วิธีการใหม่ในการปรับสมดุลแรงของซีลเชิงกล

ปั๊มเป็นหนึ่งในอุปกรณ์ที่ใช้ซีลเชิงกลมากที่สุด อย่างที่ชื่อบ่งบอก ซีลเชิงกลเป็นซีลแบบสัมผัส ซึ่งแตกต่างจากซีลแบบไม่สัมผัส เช่น ซีลแอโรไดนามิกหรือซีลแบบเขาวงกตซีลเชิงกลนอกจากนี้ยังจัดเป็นลักษณะเฉพาะของซีลเชิงกลแบบสมดุลหรือซีลเชิงกลที่ไม่สมดุลนี่หมายถึงเปอร์เซ็นต์ของแรงดันกระบวนการ (ถ้ามี) ที่สามารถไหลผ่านด้านหลังหน้าซีลที่อยู่กับที่ได้ หากหน้าซีลไม่ถูกดันให้แนบกับหน้าซีลที่หมุนอยู่ (เช่นในซีลแบบดัน) หรือของเหลวในกระบวนการที่มีแรงดันที่ต้องการปิดผนึกไม่ได้รับอนุญาตให้ไหลผ่านด้านหลังหน้าซีล แรงดันกระบวนการจะดันหน้าซีลกลับและเปิดออก ผู้ออกแบบซีลจำเป็นต้องพิจารณาสภาพการทำงานทั้งหมดเพื่อออกแบบซีลที่มีแรงปิดที่จำเป็น แต่ไม่มากเกินไปจนทำให้ภาระของหน่วยที่หน้าซีลแบบไดนามิกสร้างความร้อนและการสึกหรอมากเกินไป นี่คือความสมดุลที่ละเอียดอ่อนซึ่งส่งผลต่อความน่าเชื่อถือของปั๊ม

ซีลแบบไดนามิกจะทำงานโดยการใช้แรงเปิดแทนวิธีการแบบเดิม
โดยการปรับสมดุลแรงปิดตามที่อธิบายไว้ข้างต้น วิธีนี้ไม่ได้ขจัดแรงปิดที่จำเป็นออกไป แต่ช่วยให้ผู้ออกแบบและผู้ใช้ปั๊มมีตัวเลือกในการปรับแต่งเพิ่มเติม โดยอนุญาตให้ลดน้ำหนักหรือภาระของหน้าสัมผัสซีล ในขณะที่ยังคงรักษาแรงปิดที่ต้องการไว้ ซึ่งจะช่วยลดความร้อนและการสึกหรอ พร้อมทั้งขยายขอบเขตเงื่อนไขการทำงานที่เป็นไปได้ให้กว้างขึ้น

ซีลกันแก๊สแห้ง (DGS)ซีลยาง ซึ่งมักใช้ในคอมเพรสเซอร์ จะสร้างแรงดันเปิดที่หน้าสัมผัสของซีล แรงดันนี้เกิดจากหลักการของแบริ่งแอโรไดนามิก โดยร่องสูบฉีดละเอียดจะช่วยผลักดันก๊าซจากด้านกระบวนการที่มีแรงดันสูงของซีล เข้าไปในช่องว่างและไหลผ่านหน้าสัมผัสของซีลในลักษณะของแบริ่งฟิล์มของเหลวแบบไม่สัมผัส

แรงเปิดของแบริ่งแอโรไดนามิกของหน้าสัมผัสซีลแก๊สแห้ง ความชันของเส้นแสดงถึงความแข็งแกร่ง ณ ช่องว่าง โปรดทราบว่าช่องว่างมีหน่วยเป็นไมครอน
ปรากฏการณ์เดียวกันนี้เกิดขึ้นในแบริ่งน้ำมันไฮโดรไดนามิกที่รองรับคอมเพรสเซอร์แบบแรงเหวี่ยงขนาดใหญ่และโรเตอร์ปั๊มส่วนใหญ่ และสามารถเห็นได้ในแผนภาพความเยื้องศูนย์ไดนามิกของโรเตอร์ที่แสดงโดยเบนท์ลีย์ ผลกระทบนี้ทำให้เกิดจุดหยุดด้านหลังที่มั่นคง และเป็นองค์ประกอบสำคัญในความสำเร็จของแบริ่งน้ำมันไฮโดรไดนามิกและ DGS ซีลเชิงกลไม่มีร่องสูบน้ำละเอียดที่อาจพบได้ในหน้า DGS แบบแอโรไดนามิก อาจมีวิธีใช้หลักการของแบริ่งก๊าซที่อัดแรงดันจากภายนอกเพื่อลดน้ำหนักของแรงปิดจากหน้าซีลเชิงกลs.

