Pumpen sind einer der größten Anwender von Gleitringdichtungen. Wie der Name schon sagt, handelt es sich bei Gleitringdichtungen um Kontaktdichtungen, die sich von aerodynamischen oder berührungslosen Labyrinthdichtungen unterscheiden.Gleitringdichtungenwerden auch als entlastete Gleitringdichtung oder bezeichnetunausgeglichene Gleitringdichtung. Dies bezieht sich darauf, wie viel Prozent des Prozessdrucks, wenn überhaupt, hinter der stationären Dichtungsfläche entstehen können. Wenn die Dichtfläche nicht gegen die rotierende Fläche gedrückt wird (wie bei einer Schieberdichtung) oder die abzudichtende Prozessflüssigkeit nicht hinter die Dichtfläche gelangen kann, würde der Prozessdruck die Dichtfläche zurückblasen und offen. Der Dichtungskonstrukteur muss alle Betriebsbedingungen berücksichtigen, um eine Dichtung mit der erforderlichen Schließkraft zu konstruieren, aber nicht so viel Kraft, dass die Einheitsbelastung an der dynamischen Dichtungsfläche zu viel Hitze und Verschleiß erzeugt. Dies ist ein empfindliches Gleichgewicht, das über die Zuverlässigkeit der Pumpe entscheidet.
Die dynamischen Dichtungsflächen werden durch Ermöglichung einer Öffnungskraft im Gegensatz zur herkömmlichen Methode geöffnet
Ausgleich der Schließkraft, wie oben beschrieben. Dadurch entfällt nicht die erforderliche Schließkraft, sondern gibt dem Pumpenkonstrukteur und -benutzer einen weiteren Knopf zum Drehen, indem er eine Entlastung oder Entlastung der Dichtungsflächen ermöglicht und gleichzeitig die erforderliche Schließkraft beibehält, wodurch Hitze und Verschleiß reduziert und gleichzeitig die möglichen Betriebsbedingungen erweitert werden.
Trockengasdichtungen (DGS), die häufig in Kompressoren verwendet werden, sorgen für eine Öffnungskraft an den Dichtungsflächen. Diese Kraft wird durch ein aerodynamisches Lagerprinzip erzeugt, bei dem feine Pumpnuten dazu beitragen, Gas von der Hochdruck-Prozessseite der Dichtung in den Spalt und über die Fläche der Dichtung zu fördern, als berührungsloses Flüssigkeitsfilmlager.
Die aerodynamische Lageröffnungskraft einer trockenen Gasdichtfläche. Die Steigung der Linie ist repräsentativ für die Steifigkeit an einem Spalt. Beachten Sie, dass die Lücke in Mikrometern angegeben ist.
Das gleiche Phänomen tritt bei den hydrodynamischen Öllagern auf, die die meisten großen Zentrifugalkompressoren und Pumpenrotoren tragen, und ist in den Diagrammen der dynamischen Exzentrizität des Rotors zu sehen, die von Bently gezeigt werden. Dieser Effekt sorgt für eine stabile Rücklaufsperre und ist ein wichtiges Element für den Erfolg hydrodynamischer Öllager und DGS . Gleitringdichtungen verfügen nicht über die feinen Pumprillen, die in einer aerodynamischen DGS-Oberfläche zu finden sind. Möglicherweise gibt es eine Möglichkeit, extern unter Druck stehende Gaslagerprinzipien zu verwenden, um die Schließkraft vom Gewicht zu entlastenGleitringdichtungsfläches.
Qualitative Diagramme der Fluidfilmlagerparameter im Vergleich zum Exzentrizitätsverhältnis des Zapfens. Steifigkeit K und Dämpfung D sind minimal, wenn sich der Zapfen in der Mitte des Lagers befindet. Wenn sich der Zapfen der Lageroberfläche nähert, nehmen Steifigkeit und Dämpfung dramatisch zu.
