Pumpen zählen zu den größten Anwendern von Gleitringdichtungen. Wie der Name schon sagt, handelt es sich bei Gleitringdichtungen um Kontaktdichtungen, die sich von aerodynamischen oder Labyrinthdichtungen ohne Kontakt unterscheiden.Gleitringdichtungenwerden auch als entlastete Gleitringdichtung oderunausgeglichene Gleitringdichtung. Damit ist gemeint, welcher Prozentsatz des Prozessdrucks (falls überhaupt) hinter der stationären Dichtungsfläche ankommen kann. Wird die Dichtungsfläche nicht gegen die rotierende Fläche gedrückt (wie bei einer Schieberdichtung) oder kann kein Prozessfluid mit dem abzudichtenden Druck hinter die Dichtungsfläche gelangen, würde der Prozessdruck die Dichtungsfläche zurückdrücken und öffnen. Der Dichtungskonstrukteur muss alle Betriebsbedingungen berücksichtigen, um eine Dichtung mit der erforderlichen Schließkraft zu konstruieren, die jedoch nicht so stark sein darf, dass die Einheitsbelastung an der dynamischen Dichtungsfläche zu viel Hitze und Verschleiß erzeugt. Dieses empfindliche Gleichgewicht ist entscheidend für die Zuverlässigkeit der Pumpe.
die dynamischen Dichtungsflächen, indem sie eine Öffnungskraft ermöglichen, anstatt der herkömmlichen Art
Ausgleich der Schließkraft, wie oben beschrieben. Dadurch wird die erforderliche Schließkraft nicht eliminiert, sondern dem Pumpenkonstrukteur und -benutzer wird ein weiterer Drehknopf an die Hand gegeben, indem die Dichtflächen entlastet werden können, während die erforderliche Schließkraft erhalten bleibt. Dadurch werden Wärme und Verschleiß reduziert und die möglichen Betriebsbedingungen erweitert.
Trockengasdichtungen (DGS), die häufig in Kompressoren verwendet werden, erzeugen eine Öffnungskraft an den Dichtungsflächen. Diese Kraft wird durch ein aerodynamisches Lagerprinzip erzeugt, bei dem feine Pumpnuten dazu beitragen, Gas von der Hochdruckprozessseite der Dichtung in den Spalt und über die Dichtungsfläche zu befördern, wodurch ein berührungsloses Flüssigkeitsfilmlager entsteht.
Die aerodynamische Lageröffnungskraft einer trockenen Gasdichtfläche. Die Steigung der Linie stellt die Steifigkeit an einem Spalt dar. Beachten Sie, dass der Spalt in Mikrometern angegeben wird.
Das gleiche Phänomen tritt in den hydrodynamischen Öllagern auf, die die meisten großen Kreiselkompressoren und Pumpenrotoren lagern, und ist in den von Bently gezeigten Diagrammen der dynamischen Exzentrizität des Rotors zu sehen. Dieser Effekt sorgt für einen stabilen Rückanschlag und ist ein wichtiger Faktor für den Erfolg von hydrodynamischen Öllagern und DGS. Gleitringdichtungen verfügen nicht über die feinen Pumprillen, die in einer aerodynamischen DGS-Fläche zu finden sind. Es könnte eine Möglichkeit geben, das Prinzip der extern unter Druck stehenden Gaslager zu nutzen, um die Schließkraft von derGleitringdichtungs.
Qualitative Darstellung der Lagerparameter im Flüssigkeitsfilm im Verhältnis zur Exzentrizität des Zapfens. Steifigkeit K und Dämpfung D sind am geringsten, wenn sich der Zapfen in der Mitte des Lagers befindet. Nähert sich der Zapfen der Lageroberfläche, nehmen Steifigkeit und Dämpfung drastisch zu.
