันช่องว่าง เทคโนโลยีแรงดันภายนอกมีข้อได้เปรียบพื้นฐานอย่างน้อยสองประการ ประการแรก แก๊สที่มีแรงดันสามารถฉีดเข้าระหว่างหน้าซีลได้โดยตรงอย่างควบคุมได้ แทนที่จะดันแก๊สเข้าไปในช่องว่างซีลด้วยร่องปั๊มตื้นๆ ที่ต้องมีการเคลื่อนที่ วิธีนี้ช่วยให้หน้าซีลแยกออกจากกันก่อนเริ่มหมุน แม้ว่าหน้าซีลจะถูกบิดเข้าด้วยกัน แต่หน้าซีลจะเปิดออกเพื่อเริ่มต้นการทำงานแบบไร้แรงเสียดทาน และหยุดการทำงานเมื่อแรงดันถูกฉีดเข้าระหว่างหน้าซีลโดยตรง นอกจากนี้ หากซีลร้อนจัด แรงดันภายนอกสามารถเพิ่มแรงดันที่หน้าซีลได้ ช่องว่างจะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนของแรงดัน แต่ความร้อนจากแรงเฉือนจะตกกระทบกับช่องว่างเป็นลูกบาศก์ ซึ่งทำให้ผู้ปฏิบัติงานมีความสามารถใหม่ในการใช้ประโยชน์จากความร้อน

คอมเพรสเซอร์มีข้อดีอีกประการหนึ่งคือไม่มีการไหลผ่านหน้าสัมผัสเช่นเดียวกับใน DGS แต่แรงดันสูงสุดจะอยู่ระหว่างหน้าสัมผัสของซีล และแรงดันภายนอกจะไหลเข้าสู่บรรยากาศหรือระบายออกด้านหนึ่งและเข้าสู่คอมเพรสเซอร์จากอีกด้านหนึ่ง วิธีนี้ช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือโดยป้องกันไม่ให้กระบวนการไหลผ่านช่องว่าง ข้อดีนี้อาจไม่ใช่ข้อดีในปั๊ม เนื่องจากการอัดก๊าซที่อัดได้เข้าไปในปั๊มอาจไม่พึงประสงค์ ก๊าซที่อัดได้ภายในปั๊มอาจทำให้เกิดโพรงอากาศหรือปัญหาค้อนลม อย่างไรก็ตาม การมีซีลแบบไม่มีการสัมผัสหรือปราศจากแรงเสียดทานสำหรับปั๊มโดยไม่ทำให้เกิดข้อเสียของการไหลของก๊าซเข้าสู่กระบวนการปั๊มนั้นน่าสนใจ เป็นไปได้หรือไม่ที่จะมีตลับลูกปืนก๊าซที่มีแรงดันภายนอกและไม่มีการไหลเลย

ค่าตอบแทน
ตลับลูกปืนที่มีแรงดันภายนอกทุกชนิดมีการชดเชยในรูปแบบใดรูปแบบหนึ่ง การชดเชยเป็นรูปแบบหนึ่งของการจำกัดแรงดันที่กักเก็บแรงดันสำรองไว้ รูปแบบการชดเชยที่พบบ่อยที่สุดคือการใช้ช่องเปิด แต่ก็มีเทคนิคการชดเชยแบบร่อง ขั้นบันได และแบบมีรูพรุน การชดเชยช่วยให้ตลับลูกปืนหรือหน้าสัมผัสสามารถเคลื่อนที่ชิดกันได้โดยไม่ต้องสัมผัสกัน เพราะยิ่งใกล้กันมากเท่าไหร่ แรงดันแก๊สระหว่างหน้าสัมผัสก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น ทำให้หน้าสัมผัสทั้งสองแยกออกจากกัน

