วิธีใหม่ของแรงที่สมดุลกับซีลเชิงกล

ปั๊มเป็นหนึ่งในผู้ใช้ซีลเชิงกลรายใหญ่ที่สุด ตามชื่อที่แนะนำ ซีลเชิงกลเป็นซีลชนิดสัมผัส แตกต่างจากซีลแบบไม่สัมผัสตามหลักอากาศพลศาสตร์หรือเขาวงกตซีลเครื่องกลยังมีลักษณะเป็นตรากลที่สมดุลหรือซีลเชิงกลไม่สมดุล- นี่หมายถึงเปอร์เซ็นต์ของแรงกดดันในกระบวนการ (ถ้ามี) ที่อาจเกิดขึ้นด้านหลังหน้าซีลที่อยู่นิ่ง หากไม่ได้ดันหน้าซีลเข้ากับหน้าซีลที่กำลังหมุน (เช่นในซีลแบบดัน) หรือประมวลผลของเหลวที่ความดันที่จำเป็นต้องปิดผนึกไม่ได้รับอนุญาตให้เข้าไปด้านหลังหน้าซีล แรงดันในกระบวนการจะพัดหน้าซีลกลับ และเปิด ผู้ออกแบบซีลจำเป็นต้องพิจารณาสภาวะการทำงานทั้งหมดเพื่อออกแบบซีลที่มีแรงปิดที่จำเป็น แต่ไม่มากจนเกินไปจนหน่วยโหลดที่หน้าซีลแบบไดนามิกทำให้เกิดความร้อนและการสึกหรอมากเกินไป นี่คือความสมดุลที่ละเอียดอ่อนซึ่งสร้างหรือทำลายความน่าเชื่อถือของปั๊ม

ใบหน้าซีลแบบไดนามิกโดยการใช้แรงเปิดมากกว่าวิธีทั่วไป
ปรับสมดุลแรงปิดตามที่อธิบายไว้ข้างต้น มันไม่ได้ขจัดแรงปิดที่จำเป็น แต่ช่วยให้ผู้ออกแบบปั๊มและผู้ใช้หมุนปุ่มอีกปุ่มหนึ่งโดยปล่อยให้หน้าซีลไม่มีน้ำหนักหรือขนออก ในขณะที่ยังคงแรงปิดที่จำเป็นอยู่ จึงช่วยลดความร้อนและการสึกหรอในขณะที่ขยายสภาพการทำงานที่เป็นไปได้

ซีลแก๊สแห้ง (DGS)ซึ่งมักใช้ในคอมเพรสเซอร์ ให้แรงเปิดที่หน้าซีล แรงนี้ถูกสร้างขึ้นโดยหลักการของตลับลูกปืนตามหลักอากาศพลศาสตร์ โดยที่ร่องปั๊มละเอียดช่วยกระตุ้นให้ก๊าซจากด้านกระบวนการแรงดันสูงของซีล เข้าไปในช่องว่างและทั่วใบหน้าของซีลในลักษณะเป็นตลับลูกปืนฟิล์มของเหลวแบบไม่สัมผัส

แรงเปิดของแบริ่งตามหลักอากาศพลศาสตร์ของหน้าซีลแก๊สแห้ง ความชันของเส้นเป็นตัวแทนของความแข็งที่ช่องว่าง โปรดทราบว่าช่องว่างมีหน่วยเป็นไมครอน
ปรากฏการณ์เดียวกันนี้เกิดขึ้นในตลับลูกปืนน้ำมันไฮโดรไดนามิกที่รองรับคอมเพรสเซอร์แบบแรงเหวี่ยงและโรเตอร์ปั๊มขนาดใหญ่ส่วนใหญ่ และพบเห็นได้ในแผนความเยื้องศูนย์ไดนามิกของโรเตอร์ที่แสดงโดย Bently เอฟเฟกต์นี้ให้การหยุดถอยหลังที่มั่นคงและเป็นองค์ประกอบสำคัญในความสำเร็จของตลับลูกปืนน้ำมันไฮโดรไดนามิกและ DGS . ซีลเครื่องกลไม่มีร่องปั๊มละเอียดที่อาจพบได้ในผิวหน้า DGS ตามหลักอากาศพลศาสตร์ อาจมีวิธีใช้หลักการแบกก๊าซแรงดันภายนอกเพื่อคลายน้ำหนักแรงปิดจากใบหน้าซีลกลs.