Von außen unter Druck stehende aerostatische Gaslager verwenden eine Druckgasquelle, während dynamische Lager die Relativbewegung zwischen den Oberflächen nutzen, um Spaltdruck zu erzeugen. Die von außen druckbeaufschlagte Technologie hat mindestens zwei grundlegende Vorteile. Erstens kann das unter Druck stehende Gas auf kontrollierte Weise direkt zwischen die Dichtungsflächen injiziert werden, anstatt das Gas durch flache Pumpnuten, die eine Bewegung erfordern, in den Dichtungsspalt zu fördern. Dadurch ist es möglich, die Dichtflächen zu trennen, bevor die Rotation beginnt. Selbst wenn die Flächen zusammengedrückt werden, springen sie auf und starten und stoppen ohne Reibung, wenn Druck direkt zwischen ihnen ausgeübt wird. Wenn die Dichtung außerdem heiß läuft, kann durch externen Druck der Druck auf die Dichtungsfläche erhöht werden. Der Spalt würde sich dann proportional zum Druck vergrößern, aber die Scherwärme würde auf einer Würfelfunktion des Spalts abfallen. Dies gibt dem Betreiber eine neue Möglichkeit, der Wärmeentwicklung entgegenzuwirken.
Ein weiterer Vorteil von Kompressoren besteht darin, dass keine Strömung über die Stirnfläche stattfindet, wie dies bei einem DGS der Fall ist. Stattdessen herrscht zwischen den Dichtungsflächen der höchste Druck, und der Außendruck fließt in die Atmosphäre oder entweicht auf einer Seite und auf der anderen Seite in den Kompressor. Dies erhöht die Zuverlässigkeit, da der Prozess lückenlos bleibt. Bei Pumpen ist dies möglicherweise kein Vorteil, da es unerwünscht sein kann, ein komprimierbares Gas in eine Pumpe zu drücken. Komprimierbare Gase im Inneren von Pumpen können Kavitation oder Probleme mit Luftschlägen verursachen. Interessant wäre jedoch eine berührungslose bzw. reibungsfreie Dichtung für Pumpen ohne den Nachteil des Gasflusses in den Pumpprozess. Könnte es möglich sein, ein von außen unter Druck stehendes Gaslager ohne Durchfluss zu haben?
Entschädigung
Alle von außen mit Druck beaufschlagten Lager verfügen über eine Art Ausgleich. Kompensation ist eine Form der Einschränkung, die den Druck in Reserve hält. Die gebräuchlichste Form der Kompensation ist die Verwendung von Düsen, es gibt aber auch Rillen-, Stufen- und poröse Kompensationstechniken. Durch die Kompensation können Lager oder Dichtflächen dicht aneinander laufen, ohne sich zu berühren, denn je näher sie kommen, desto höher wird der Gasdruck zwischen ihnen, wodurch die Flächen auseinandergedrückt werden.
Als Beispiel gilt unter einem kompensierten Gaslager mit flacher Öffnung (Bild 3) der Durchschnitt
Der Druck im Spalt entspricht der Gesamtlast auf das Lager dividiert durch die Flächenfläche, dies ist die Einheitslast. Wenn dieser Quellgasdruck 60 Pfund pro Quadratzoll (psi) beträgt und die Fläche eine Fläche von 10 Quadratzoll hat und eine Last von 300 Pfund vorhanden ist, liegt im Lagerspalt ein durchschnittlicher Druck von 30 psi vor. Normalerweise beträgt der Spalt etwa 0,0003 Zoll, und da der Spalt so klein ist, beträgt der Durchfluss nur etwa 0,2 Standardkubikfuß pro Minute (scfm). Da sich unmittelbar vor dem Spalt eine Drosselöffnung befindet, die den Druck in Reserve hält, verringert sich der Lagerspalt bei einer Belastung von 400 Pfund auf etwa 0,0002 Zoll, wodurch der Durchfluss durch den Spalt auf 0,1 scfm begrenzt wird. Durch diese Erhöhung der zweiten Drosselung erhält die Drosselöffnung ausreichend Durchfluss, damit der durchschnittliche Druck im Spalt auf 40 psi ansteigen und die erhöhte Last tragen kann.
Dies ist eine geschnittene Seitenansicht eines typischen Düsenluftlagers, das in einer Koordinatenmessmaschine (KMG) zu finden ist. Wenn ein pneumatisches System als „kompensiertes Lager“ betrachtet werden soll, muss es vor der Lagerspaltbegrenzung eine Einschränkung aufweisen.