Extern druckbeaufschlagte aerostatische Gaslager verwenden eine Druckgasquelle, während dynamische Lager die Relativbewegung zwischen den Oberflächen nutzen, um Spaltdruck zu erzeugen. Die Technologie mit externem Druck bietet mindestens zwei grundlegende Vorteile. Erstens kann das Druckgas kontrolliert direkt zwischen die Dichtungsflächen eingespritzt werden, anstatt es mit flachen, bewegungsintensiven Pumpnuten in den Dichtungsspalt zu leiten. Dadurch können die Dichtungsflächen vor Beginn der Rotation getrennt werden. Selbst wenn die Flächen aneinandergepresst sind, springen sie auf und ermöglichen reibungsfreies Starten und Stoppen, wenn direkt zwischen ihnen Druck eingespritzt wird. Wenn die Dichtung heiß läuft, kann außerdem durch externen Druck der Druck auf die Dichtungsfläche erhöht werden. Der Spalt vergrößert sich dann proportional zum Druck, die Scherwärme fällt jedoch kubisch auf den Spalt. Dadurch erhält der Bediener neue Möglichkeiten, der Wärmeentwicklung entgegenzuwirken.
Ein weiterer Vorteil von Kompressoren besteht darin, dass im Gegensatz zu einem DGS kein Strömungsverlauf über die Fläche stattfindet. Stattdessen herrscht der höchste Druck zwischen den Dichtungsflächen, und der Außendruck strömt in die Atmosphäre oder entlüftet auf der einen Seite und von der anderen Seite in den Kompressor. Dies erhöht die Zuverlässigkeit, da der Prozess nicht in den Spalt gelangt. Bei Pumpen ist dies möglicherweise kein Vorteil, da es unerwünscht sein kann, ein komprimierbares Gas in eine Pumpe zu pressen. Komprimierbare Gase in Pumpen können Kavitation oder Luftschläge verursachen. Es wäre jedoch interessant, eine berührungslose oder reibungslose Dichtung für Pumpen zu haben, ohne den Nachteil des Gasstroms in den Pumpprozess. Wäre ein extern unter Druck stehendes Gaslager ohne Strömung möglich?
Entschädigung
Alle extern druckbeaufschlagten Lager verfügen über eine Art Kompensation. Kompensation ist eine Art der Drosselung, die den Druck in Reserve hält. Die gängigste Form der Kompensation ist die Verwendung von Öffnungen, es gibt aber auch Rillen-, Stufen- und Porenkompensationstechniken. Durch die Kompensation können Lager oder Dichtungsflächen eng beieinander laufen, ohne sich zu berühren. Denn je näher sie kommen, desto höher wird der Gasdruck zwischen ihnen, wodurch die Flächen auseinandergetrieben werden.
Beispielsweise beträgt bei einem kompensierten Gaslager mit flacher Öffnung (Bild 3) der Durchschnitt
Der Druck im Spalt entspricht der Gesamtlast auf dem Lager geteilt durch die Stirnfläche. Dies ist die Einheitslast. Wenn der Quellgasdruck 60 Pfund pro Quadratzoll (psi) beträgt, die Stirnfläche eine Fläche von 10 Quadratzoll hat und eine Last von 300 Pfund vorliegt, herrscht im Lagerspalt ein Durchschnittsdruck von 30 psi. Normalerweise beträgt der Spalt etwa 0,0003 Zoll, und weil der Spalt so klein ist, beträgt der Durchfluss nur etwa 0,2 Standardkubikfuß pro Minute (scfm). Da sich direkt vor dem Spalt eine Drossel befindet, die den Druck in Reserve hält, wird der Lagerspalt bei einer Erhöhung der Last auf 400 Pfund auf etwa 0,0002 Zoll reduziert, wodurch der Durchfluss durch den Spalt auf 0,1 scfm gedrosselt wird. Diese Erhöhung der zweiten Drosselung gibt der Drossel genügend Durchfluss, um den Durchschnittsdruck im Spalt auf 40 psi ansteigen zu lassen und die erhöhte Last zu tragen.
Dies ist eine seitliche Schnittansicht eines typischen Luftlagers mit Öffnung, wie es in einem Koordinatenmessgerät (KMG) zu finden ist. Soll ein pneumatisches System als „kompensiertes Lager“ betrachtet werden, muss es vor der Lagerspaltbegrenzung eine Begrenzung aufweisen.