แปลงเชิงคุณภาพของพารามิเตอร์แบริ่งของฟิล์มของไหลเทียบกับอัตราส่วนความเยื้องศูนย์ของเจอร์นัล ความแข็ง K และการทำให้หมาด ๆ D เป็นค่าต่ำสุดเมื่อเจอร์นัลอยู่ที่ศูนย์กลางของตลับลูกปืน เมื่อเจอร์นัลอยู่ใกล้พื้นผิวแบริ่ง ความแข็งและการหน่วงจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก

ตลับลูกปืนก๊าซแอโรสแตติกที่มีแรงดันภายนอกใช้แหล่งก๊าซแรงดัน ในขณะที่ตลับลูกปืนไดนามิกใช้การเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างพื้นผิวเพื่อสร้างแรงดันช่องว่าง เทคโนโลยีแรงดันภายนอกมีข้อได้เปรียบพื้นฐานอย่างน้อยสองประการ ขั้นแรก ก๊าซที่มีแรงดันอาจถูกฉีดโดยตรงระหว่างหน้าซีลในลักษณะที่มีการควบคุม แทนที่จะกระตุ้นให้ก๊าซเข้าไปในช่องว่างของซีลด้วยร่องปั๊มตื้นที่ต้องมีการเคลื่อนไหว ช่วยให้สามารถแยกหน้าซีลก่อนที่จะเริ่มการหมุน แม้ว่าใบหน้าจะบิดเข้าหากัน แต่ใบหน้าทั้งสองก็จะเปิดออกเพื่อเริ่มต้นและหยุดแรงเสียดทานเป็นศูนย์เมื่อมีการฉีดแรงดันระหว่างใบหน้าโดยตรง นอกจากนี้ หากซีลยังร้อนอยู่ อาจเป็นไปได้ด้วยแรงดันภายนอกที่จะเพิ่มแรงกดดันต่อผิวหน้าของซีล ช่องว่างนั้นจะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนตามความดัน แต่ความร้อนจากแรงเฉือนจะตกอยู่ที่ฟังก์ชันลูกบาศก์ของช่องว่าง สิ่งนี้ทำให้ผู้ปฏิบัติงานมีความสามารถใหม่ในการใช้ประโยชน์จากการสร้างความร้อน

มีข้อดีอีกประการหนึ่งของคอมเพรสเซอร์ตรงที่ไม่มีการไหลผ่านผิวหน้าเหมือนอย่างที่มีใน DGS แต่แรงดันสูงสุดจะอยู่ระหว่างหน้าซีล และแรงดันภายนอกจะไหลเข้าสู่บรรยากาศหรือระบายไปด้านหนึ่งและเข้าสู่คอมเพรสเซอร์จากอีกด้านหนึ่ง สิ่งนี้จะเพิ่มความน่าเชื่อถือโดยการรักษากระบวนการให้พ้นจากช่องว่าง ในปั๊ม สิ่งนี้อาจไม่เป็นข้อได้เปรียบเนื่องจากอาจไม่พึงประสงค์ที่จะบังคับก๊าซอัดเข้าไปในปั๊ม ก๊าซอัดภายในปั๊มอาจทำให้เกิดโพรงอากาศหรือปัญหาค้อนลมได้ เป็นเรื่องที่น่าสนใจที่จะมีซีลแบบไม่สัมผัสหรือปราศจากการเสียดสีสำหรับปั๊ม โดยไม่เสียเปรียบการไหลของก๊าซเข้าสู่กระบวนการปั๊ม เป็นไปได้ไหมที่จะมีแบริ่งก๊าซแรงดันภายนอกที่มีการไหลเป็นศูนย์?

ค่าตอบแทน
ตลับลูกปืนที่ได้รับแรงดันจากภายนอกทั้งหมดจะมีการชดเชยบางประเภท การชดเชยเป็นรูปแบบหนึ่งของข้อจำกัดที่กักความกดดันไว้เป็นการสำรอง รูปแบบการชดเชยที่พบบ่อยที่สุดคือการใช้ช่องเปิด แต่ยังมีเทคนิคการชดเชยแบบร่อง ขั้นบันได และแบบมีรูพรุนด้วย การชดเชยช่วยให้ตลับลูกปืนหรือหน้าซีลวิ่งชิดกันโดยไม่ต้องสัมผัสกัน เพราะยิ่งเข้าใกล้ แรงดันแก๊สระหว่างพวกมันก็จะยิ่งสูงขึ้น ส่งผลให้แต่ละหน้าแยกจากกัน