Öffnung vs. poröse Kompensation
Die Öffnungskompensation ist die am weitesten verbreitete Form der Kompensation. Eine typische Öffnung kann einen Lochdurchmesser von 0,010 Zoll haben, aber da sie nur wenige Quadratzoll Fläche speist, speist sie mehrere Größenordnungen mehr Fläche als sie selbst, also die Geschwindigkeit des Gases kann hoch sein. Öffnungen werden oft präzise aus Rubinen oder Saphiren geschnitten, um eine Erosion der Öffnungsgröße und damit eine Veränderung der Leistung des Lagers zu vermeiden. Ein weiteres Problem besteht darin, dass bei Lücken unter 0,0002 Zoll der Bereich um die Öffnung beginnt, die Strömung zum Rest der Fläche zu drosseln, wodurch der Gasfilm zusammenbricht. Das Gleiche geschieht beim Abheben, da nur der Bereich der Es stehen eine Öffnung und etwaige Rillen zur Verfügung, um den Hub einzuleiten. Dies ist einer der Hauptgründe dafür, dass von außen mit Druck beaufschlagte Lager in Dichtungsplänen nicht vorkommen.
Beim porös kompensierten Lager ist dies nicht der Fall, die Steifigkeit bleibt jedoch bestehen
mit zunehmender Belastung ansteigen und der Spalt kleiner wird, wie es auch bei DGS der Fall ist (Bild 1) und
Hydrodynamische Öllager. Bei von außen mit Druck beaufschlagten porösen Lagern befindet sich das Lager in einem ausgeglichenen Kraftmodus, wenn der Eingangsdruck multipliziert mit der Fläche der Gesamtlast auf das Lager entspricht. Dies ist ein interessanter tribologischer Fall, da weder Auftrieb noch Luftspalt vorhanden sind. Der Durchfluss ist gleich null, aber die hydrostatische Kraft des Luftdrucks gegen die Gegenfläche unter der Lagerfläche entlastet die Gesamtlast immer noch und führt zu einem Reibungskoeffizienten nahe Null – auch wenn die Flächen noch in Kontakt sind.
Wenn beispielsweise eine Dichtungsfläche aus Graphit 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. Aber mit einer externen Druckquelle von 100 psi, die durch den porösen Graphit zu seiner Oberfläche geleitet wird, wäre im Wesentlichen keine Kraft erforderlich, um eine Bewegung einzuleiten. Dies trotz der Tatsache, dass die beiden Flächen immer noch mit einer Schließkraft von 1.000 Pfund zusammengedrückt werden und die Flächen in physischem Kontakt stehen.
Eine Klasse von Gleitlagermaterialien wie Graphit, Kohlenstoff und Keramik wie Aluminiumoxid und Siliziumkarbid, die in der Turboindustrie bekannt sind und von Natur aus porös sind, sodass sie als von außen unter Druck stehende Lager verwendet werden können, bei denen es sich um berührungslose Flüssigkeitsfilmlager handelt. Es gibt eine Hybridfunktion, bei der externer Druck verwendet wird, um den Kontaktdruck oder die Schließkraft der Dichtung von der Tribologie zu entlasten, die in den berührenden Dichtungsflächen vor sich geht. Dadurch kann der Pumpenbetreiber außerhalb der Pumpe Anpassungen vornehmen, um problematische Anwendungen und Betriebe mit höheren Drehzahlen bei Verwendung von Gleitringdichtungen zu bewältigen.
Dieses Prinzip gilt auch für Bürsten, Kommutatoren, Erreger oder andere Kontaktleiter, die zum Ableiten von Daten oder elektrischen Strömen auf oder von rotierenden Objekten verwendet werden können. Da sich die Rotoren schneller drehen und die Unrundheit zunimmt, kann es schwierig sein, diese Geräte in Kontakt mit der Welle zu halten, und es ist oft notwendig, den Federdruck zu erhöhen, der sie gegen die Welle hält. Leider führt diese Erhöhung der Kontaktkraft insbesondere im Hochgeschwindigkeitsbetrieb auch zu mehr Hitze und Verschleiß. Das gleiche Hybridprinzip, das oben auf Gleitringdichtungsflächen angewendet wurde, kann auch hier angewendet werden, wo für die elektrische Leitfähigkeit zwischen den stationären und rotierenden Teilen ein physischer Kontakt erforderlich ist. Der externe Druck kann wie der Druck eines Hydraulikzylinders genutzt werden, um die Reibung an der dynamischen Schnittstelle zu reduzieren und gleichzeitig die Federkraft oder Schließkraft zu erhöhen, die erforderlich ist, um die Bürste oder Dichtungsfläche in Kontakt mit der rotierenden Welle zu halten.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 21. Okt. 2023