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. Dies bezieht sich darauf, welcher Prozentsatz des Prozessdrucks, wenn überhaupt, hinter der stationären Dichtfläche anliegen kann. Wird die Dichtfläche nicht gegen die rotierende Fläche gedrückt (wie bei einer Schieberdichtung) oder kann Prozessflüssigkeit mit dem abzudichtenden Druck nicht hinter die Dichtfläche gelangen, würde der Prozessdruck die Dichtfläche zurückdrücken und öffnen. Der Dichtungskonstrukteur muss alle Betriebsbedingungen berücksichtigen, um eine Dichtung mit der erforderlichen Schließkraft zu konstruieren, die jedoch nicht zu hoch ist, da die Einheitsbelastung an der dynamischen Dichtfläche zu viel Hitze und Verschleiß verursacht. Dieses empfindliche Gleichgewicht ist entscheidend für die Pumpenzuverlässigkeit.
die dynamischen Dichtungsflächen, indem sie eine Öffnungskraft ermöglichen, statt der herkömmlichen Art und Weise
Ausgleich der Schließkraft, wie oben beschrieben. Dadurch wird die erforderliche Schließkraft nicht eliminiert, sondern dem Pumpenkonstrukteur und -benutzer ein weiterer Dreh an die Hand gegeben, indem die Dichtflächen entlastet werden können, während die erforderliche Schließkraft erhalten bleibt. Dadurch werden Wärmeentwicklung und Verschleiß reduziert und die möglichen Betriebsbedingungen erweitert.
Trockengasdichtungen (DGS), die häufig in Kompressoren eingesetzt werden, erzeugen eine Öffnungskraft an den Dichtungsflächen. Diese Kraft wird durch ein aerodynamisches Lagerprinzip erzeugt, bei dem feine Pumpnuten das Gas von der Hochdruckprozessseite der Dichtung in den Spalt und über die Dichtungsfläche befördern, wodurch ein berührungsloses Flüssigkeitsfilmlager entsteht.
Die aerodynamische Lageröffnungskraft einer trockenen Gasdichtfläche. Die Steigung der Linie stellt die Steifigkeit an einem Spalt dar. Der Spalt wird in Mikrometern angegeben.
Das gleiche Phänomen tritt in den hydrodynamischen Öllagern auf, die die meisten großen Kreiselkompressoren und Pumpenrotoren tragen, und ist in den von Bently gezeigten Diagrammen der dynamischen Exzentrizität des Rotors zu sehen. Dieser Effekt sorgt für eine stabile Rücklaufsperre und ist ein wichtiger Faktor für den Erfolg von hydrodynamischen Öllagern und DGS. Gleitringdichtungen verfügen nicht über die feinen Pumpnuten, die in einer aerodynamischen DGS-Fläche zu finden sind. Möglicherweise gibt es eine Möglichkeit, das Prinzip der externen Druckgaslagerung zu nutzen, um die Schließkraft von derGleitringdichtungs.
Qualitative Darstellung der Lagerparameter im Flüssigkeitsfilm im Vergleich zum Exzentrizitätsverhältnis des Zapfens. Steifigkeit K und Dämpfung D sind am geringsten, wenn sich der Zapfen in der Lagermitte befindet. Nähert sich der Zapfen der Lageroberfläche, nehmen Steifigkeit und Dämpfung deutlich zu.
Extern druckbeaufschlagte aerostatische Gaslager verwenden eine Druckgasquelle, während dynamische Lager die Relativbewegung zwischen den Oberflächen ausnutzen, 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 Pumpennuten in den Dichtungsspalt zu leiten. Dadurch können die Dichtungsflächen vor Beginn der Rotation getrennt werden. Selbst wenn die Flächen aneinandergepresst sind, springen sie für reibungsfreie Starts und Stopps auf, wenn direkt zwischen ihnen Druck eingespritzt wird. Darüber hinaus kann bei heißer Dichtung der Druck auf die Dichtungsfläche durch externen Druck erhöht werden. Der Spalt vergrößert sich dann proportional zum Druck, die Scherwärme fällt jedoch kubisch auf den Spalt. Dies gibt dem Bediener neue Möglichkeiten, der Wärmeentwicklung entgegenzuwirken.
Kompressoren bieten einen weiteren Vorteil: Im Gegensatz zu einem DGS gibt es keine Strömung über die Fläche. 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 das Einpressen eines komprimierbaren Gases in eine Pumpe unerwünscht sein kann. Komprimierbare Gase in Pumpen können Kavitation oder Druckschläge 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 Durchfluss realisierbar?
Entschädigung
Alle extern druckbeaufschlagten Lager verfügen über eine Art Ausgleich. Ausgleich ist eine Art Drosselung, die den Druck in Reserve hält. Die gängigste Form des Ausgleichs ist die Verwendung von Blenden, es gibt aber auch Nut-, Stufen- und Porenausgleichstechniken. Durch den Ausgleich können Lager oder Dichtungsflächen eng beieinander laufen, ohne sich zu berühren. Denn je näher sie kommen, desto höher wird der Gasdruck zwischen ihnen, der die Flächen voneinander abstößt.
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 300 Pfund Last aufliegen, herrscht im Lagerspalt ein Durchschnittsdruck von 30 psi. Normalerweise beträgt der Spalt etwa 0,0003 Zoll, und weil er 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 einem Anstieg 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 gestiegene Last zu tragen.
Dies ist eine seitliche Schnittansicht eines typischen Luftlagers mit Öffnung, wie es in einem Koordinatenmessgerät (KMG) zu finden ist. Um ein pneumatisches System als „kompensiertes Lager“ zu betrachten, muss es vor der Lagerspaltverengung eine Verengung aufweisen.
Blenden- vs. Porenkompensation
Die am weitesten verbreitete Form der Kompensation ist die Blendenkompensation. Eine typische Blende hat einen Lochdurchmesser von 0,010 Zoll, aber da sie eine Fläche von einigen Quadratzoll versorgt, versorgt sie eine um mehrere Größenordnungen größere Fläche als sie selbst, sodass die Geschwindigkeit des Gases hoch sein kann. Blenden werden oft präzise aus Rubinen oder Saphiren geschnitten, um eine Erosion der Blendengröße und damit Veränderungen der Lagerleistung zu vermeiden. Ein weiteres Problem besteht darin, dass bei Lücken unter 0,0002 Zoll der Bereich um die Blende herum beginnt, den Fluss zum Rest der Fläche zu drosseln, wodurch der Gasfilm kollabiert. Dasselbe passiert beim Abheben, da nur die Fläche der Blende und eventuelle Nuten zum Anheben zur Verfügung stehen. Dies ist einer der Hauptgründe, warum in Dichtungsplänen keine extern unter Druck stehenden Lager 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 weder Hub noch Luftspalt vorhanden sind. 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 Dichtungsfläche 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 höhere Drehzahlen bei der Verwendung von 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 können. Wenn sich Rotoren schneller drehen und stärker auslaufen, 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 genutzt 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