ตัวอย่างเช่น ภายใต้แบริ่งก๊าซชดเชยปากแบน (ภาพที่ 3) ค่าเฉลี่ย
ความดันในช่องว่างจะเท่ากับภาระรวมบนตลับลูกปืนหารด้วยพื้นที่หน้า นี่คือการโหลดหน่วย หากแรงดันก๊าซต้นทางนี้คือ 60 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (psi) และผิวหน้ามีพื้นที่ 10 ตารางนิ้ว และมีน้ำหนักบรรทุก 300 ปอนด์ จะมีช่องว่างแบริ่งโดยเฉลี่ย 30 psi โดยทั่วไป ช่องว่างจะอยู่ที่ประมาณ 0.0003 นิ้ว และเนื่องจากช่องว่างนั้นเล็กมาก อัตราการไหลจึงอยู่ที่ประมาณ 0.2 ลูกบาศก์ฟุตมาตรฐานต่อนาที (scfm) เนื่องจากมีตัวจำกัดออริฟิซก่อนช่องว่างที่กักแรงดันกลับไว้ ถ้าโหลดเพิ่มขึ้นเป็น 400 ปอนด์ ช่องว่างแบริ่งจะลดลงเหลือประมาณ 0.0002 นิ้ว ซึ่งจะจำกัดการไหลผ่านช่องว่างลง 0.1 scfm การเพิ่มขึ้นของข้อจำกัดที่สองนี้ทำให้ตัวจำกัดออริฟิสไหลเพียงพอเพื่อให้แรงดันเฉลี่ยในช่องว่างเพิ่มขึ้นเป็น 40 psi และรองรับโหลดที่เพิ่มขึ้น

นี่เป็นมุมมองด้านข้างแบบตัดออกของตลับลูกปืนอากาศแบบปากทั่วไปที่พบในเครื่องวัดพิกัด (CMM) หากระบบนิวแมติกถือเป็น "ตลับลูกปืนแบบชดเชย" ก็จำเป็นต้องมีข้อจำกัดด้านต้นน้ำของข้อจำกัดช่องว่างตลับลูกปืน
ออริฟิซกับการชดเชยที่มีรูพรุน
การชดเชยออริฟิสเป็นรูปแบบการชดเชยที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย ออริฟิซทั่วไปอาจมีเส้นผ่านศูนย์กลางรูที่ .010 นิ้ว แต่เนื่องจากมันป้อนพื้นที่ไม่กี่ตารางนิ้ว มันจึงป้อนพื้นที่หลายคำสั่งที่มีขนาดมากกว่าตัวมันเอง ดังนั้นความเร็ว ของก๊าซได้สูง บ่อยครั้งที่รูถูกตัดออกจากทับทิมหรือแซฟไฟร์อย่างแม่นยำเพื่อหลีกเลี่ยงการกัดเซาะของขนาดรูและส่งผลให้ประสิทธิภาพของตลับลูกปืนเปลี่ยนไป ปัญหาอีกประการหนึ่งคือที่ช่องว่างต่ำกว่า 0.0002 นิ้ว บริเวณรอบปากเริ่มที่จะหายใจไม่ออกจนไหลไปยังส่วนที่เหลือของใบหน้า ซึ่งเป็นจุดที่ฟิล์มแก๊สยุบตัว เกิดขึ้นเช่นเดียวกันเมื่อยกออกเนื่องจากมีเพียงบริเวณของ มีรูและร่องเพื่อเริ่มการยก นี่เป็นหนึ่งในสาเหตุหลักที่ทำให้ไม่เห็นตลับลูกปืนที่มีแรงดันจากภายนอกในแผนการซีล