ตัวอย่างเช่น ภายใต้ตลับลูกปืนแก๊สที่มีการชดเชยรูแบน (ภาพที่ 3) ค่าเฉลี่ย
แรงดันในช่องว่างจะเท่ากับภาระทั้งหมดบนตลับลูกปืนหารด้วยพื้นที่หน้าสัมผัส ซึ่งถือเป็นภาระต่อหน่วย หากแรงดันก๊าซต้นทางนี้เท่ากับ 60 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (psi) และหน้าสัมผัสมีพื้นที่ 10 ตารางนิ้ว และมีน้ำหนักบรรทุก 300 ปอนด์ จะมีแรงดันเฉลี่ย 30 psi ในช่องว่างตลับลูกปืน โดยทั่วไป ช่องว่างจะอยู่ที่ประมาณ 0.0003 นิ้ว และเนื่องจากช่องว่างมีขนาดเล็กมาก อัตราการไหลจึงอยู่ที่ประมาณ 0.2 ลูกบาศก์ฟุตมาตรฐานต่อนาที (scfm) เท่านั้น เนื่องจากมีตัวจำกัดแรงดันออริฟิซอยู่ก่อนช่องว่างเพื่อกักเก็บแรงดันสำรอง หากน้ำหนักบรรทุกเพิ่มขึ้นเป็น 400 ปอนด์ ช่องว่างตลับลูกปืนจะลดลงเหลือประมาณ 0.0002 นิ้ว ทำให้การไหลผ่านช่องว่างลดลง 0.1 scfm การเพิ่มขึ้นของข้อจำกัดที่สองนี้ทำให้ตัวจำกัดแรงดันออริฟิซมีอัตราการไหลเพียงพอที่จะทำให้แรงดันเฉลี่ยในช่องว่างเพิ่มขึ้นเป็น 40 psi และรองรับน้ำหนักบรรทุกที่เพิ่มขึ้นได้

นี่คือภาพตัดด้านข้างของตลับลูกปืนอากาศแบบรูพรุนทั่วไปที่พบในเครื่องวัดพิกัด (CMM) หากระบบนิวเมติกส์จะถือว่าเป็น "ตลับลูกปืนชดเชย" จะต้องมีการจำกัดช่องว่างก่อนถึงขีดจำกัดของตลับลูกปืน
การชดเชยรูพรุนเทียบกับรูพรุน
การชดเชยรูพรุนเป็นรูปแบบการชดเชยที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด รูพรุนทั่วไปอาจมีเส้นผ่านศูนย์กลางรู 0.010 นิ้ว แต่เนื่องจากป้อนพื้นที่ไม่กี่ตารางนิ้ว จึงป้อนพื้นที่มากกว่าตัวมันเองหลายลำดับขนาด ดังนั้นความเร็วของก๊าซจึงอาจสูงได้ บ่อยครั้งที่รูพรุนถูกตัดอย่างแม่นยำจากทับทิมหรือไพลินเพื่อหลีกเลี่ยงการกัดเซาะของขนาดรูพรุนและการเปลี่ยนแปลงในประสิทธิภาพของตลับลูกปืน อีกปัญหาหนึ่งคือที่ช่องว่างต่ำกว่า 0.0002 นิ้ว พื้นที่รอบๆ รูพรุนจะเริ่มปิดกั้นการไหลไปยังส่วนที่เหลือของหน้าสัมผัส ซึ่งเป็นจุดที่เกิดการยุบตัวของฟิล์มก๊าซ สิ่งเดียวกันนี้เกิดขึ้นตอนยกตัวออก เนื่องจากมีเพียงพื้นที่ของรูพรุนและร่องใดๆ เท่านั้นที่พร้อมจะเริ่มยกตัว นี่เป็นหนึ่งในเหตุผลหลักที่ไม่พบตลับลูกปืนที่มีแรงดันจากภายนอกในแผนผังซีล

นี่ไม่ใช่กรณีของตลับลูกปืนที่มีการชดเชยแบบมีรูพรุน แต่ความแข็งจะยังคงดำเนินต่อไป
เพิ่มขึ้นเมื่อโหลดเพิ่มขึ้นและช่องว่างลดลง เช่นเดียวกับกรณีของ DGS (รูปภาพ 1) และ
ตลับลูกปืนน้ำมันไฮโดรไดนามิก ในกรณีของตลับลูกปืนที่มีรูพรุนที่มีแรงดันภายนอก ตลับลูกปืนจะอยู่ในโหมดแรงสมดุลเมื่อแรงดันขาเข้าคูณพื้นที่เท่ากับภาระรวมที่กระทำกับตลับลูกปืน นี่เป็นกรณีศึกษาไตรโบโลยีที่น่าสนใจ เนื่องจากไม่มีแรงยกหรือช่องว่างอากาศเป็นศูนย์ การไหลจะเป็นศูนย์ แต่แรงไฮโดรสแตติกของแรงดันอากาศที่กระทำกับพื้นผิวด้านตรงข้ามใต้ผิวสัมผัสของตลับลูกปืนยังคงทำให้น้ำหนักรวมลดลง และส่งผลให้ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานเกือบเป็นศูนย์ แม้ว่าผิวสัมผัสทั้งสองจะยังคงสัมผัสกันก็ตาม

