วิธีการใหม่ของการปรับสมดุลแรงของซีลเชิงกล

ปั๊มเป็นหนึ่งในผู้ใช้ซีลเชิงกลรายใหญ่ที่สุด ตามชื่อ ซีลเชิงกลเป็นซีลแบบสัมผัส ซึ่งแตกต่างจากซีลแบบไม่สัมผัสแบบแอโรไดนามิกหรือแบบเขาวงกตซีลเครื่องกลยังมีลักษณะเป็นซีลเชิงกลแบบสมดุลหรือซีลเครื่องกลไม่สมดุล. ซึ่งหมายถึงเปอร์เซ็นต์ของแรงดันของกระบวนการ (ถ้ามี) ที่สามารถเข้ามาทางด้านหลังหน้าซีลที่หยุดนิ่งได้ หากหน้าซีลไม่ถูกดันให้ไปชนกับหน้าหมุน (เช่น ในซีลประเภทดัน) หรือของเหลวในกระบวนการที่แรงดันที่ต้องการปิดผนึกไม่สามารถเข้าไปทางด้านหลังหน้าซีลได้ แรงดันของกระบวนการจะพัดหน้าซีลกลับและเปิดออก ผู้ออกแบบซีลต้องพิจารณาเงื่อนไขการทำงานทั้งหมดเพื่อออกแบบซีลโดยใช้แรงปิดที่จำเป็น แต่ไม่มากเกินไปจนทำให้แรงกดของหน่วยที่หน้าซีลแบบไดนามิกสร้างความร้อนและการสึกหรอมากเกินไป นี่คือความสมดุลที่ละเอียดอ่อนที่สร้างหรือทำลายความน่าเชื่อถือของปั๊ม

ซีลแบบไดนามิกจะทำหน้าที่เปิดโดยอาศัยแรงมากกว่าวิธีการแบบเดิม
การสร้างสมดุลของแรงปิดดังที่อธิบายไว้ข้างต้น การกระทำดังกล่าวไม่ได้ขจัดแรงปิดที่จำเป็น แต่ช่วยให้ผู้ออกแบบปั๊มและผู้ใช้มีปุ่มหมุนอีกปุ่มหนึ่งเพื่อปลดน้ำหนักหรือขนถ่ายหน้าซีล ในขณะที่ยังคงรักษาแรงปิดที่จำเป็นเอาไว้ จึงช่วยลดความร้อนและการสึกหรอ พร้อมทั้งขยายเงื่อนไขการทำงานที่เป็นไปได้

ซีลก๊าซแห้ง (DGS)มักใช้ในคอมเพรสเซอร์ เพื่อสร้างแรงเปิดที่หน้าซีล แรงนี้เกิดจากหลักการแบริ่งอากาศพลศาสตร์ โดยร่องปั๊มละเอียดจะช่วยกระตุ้นให้ก๊าซจากด้านกระบวนการแรงดันสูงของซีลไหลเข้าไปในช่องว่างและข้ามหน้าซีลในลักษณะแบริ่งฟิล์มของไหลแบบไม่สัมผัส

แรงเปิดของตลับลูกปืนอากาศพลศาสตร์ของหน้าซีลก๊าซแห้ง ความลาดเอียงของเส้นแสดงถึงความแข็งที่ช่องว่าง โปรดทราบว่าช่องว่างมีหน่วยเป็นไมครอน
ปรากฏการณ์เดียวกันนี้เกิดขึ้นในตลับลูกปืนน้ำมันไฮโดรไดนามิกที่รองรับคอมเพรสเซอร์แบบแรงเหวี่ยงขนาดใหญ่และโรเตอร์ปั๊มส่วนใหญ่ และพบเห็นได้ในกราฟความเยื้องศูนย์ไดนามิกของโรเตอร์ที่แสดงโดย Bently ผลกระทบนี้ให้จุดหยุดนิ่งที่มั่นคงและเป็นองค์ประกอบสำคัญในการประสบความสำเร็จของตลับลูกปืนน้ำมันไฮโดรไดนามิกและ DGS ซีลเชิงกลไม่มีร่องปั๊มละเอียดที่อาจพบได้ในพื้นผิว DGS แบบอากาศพลศาสตร์ อาจมีวิธีใช้หลักการของตลับลูกปืนก๊าซที่มีแรงดันภายนอกเพื่อปลดน้ำหนักแรงปิดจากหน้าซีลเชิงกลs.