กราฟแสดงความสัมพันธ์เชิงคุณภาพของพารามิเตอร์แบริ่งฟิล์มของเหลวกับอัตราส่วนความเยื้องศูนย์ของเพลา ค่าความแข็ง K และค่าการหน่วง D จะมีค่าต่ำสุดเมื่อเพลาอยู่ตรงกลางของแบริ่ง เมื่อเพลาเข้าใกล้พื้นผิวแบริ่ง ค่าความแข็งและการหน่วงจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก

แบริ่งก๊าซแอโรสแตติกแบบใช้แรงดันภายนอกใช้แหล่งก๊าซที่มีแรงดัน ในขณะที่แบริ่งไดนามิกใช้การเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างพื้นผิวเพื่อสร้างแรงดันในช่องว่าง เทคโนโลยีแรงดันภายนอกมีข้อดีพื้นฐานอย่างน้อยสองประการ ประการแรก ก๊าซที่มีแรงดันสามารถฉีดเข้าไประหว่างหน้าสัมผัสของซีลได้โดยตรงอย่างมีระบบ แทนที่จะใช้ร่องปั๊มตื้นๆ ที่ต้องอาศัยการเคลื่อนที่เพื่อดันก๊าซเข้าไปในช่องว่างของซีล วิธีนี้ช่วยให้สามารถแยกหน้าสัมผัสของซีลออกจากกันได้ก่อนที่การหมุนจะเริ่มขึ้น แม้ว่าหน้าสัมผัสจะบิดงอเข้าหากัน แต่ก็สามารถแยกออกจากกันได้โดยไม่มีแรงเสียดทานเมื่อฉีดแรงดันเข้าไปโดยตรงระหว่างหน้าสัมผัส นอกจากนี้ หากซีลร้อนจัด ก็สามารถเพิ่มแรงดันที่หน้าสัมผัสของซีลได้ด้วยแรงดันภายนอก ช่องว่างก็จะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนของแรงดัน แต่ความร้อนจากการเฉือนจะแปรผันตามกำลังสามของช่องว่าง ซึ่งทำให้ผู้ใช้งานมีวิธีการใหม่ในการลดการเกิดความร้อน

ข้อดีอีกประการหนึ่งของคอมเพรสเซอร์คือไม่มีการไหลผ่านหน้าสัมผัสเหมือนใน DGS แต่ความดันสูงสุดจะอยู่ระหว่างหน้าสัมผัสของซีล และความดันภายนอกจะไหลออกสู่บรรยากาศหรือระบายออกทางด้านหนึ่งและเข้าสู่คอมเพรสเซอร์จากอีกด้านหนึ่ง ซึ่งจะช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือโดยการป้องกันไม่ให้กระบวนการไหลเข้าไปในช่องว่าง ในปั๊มนั้นอาจไม่ใช่ข้อดี เพราะการบังคับก๊าซที่อัดได้เข้าไปในปั๊มอาจไม่เป็นที่พึงประสงค์ ก๊าซที่อัดได้ภายในปั๊มอาจทำให้เกิดปัญหาการเกิดโพรงอากาศหรือค้อนอากาศ อย่างไรก็ตาม การมีซีลแบบไม่สัมผัสหรือปราศจากแรงเสียดทานสำหรับปั๊มโดยไม่มีข้อเสียของการไหลของก๊าซเข้าไปในกระบวนการของปั๊มนั้นน่าสนใจ เป็นไปได้หรือไม่ที่จะมีแบริ่งก๊าซที่มีแรงดันภายนอกโดยไม่มีการไหลเลย?

ค่าตอบแทน
ตลับลูกปืนที่รับแรงดันจากภายนอกทั้งหมดจะมีกลไกการชดเชยแรงดันอยู่ การชดเชยแรงดันเป็นรูปแบบหนึ่งของการจำกัดการไหลที่ช่วยกักเก็บแรงดันไว้เป็นสำรอง รูปแบบการชดเชยแรงดันที่พบได้บ่อยที่สุดคือการใช้รูเปิด แต่ก็ยังมีเทคนิคการชดเชยแรงดันแบบร่อง ขั้นบันได และรูพรุนอีกด้วย การชดเชยแรงดันช่วยให้ตลับลูกปืนหรือหน้าสัมผัสของซีลสามารถเคลื่อนที่ชิดกันได้โดยไม่สัมผัสกัน เพราะยิ่งชิดกันมากเท่าไหร่ แรงดันก๊าซระหว่างกันก็จะยิ่งสูงขึ้น ทำให้หน้าสัมผัสถูกผลักออกจากกัน