ยกตัวอย่างเช่น หากหน้าซีลกราไฟต์มีพื้นที่ 10 ตารางนิ้ว และมีแรงปิด 1,000 ปอนด์ และกราไฟต์มีค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน 0.1 จะต้องใช้แรง 100 ปอนด์จึงจะเริ่มเคลื่อนที่ได้ แต่เมื่อมีแหล่งจ่ายแรงดันภายนอก 100 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (psi) ผ่านกราไฟต์ที่มีรูพรุนไปยังหน้าซีล แรงดังกล่าวแทบจะไม่ต้องใช้เลยในการเริ่มเคลื่อนที่ ทั้งๆ ที่ยังคงมีแรงปิด 1,000 ปอนด์บีบหน้าซีลทั้งสองเข้าด้วยกัน และหน้าซีลทั้งสองสัมผัสกัน

วัสดุตลับลูกปืนแบบเรียบประเภทหนึ่ง เช่น กราไฟต์ คาร์บอน และเซรามิก เช่น อะลูมินาและซิลิคอนคาร์ไบด์ ซึ่งเป็นที่รู้จักในอุตสาหกรรมเทอร์โบและมีรูพรุนตามธรรมชาติ จึงสามารถใช้เป็นตลับลูกปืนแบบมีแรงดันภายนอกที่เป็นตลับลูกปืนแบบฟิล์มของไหลแบบไม่สัมผัสได้ มีฟังก์ชันแบบไฮบริดที่ใช้แรงดันภายนอกเพื่อปลดน้ำหนักแรงกดสัมผัสหรือแรงปิดของซีลจากไตรโบโลยีที่เกิดขึ้นบนหน้าสัมผัสของซีล ซึ่งช่วยให้ผู้ควบคุมปั๊มสามารถปรับการทำงานภายนอกปั๊มได้ เพื่อรับมือกับการใช้งานที่มีปัญหาและการทำงานที่ความเร็วสูงขึ้นในขณะที่ใช้ซีลเชิงกล

หลักการนี้ยังใช้ได้กับแปรงถ่าน คอมมิวเตเตอร์ ตัวกระตุ้น หรือตัวนำสัมผัสใดๆ ที่อาจใช้รับข้อมูลหรือกระแสไฟฟ้าเข้าหรือออกจากวัตถุที่กำลังหมุน เมื่อโรเตอร์หมุนเร็วขึ้นและค่าการหมดรอบเพิ่มขึ้น การทำให้อุปกรณ์เหล่านี้สัมผัสกับเพลาได้ยาก และมักจำเป็นต้องเพิ่มแรงกดสปริงที่ยึดอุปกรณ์ไว้กับเพลา น่าเสียดายที่โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีที่ทำงานด้วยความเร็วสูง แรงสัมผัสที่เพิ่มขึ้นนี้ยังส่งผลให้เกิดความร้อนและการสึกหรอมากขึ้น หลักการไฮบริดแบบเดียวกับที่ใช้กับซีลเชิงกลที่อธิบายไว้ข้างต้นสามารถนำมาประยุกต์ใช้ได้เช่นกัน โดยต้องใช้การสัมผัสทางกายภาพเพื่อให้เกิดการนำไฟฟ้าระหว่างชิ้นส่วนที่อยู่กับที่และชิ้นส่วนที่กำลังหมุน แรงดันภายนอกสามารถนำมาใช้เช่นเดียวกับแรงดันจากกระบอกสูบไฮดรอลิก เพื่อลดแรงเสียดทานที่ส่วนต่อประสานแบบไดนามิก ในขณะเดียวกันก็ยังคงเพิ่มแรงสปริงหรือแรงปิดที่จำเป็นในการรักษาให้แปรงถ่านหรือซีลสัมผัสกับเพลาที่กำลังหมุน