กราฟเชิงคุณภาพของพารามิเตอร์แบริ่งฟิล์มของไหลเทียบกับอัตราส่วนความเยื้องศูนย์ของแกน ความแข็ง K และการหน่วง D จะน้อยที่สุดเมื่อแกนอยู่ตรงกลางของแบริ่ง เมื่อแกนเข้าใกล้พื้นผิวแบริ่ง ความแข็งและการหน่วงจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก

ตลับลูกปืนแก๊สแอโรสแตติกแบบมีแรงดันภายนอกใช้แหล่งแก๊สที่มีแรงดัน ในขณะที่ตลับลูกปืนแบบไดนามิกใช้การเคลื่อนที่สัมพันธ์กันระหว่างพื้นผิวเพื่อสร้างแรงดันช่องว่าง เทคโนโลยีที่มีแรงดันภายนอกมีข้อได้เปรียบพื้นฐานอย่างน้อยสองประการ ประการแรก แก๊สที่มีแรงดันอาจถูกฉีดโดยตรงระหว่างหน้าซีลในลักษณะที่ควบคุมได้ แทนที่จะกระตุ้นให้แก๊สเข้าไปในช่องว่างซีลด้วยร่องปั๊มตื้นๆ ที่ต้องมีการเคลื่อนที่ วิธีนี้ช่วยให้แยกหน้าซีลออกจากกันก่อนเริ่มหมุน แม้ว่าหน้าซีลจะถูกบิดเข้าด้วยกัน หน้าซีลจะเปิดออกเพื่อเริ่มต้นโดยปราศจากแรงเสียดทาน และหยุดเมื่อแรงดันถูกฉีดโดยตรงระหว่างหน้าซีล นอกจากนี้ หากซีลทำงานด้วยความร้อนสูง ก็สามารถเพิ่มแรงดันที่หน้าซีลได้ด้วยแรงดันภายนอก ช่องว่างจะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนของแรงดัน แต่ความร้อนจากการเฉือนจะตกอยู่ที่ฟังก์ชันลูกบาศก์ของช่องว่าง วิธีนี้ทำให้ผู้ปฏิบัติงานมีความสามารถใหม่ในการใช้ประโยชน์จากการสร้างความร้อน

คอมเพรสเซอร์มีข้อดีอีกประการหนึ่งคือไม่มีการไหลผ่านหน้าปั๊มเหมือนกับใน DGS แต่แรงดันสูงสุดจะอยู่ระหว่างหน้าซีล และแรงดันภายนอกจะไหลเข้าสู่บรรยากาศหรือระบายออกด้านหนึ่งและเข้าสู่คอมเพรสเซอร์จากอีกด้านหนึ่ง ซึ่งจะเพิ่มความน่าเชื่อถือโดยรักษากระบวนการให้อยู่นอกช่องว่าง ในปั๊ม ข้อดีนี้อาจไม่ใช่ข้อดี เนื่องจากอาจไม่พึงประสงค์ที่จะบังคับให้ก๊าซอัดเข้าไปในปั๊ม ก๊าซอัดภายในปั๊มอาจทำให้เกิดโพรงอากาศหรือปัญหาค้อนลม อย่างไรก็ตาม การมีซีลแบบไม่สัมผัสหรือไม่มีแรงเสียดทานสำหรับปั๊มโดยไม่มีข้อเสียของการไหลของก๊าซเข้าสู่กระบวนการปั๊มจะเป็นเรื่องที่น่าสนใจ เป็นไปได้หรือไม่ที่จะมีตลับลูกปืนก๊าซที่มีแรงดันภายนอกโดยไม่มีการไหลเป็นศูนย์?

ค่าตอบแทน
ตลับลูกปืนที่มีแรงดันภายนอกทั้งหมดมีการชดเชยในรูปแบบใดรูปแบบหนึ่ง การชดเชยเป็นรูปแบบหนึ่งของการจำกัดที่กักเก็บแรงดันสำรองไว้ รูปแบบการชดเชยที่พบมากที่สุดคือการใช้รูพรุน แต่ยังมีเทคนิคการชดเชยแบบร่อง ขั้นบันได และแบบมีรูพรุน การชดเชยช่วยให้ตลับลูกปืนหรือหน้าซีลเคลื่อนที่ใกล้กันโดยไม่สัมผัสกัน เนื่องจากยิ่งอยู่ใกล้กันมากเท่าไร แรงดันแก๊สระหว่างหน้าจะยิ่งสูงขึ้น ทำให้หน้าทั้งสองแยกออกจากกัน