ตัวอย่างเช่น ภายใต้แบริ่งก๊าซชดเชยรูเปิดแบบแบน (ภาพที่ 3) ค่าเฉลี่ย
แรงดันในช่องว่างจะเท่ากับภาระรวมบนแบริ่งหารด้วยพื้นที่หน้าตัด ซึ่งเรียกว่าภาระต่อหน่วย ถ้าแรงดันก๊าซต้นทางอยู่ที่ 60 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (psi) และหน้าตัดมีพื้นที่ 10 ตารางนิ้ว และมีภาระ 300 ปอนด์ แรงดันเฉลี่ยในช่องว่างแบริ่งจะอยู่ที่ 30 psi โดยทั่วไป ช่องว่างจะมีขนาดประมาณ 0.0003 นิ้ว และเนื่องจากช่องว่างมีขนาดเล็กมาก อัตราการไหลจึงอยู่ที่ประมาณ 0.2 ลูกบาศก์ฟุตมาตรฐานต่อนาที (scfm) เท่านั้น เนื่องจากมีตัวจำกัดการไหลแบบรูพรุนอยู่ก่อนช่องว่างเพื่อกักเก็บแรงดันไว้สำรอง ถ้าภาระเพิ่มขึ้นเป็น 400 ปอนด์ ช่องว่างแบริ่งจะลดลงเหลือประมาณ 0.0002 นิ้ว ทำให้อัตราการไหลผ่านช่องว่างลดลง 0.1 scfm การเพิ่มขึ้นของการจำกัดการไหลครั้งที่สองนี้ทำให้ตัวจำกัดการไหลแบบรูพรุนมีอัตราการไหลเพียงพอที่จะทำให้แรงดันเฉลี่ยในช่องว่างเพิ่มขึ้นเป็น 40 psi และรองรับภาระที่เพิ่มขึ้นได้

นี่คือภาพตัดขวางด้านข้างของแบริ่งลมแบบรูเปิดทั่วไปที่พบในเครื่องวัดพิกัด (CMM) หากระบบนิวแมติกจะถูกพิจารณาว่าเป็น “แบริ่งชดเชย” จะต้องมีตัวจำกัดการไหลอยู่ด้านต้นน้ำของช่องว่างแบริ่ง
การชดเชยแบบรูเปิดเทียบกับการชดเชยแบบรูพรุน
การชดเชยด้วยรูเปิด (Orifice compensation) เป็นรูปแบบการชดเชยที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด รูเปิดทั่วไปอาจมีเส้นผ่านศูนย์กลางรู 0.010 นิ้ว แต่เนื่องจากมันป้อนพื้นที่เพียงไม่กี่ตารางนิ้ว จึงป้อนพื้นที่มากกว่าตัวมันเองหลายเท่า ทำให้ความเร็วของก๊าซสูงได้ บ่อยครั้งที่รูเปิดถูกตัดอย่างแม่นยำจากทับทิมหรือไพลินเพื่อหลีกเลี่ยงการสึกกร่อนของขนาดรูเปิดและการเปลี่ยนแปลงประสิทธิภาพของแบริ่ง อีกประเด็นหนึ่งคือที่ช่องว่างต่ำกว่า 0.0002 นิ้ว พื้นที่รอบรูเปิดจะเริ่มปิดกั้นการไหลไปยังส่วนที่เหลือของหน้าสัมผัส ซึ่งในจุดนั้นฟิล์มก๊าซจะยุบตัวลง เช่นเดียวกับที่เกิดขึ้นเมื่อมีการยกตัวขึ้น เนื่องจากมีเพียงพื้นที่ของรูเปิดและร่องใดๆ เท่านั้นที่สามารถเริ่มต้นการยกตัวได้ นี่เป็นหนึ่งในเหตุผลหลักที่แบริ่งแบบรับแรงดันภายนอกไม่ปรากฏให้เห็นในแผนการออกแบบซีล