Öffnungs- vs. Porenkompensation
Die am häufigsten verwendete Kompensationsform ist die Blendenkompensation. Eine typische Blende hat einen Lochdurchmesser von 0,010 Zoll, aber da sie nur eine Fläche von wenigen Quadratzoll versorgt, versorgt sie eine um mehrere Größenordnungen größere Fläche als sie selbst, sodass die Gasgeschwindigkeit hoch sein kann. Blenden werden oft präzise aus Rubinen oder Saphiren geschnitten, um eine Erosion der Blendengröße und damit Leistungsänderungen des Lagers zu vermeiden. Ein weiteres Problem besteht darin, dass bei Spalten unter 0,0002 Zoll der Bereich um die Blende herum beginnt, den Fluss zum Rest der Fläche zu drosseln, wodurch der Gasfilm zusammenbricht. Dasselbe passiert beim Abheben, da nur die Fläche der Blende und eventuelle Nuten zum Anheben zur Verfügung stehen. Dies ist einer der Hauptgründe, warum extern druckbeaufschlagte Lager in Dichtungsplänen nicht vorkommen.
Dies ist beim porösen kompensierten Lager nicht der Fall, stattdessen bleibt die Steifigkeit
erhöhen sich mit zunehmender Belastung und der Abstand wird kleiner, genau wie bei DGS (Bild 1) und
Hydrodynamische Öllager. Bei extern druckbeaufschlagten Sinterlagern befindet sich das Lager im Kraftausgleich, wenn der Eingangsdruck multipliziert mit der Fläche der Gesamtlast des Lagers entspricht. Dies ist ein interessanter tribologischer Fall, da kein Hub oder Luftspalt vorhanden ist. Es gibt zwar keinen Durchfluss, aber die hydrostatische Kraft des Luftdrucks auf die Gegenfläche unter der Lagerfläche entlastet die Gesamtlast und führt zu einem Reibungskoeffizienten nahe Null – obwohl die Flächen weiterhin in Kontakt sind.
Wenn beispielsweise eine Graphit-Dichtfläche eine Fläche von 10 Quadratzoll und eine Schließkraft von 1.000 Pfund aufweist und der Graphit einen Reibungskoeffizienten von 0,1 hat, wären 100 Pfund Kraft erforderlich, um die Bewegung einzuleiten. Mit einer externen Druckquelle von 100 psi, die durch den porösen Graphit zur Fläche geleitet wird, wäre jedoch praktisch keine Kraft erforderlich, um die Bewegung einzuleiten. Und das, obwohl immer noch eine Schließkraft von 1.000 Pfund die beiden Flächen zusammendrückt und die Flächen in physischem Kontakt sind.
Eine Klasse von Gleitlagermaterialien wie Graphit, Kohlenstoff und Keramiken wie Aluminiumoxid und Siliziumkarbide sind in der Turboindustrie bekannt und von Natur aus porös, sodass sie als extern druckbeaufschlagte, berührungslose Flüssigkeitsfilmlager eingesetzt werden können. Es gibt eine Hybridfunktion, bei der externer Druck genutzt wird, um den Anpressdruck bzw. die Schließkraft der Dichtung von der Tribologie der sich berührenden Dichtungsflächen zu entlasten. Dies ermöglicht dem Pumpenbetreiber, außerhalb der Pumpe Anpassungen vorzunehmen, um Problemanwendungen und Hochgeschwindigkeitsbetrieb mit Gleitringdichtungen zu bewältigen.
Dieses Prinzip gilt auch für Bürsten, Kommutatoren, Erreger oder andere Kontaktleiter, die zum Ableiten von Daten oder elektrischen Strömen an rotierende Objekte verwendet werden. Wenn sich Rotoren schneller drehen und der Auslauf zunimmt, kann es schwierig werden, diese Geräte in Kontakt mit der Welle zu halten. Daher ist es häufig erforderlich, den Federdruck zu erhöhen, mit dem sie an der Welle gehalten werden. Leider führt diese Erhöhung der Kontaktkraft, insbesondere bei Hochgeschwindigkeitsbetrieb, auch zu mehr Wärme und Verschleiß. Dasselbe Hybridprinzip, das oben für Gleitringdichtungsflächen beschrieben wurde, kann auch hier angewendet werden, wo physischer Kontakt für die elektrische Leitfähigkeit zwischen den stationären und rotierenden Teilen erforderlich ist. Der externe Druck kann wie der Druck eines Hydraulikzylinders verwendet werden, um die Reibung an der dynamischen Schnittstelle zu verringern und gleichzeitig die Federkraft oder Schließkraft zu erhöhen, die erforderlich ist, um die Bürste oder Dichtungsfläche in Kontakt mit der rotierenden Welle zu halten.
Veröffentlichungszeit: 21. Oktober 2023