ตัวอย่างเช่น ภายใต้ตลับลูกปืนแก๊สที่มีการชดเชยรูแบน (รูปภาพ 3) ค่าเฉลี่ย
แรงดันในช่องว่างจะเท่ากับภาระทั้งหมดบนตลับลูกปืนหารด้วยพื้นที่หน้าสัมผัส ซึ่งถือเป็นภาระหนึ่งหน่วย หากแรงดันก๊าซที่แหล่งกำเนิดนี้คือ 60 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (psi) และหน้าสัมผัสมีพื้นที่ 10 ตารางนิ้ว และมีน้ำหนักบรรทุก 300 ปอนด์ ช่องว่างตลับลูกปืนจะมีแรงดันเฉลี่ย 30 psi โดยทั่วไป ช่องว่างจะอยู่ที่ประมาณ 0.0003 นิ้ว และเนื่องจากช่องว่างมีขนาดเล็กมาก อัตราการไหลจึงอยู่ที่ประมาณ 0.2 ลูกบาศก์ฟุตมาตรฐานต่อนาที (scfm) เท่านั้น เนื่องจากมีตัวจำกัดรูพรุนอยู่ก่อนช่องว่างเพื่อกักเก็บแรงดันสำรองไว้ หากภาระเพิ่มขึ้นเป็น 400 ปอนด์ ช่องว่างตลับลูกปืนจะลดลงเหลือประมาณ 0.0002 นิ้ว ทำให้การไหลผ่านช่องว่างลดลง 0.1 scfm การเพิ่มขึ้นของการจำกัดครั้งที่สองนี้ทำให้ตัวจำกัดรูพรุนมีอัตราการไหลเพียงพอที่จะให้แรงดันเฉลี่ยในช่องว่างเพิ่มขึ้นเป็น 40 psi และรองรับน้ำหนักที่เพิ่มขึ้นได้

นี่คือมุมมองด้านข้างแบบตัดขวางของตลับลูกปืนอากาศรูพรุนทั่วไปที่พบในเครื่องวัดพิกัด (CMM) หากระบบลมจะถือว่าเป็น "ตลับลูกปืนชดเชย" จะต้องมีการจำกัดเหนือการจำกัดช่องว่างของตลับลูกปืน
การชดเชยรูพรุนเทียบกับรูพรุน
การชดเชยรูพรุนเป็นรูปแบบการชดเชยที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด รูพรุนทั่วไปอาจมีเส้นผ่านศูนย์กลางรูพรุน 0.010 นิ้ว แต่เนื่องจากรูพรุนป้อนพื้นที่เพียงไม่กี่ตารางนิ้ว จึงป้อนพื้นที่มากกว่าตัวมันเองหลายเท่า ดังนั้นความเร็วของก๊าซจึงสูงได้ บ่อยครั้งที่รูพรุนถูกตัดอย่างแม่นยำจากทับทิมหรือแซฟไฟร์เพื่อหลีกเลี่ยงการสึกกร่อนของขนาดรูพรุนและการเปลี่ยนแปลงในประสิทธิภาพของตลับลูกปืน อีกปัญหาหนึ่งคือที่ช่องว่างต่ำกว่า 0.0002 นิ้ว พื้นที่รอบ ๆ รูพรุนจะเริ่มปิดกั้นการไหลไปยังส่วนที่เหลือของหน้า ซึ่งเป็นจุดที่ฟิล์มก๊าซจะยุบตัวลง สิ่งเดียวกันนี้เกิดขึ้นตอนยกตัวออก เนื่องจากมีเพียงพื้นที่ของรูพรุนและร่องเท่านั้นที่พร้อมจะเริ่มยกตัวขึ้น นี่เป็นหนึ่งในเหตุผลหลักที่ไม่พบตลับลูกปืนที่มีแรงดันภายนอกในแผนผังซีล