แต่สำหรับแบริ่งแบบมีรูพรุนและมีการชดเชยนั้น ความแข็งจะยังคงอยู่ต่อไป
จะเพิ่มขึ้นเมื่อภาระเพิ่มขึ้นและช่องว่างลดลง เช่นเดียวกับกรณีของ DGS (ภาพที่ 1) และ
แบริ่งน้ำมันไฮโดรไดนามิก ในกรณีของแบริ่งพรุนที่รับแรงดันจากภายนอก แบริ่งจะอยู่ในโหมดแรงสมดุลเมื่อแรงดันขาเข้าคูณด้วยพื้นที่เท่ากับภาระรวมบนแบริ่ง นี่เป็นกรณีทางด้านไตรโบโลยีที่น่าสนใจ เนื่องจากไม่มีแรงยกหรือช่องว่างอากาศ การไหลจะเป็นศูนย์ แต่แรงดันไฮโดรสแตติกของอากาศที่กระทำต่อพื้นผิวสัมผัสใต้หน้าแบริ่งยังคงช่วยลดน้ำหนักรวมและส่งผลให้ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานใกล้ศูนย์ แม้ว่าหน้าสัมผัสจะยังคงสัมผัสกันอยู่ก็ตาม

ตัวอย่างเช่น หากหน้าสัมผัสของซีลกราไฟต์มีพื้นที่ 10 ตารางนิ้ว และแรงปิด 1,000 ปอนด์ และกราไฟต์มีสัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน 0.1 จะต้องใช้แรง 100 ปอนด์ในการเริ่มเคลื่อนที่ แต่หากมีแหล่งแรงดันภายนอก 100 psi ถูกส่งผ่านกราไฟต์ที่มีรูพรุนไปยังหน้าสัมผัส จะแทบไม่ต้องใช้แรงเลยในการเริ่มเคลื่อนที่ แม้ว่าจะมีแรงปิด 1,000 ปอนด์บีบหน้าสัมผัสทั้งสองเข้าด้วยกัน และหน้าสัมผัสทั้งสองยังคงสัมผัสกันอยู่ก็ตาม

วัสดุแบริ่งแบบเรียบประเภทหนึ่ง เช่น กราไฟต์ คาร์บอน และเซรามิก เช่น อลูมินาและซิลิคอนคาร์ไบด์ ซึ่งเป็นที่รู้จักในอุตสาหกรรมเทอร์โบ และมีคุณสมบัติเป็นรูพรุนตามธรรมชาติ จึงสามารถใช้เป็นแบริ่งรับแรงดันภายนอกแบบไม่สัมผัสโดยใช้ฟิล์มของเหลว มีฟังก์ชันแบบไฮบริดที่ใช้แรงดันภายนอกเพื่อลดน้ำหนักของแรงกดสัมผัสหรือแรงปิดของซีลจากแรงเสียดทานที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวสัมผัสของซีล これにより ผู้ใช้งานปั๊มสามารถปรับแต่งสิ่งต่างๆ ภายนอกปั๊มเพื่อรับมือกับปัญหาในการใช้งานและการทำงานที่ความเร็วสูงขึ้นขณะใช้ซีลเชิงกลได้

หลักการนี้ยังใช้ได้กับแปรงถ่าน คอมมิวเทเตอร์ ตัวกระตุ้น หรือตัวนำสัมผัสใดๆ ที่อาจใช้ในการส่งข้อมูลหรือกระแสไฟฟ้าเข้าหรือออกจากวัตถุที่หมุนได้ เมื่อโรเตอร์หมุนเร็วขึ้นและอัตราการสึกกร่อนเพิ่มขึ้น อาจเป็นเรื่องยากที่จะรักษาอุปกรณ์เหล่านี้ให้สัมผัสกับเพลา และมักจำเป็นต้องเพิ่มแรงดันสปริงที่ยึดอุปกรณ์เหล่านั้นไว้กับเพลา น่าเสียดาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีของการทำงานที่ความเร็วสูง การเพิ่มแรงสัมผัสนี้ยังส่งผลให้เกิดความร้อนและการสึกหรอมากขึ้น หลักการแบบผสมผสานเดียวกันที่ใช้กับหน้าสัมผัสของซีลเชิงกลที่อธิบายไว้ข้างต้น สามารถนำมาใช้ได้ในกรณีนี้เช่นกัน ซึ่งจำเป็นต้องมีการสัมผัสทางกายภาพเพื่อการนำไฟฟ้าKระหว่างชิ้นส่วนที่อยู่กับที่และชิ้นส่วนที่หมุนได้ แรงดันภายนอกสามารถใช้ได้เช่นเดียวกับแรงดันจากกระบอกไฮดรอลิกเพื่อลดแรงเสียดทานที่ส่วนต่อประสานแบบไดนามิก ในขณะเดียวกันก็เพิ่มแรงสปริงหรือแรงปิดที่จำเป็นในการรักษาแปรงถ่านหรือหน้าสัมผัสของซีลให้สัมผัสกับเพลาที่หมุนอยู่