นี่ไม่ใช่กรณีของตลับลูกปืนที่มีการชดเชยที่มีรูพรุน แต่ความแข็งยังคงอยู่ต่อไป
เพิ่มขึ้นเมื่อโหลดเพิ่มขึ้นและช่องว่างลดลง เช่นเดียวกับกรณี DGS (ภาพที่ 1) และ
แบริ่งน้ำมันอุทกพลศาสตร์ ในกรณีของตลับลูกปืนที่มีรูพรุนที่มีแรงดันภายนอก ตลับลูกปืนจะอยู่ในโหมดแรงที่สมดุลเมื่อแรงดันอินพุตคูณด้วยพื้นที่เท่ากับภาระทั้งหมดบนตลับลูกปืน นี่เป็นกรณีไตรโบโลยีที่น่าสนใจ เนื่องจากไม่มีลิฟต์หรือช่องว่างอากาศ จะไม่มีการไหล แต่แรงไฮโดรสแตติกของความดันอากาศที่กระทำต่อพื้นผิวเคาน์เตอร์ใต้ผิวหน้าของตลับลูกปืนยังคงไม่ทำให้น้ำหนักบรรทุกทั้งหมดลดลง และส่งผลให้ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานเกือบเป็นศูนย์ แม้ว่าใบหน้าจะยังคงสัมผัสกันก็ตาม

ตัวอย่างเช่น หากหน้าซีลกราไฟท์มีพื้นที่ 10 ตารางนิ้วและมีแรงปิด 1,000 ปอนด์ และกราไฟท์มีค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน 0.1 ก็จะต้องใช้แรง 100 ปอนด์เพื่อเริ่มการเคลื่อนที่ แต่ด้วยแหล่งแรงดันภายนอก 100 psi ที่ส่งผ่านกราไฟท์ที่มีรูพรุนไปที่ด้านหน้า ไม่จำเป็นต้องใช้แรงเป็นศูนย์ในการเริ่มต้นการเคลื่อนไหว แม้ว่ายังคงมีแรงปิด 1,000 ปอนด์บีบใบหน้าทั้งสองเข้าหากันและใบหน้าทั้งสองก็สัมผัสกันทางกายภาพก็ตาม

ประเภทวัสดุตลับลูกปืนธรรมดา เช่น กราไฟต์ คาร์บอน และเซรามิค เช่น อลูมินาและซิลิคอนคาร์ไบด์ ซึ่งเป็นที่รู้จักในอุตสาหกรรมเทอร์โบและมีรูพรุนตามธรรมชาติ ดังนั้นจึงสามารถใช้เป็นตลับลูกปืนที่มีแรงดันภายนอกซึ่งเป็นตลับลูกปืนฟิล์มของเหลวแบบไม่สัมผัส มีฟังก์ชันไฮบริดที่ใช้แรงดันภายนอกเพื่อคลายน้ำหนักของแรงกดสัมผัสหรือแรงปิดของซีลจากไทรโบโลยีที่เกิดขึ้นในพื้นผิวซีลที่สัมผัส ช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานปั๊มสามารถปรับบางสิ่งด้านนอกปั๊มเพื่อจัดการกับการใช้งานที่มีปัญหาและการทำงานที่ความเร็วสูงขึ้นในขณะที่ใช้ซีลเชิงกล

หลักการนี้ยังใช้กับแปรง ตัวสับเปลี่ยน ตัวกระตุ้น หรือตัวนำสัมผัสใดๆ ที่อาจใช้ในการรับข้อมูลหรือกระแสไฟฟ้าเข้าหรือออกจากวัตถุที่กำลังหมุน เนื่องจากโรเตอร์หมุนเร็วขึ้นและหมดสิ้นมากขึ้น การให้อุปกรณ์เหล่านี้สัมผัสกับเพลาอาจเป็นเรื่องยาก และมักจำเป็นต้องเพิ่มแรงดันสปริงที่ยึดอุปกรณ์ไว้กับเพลา น่าเสียดายที่โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีของการทำงานที่ความเร็วสูง แรงสัมผัสที่เพิ่มขึ้นนี้ยังส่งผลให้เกิดความร้อนและการสึกหรอมากขึ้นอีกด้วย หลักการไฮบริดแบบเดียวกันที่ใช้กับพื้นผิวซีลเชิงกลที่อธิบายไว้ข้างต้นสามารถนำไปใช้ได้ที่นี่เช่นกัน โดยที่จำเป็นต้องมีการสัมผัสทางกายภาพสำหรับการนำไฟฟ้าระหว่างชิ้นส่วนที่อยู่กับที่และที่หมุนอยู่ แรงดันภายนอกสามารถนำมาใช้เหมือนกับแรงดันจากกระบอกไฮดรอลิก เพื่อลดแรงเสียดทานที่ส่วนต่อประสานไดนามิก ในขณะที่ยังคงเพิ่มแรงสปริงหรือแรงปิดที่จำเป็นเพื่อให้แปรงหรือหน้าซีลสัมผัสกับเพลาที่กำลังหมุน