นี่ไม่ใช่กรณีของตลับลูกปืนที่มีการชดเชยที่มีรูพรุน แต่ความแข็งจะยังคงดำเนินต่อไป
เพิ่มขึ้นตามปริมาณงานที่เพิ่มขึ้นและช่องว่างลดลง เช่นเดียวกับกรณีของ DGS (ภาพ 1)
ตลับลูกปืนน้ำมันไฮโดรไดนามิก ในกรณีของตลับลูกปืนที่มีรูพรุนที่มีแรงดันภายนอก ตลับลูกปืนจะอยู่ในโหมดแรงสมดุลเมื่อแรงดันอินพุตคูณด้วยพื้นที่เท่ากับน้ำหนักรวมที่ตลับลูกปืนรับไว้ นี่เป็นกรณีไตรโบโลยีที่น่าสนใจ เนื่องจากไม่มีแรงยกหรือช่องว่างอากาศเลย การไหลจะเป็นศูนย์ แต่แรงไฮโดรสแตติกของแรงดันอากาศที่กระทำกับพื้นผิวตรงข้ามใต้หน้าตลับลูกปืนยังคงทำให้น้ำหนักรวมลดลง และส่งผลให้ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานเกือบเป็นศูนย์ แม้ว่าหน้าทั้งสองจะยังคงสัมผัสกันก็ตาม

ตัวอย่างเช่น หากหน้าซีลกราไฟต์มีพื้นที่ 10 ตารางนิ้วและมีแรงปิด 1,000 ปอนด์ และกราไฟต์มีค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน 0.1 จะต้องใช้แรง 100 ปอนด์จึงจะเริ่มเคลื่อนที่ได้ แต่เมื่อมีแหล่งแรงดันภายนอก 100 ปอนด์ต่อตารางนิ้วส่งผ่านกราไฟต์ที่มีรูพรุนไปยังหน้าซีล จึงแทบจะไม่ต้องใช้แรงเลยในการเริ่มเคลื่อนที่ แม้ว่าแรงปิด 1,000 ปอนด์จะยังบีบหน้าซีลทั้งสองเข้าหากันและหน้าซีลทั้งสองก็สัมผัสกัน

วัสดุสำหรับตลับลูกปืนแบบเรียบ เช่น กราไฟท์ คาร์บอน และเซรามิก เช่น อะลูมินาและซิลิกอนคาร์ไบด์ ซึ่งเป็นที่ทราบกันดีในอุตสาหกรรมเทอร์โบและมีรูพรุนตามธรรมชาติ จึงสามารถใช้เป็นตลับลูกปืนที่มีแรงดันภายนอกซึ่งเป็นตลับลูกปืนแบบฟิล์มของไหลที่ไม่สัมผัสกัน มีฟังก์ชันไฮบริดที่ใช้แรงดันภายนอกเพื่อปลดแรงกดสัมผัสหรือแรงปิดของซีลจากไตรโบโลยีที่เกิดขึ้นบนหน้าซีลที่สัมผัสกัน ซึ่งช่วยให้ผู้ควบคุมปั๊มสามารถปรับบางอย่างภายนอกปั๊มได้ เพื่อจัดการกับการใช้งานที่มีปัญหาและการทำงานที่ความเร็วสูงในขณะที่ใช้ซีลเชิงกล

หลักการนี้ยังใช้ได้กับแปรงถ่าน คอมมิวเตเตอร์ ตัวกระตุ้น หรือตัวนำสัมผัสใดๆ ที่อาจใช้ในการรับข้อมูลหรือกระแสไฟฟ้าเข้าหรือออกจากวัตถุที่หมุน เมื่อโรเตอร์หมุนเร็วขึ้นและหมดแรงมากขึ้น อาจเป็นเรื่องยากที่จะให้เครื่องมือเหล่านี้สัมผัสกับเพลา และมักจำเป็นต้องเพิ่มแรงกดของสปริงที่ยึดเครื่องมือเหล่านี้ไว้กับเพลา น่าเสียดายที่โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีที่ทำงานด้วยความเร็วสูง แรงสัมผัสที่เพิ่มขึ้นนี้ยังส่งผลให้เกิดความร้อนและการสึกหรอมากขึ้น หลักการไฮบริดแบบเดียวกันที่ใช้กับหน้าซีลเชิงกลที่อธิบายไว้ข้างต้นสามารถนำไปใช้ที่นี่ได้เช่นกัน โดยต้องมีการสัมผัสทางกายภาพเพื่อให้มีสภาพนำไฟฟ้าระหว่างชิ้นส่วนที่อยู่กับที่และหมุนได้ แรงดันภายนอกสามารถใช้ได้เช่นเดียวกับแรงดันจากกระบอกไฮดรอลิกเพื่อลดแรงเสียดทานที่อินเทอร์เฟซแบบไดนามิกในขณะที่ยังคงเพิ่มแรงสปริงหรือแรงปิดที่จำเป็นเพื่อให้หน้าแปรงถ่านหรือซีลสัมผัสกับเพลาที่หมุนอยู่