Pumpen gehören zu den größten Abnehmern von Gleitringdichtungen. Wie der Name schon sagt, sind Gleitringdichtungen Kontaktdichtungen, die sich von aerodynamischen oder Labyrinthdichtungen unterscheiden.Gleitringdichtungenwerden auch als ausbalancierte Gleitringdichtung oderUnwucht-GleitringdichtungDies bezieht sich darauf, welcher Anteil des Prozessdrucks – wenn überhaupt – hinter die stationäre Dichtfläche gelangen kann. Wird die Dichtfläche nicht gegen die rotierende Dichtfläche gepresst (wie bei einer Druckdichtung) oder gelangt das Prozessmedium mit dem zu dichtenden Druck nicht hinter die Dichtfläche, 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 so hoch ist, dass die Belastung der dynamischen Dichtfläche zu übermäßiger Wärmeentwicklung und Verschleiß führt. Dies ist ein heikles Gleichgewicht, das über die Zuverlässigkeit der Pumpe entscheidet.
die dynamischen Dichtungsflächen durch Ermöglichung einer Öffnungskraft anstelle der herkömmlichen Methode
Wie oben beschrieben, wird die Schließkraft ausgeglichen. Dadurch wird die erforderliche Schließkraft nicht beseitigt, sondern dem Pumpenkonstrukteur und -anwender eine zusätzliche Stellgröße zur Verfügung gestellt. Durch die Entlastung der Dichtflächen bei gleichbleibender Schließkraft werden Wärmeentwicklung und Verschleiß reduziert und gleichzeitig der Anwendungsbereich erweitert.
Trockengasdichtungen (DGS)Die in Kompressoren häufig verwendeten Dichtungen erzeugen eine Öffnungskraft an den Dichtflächen. Diese Kraft beruht auf einem aerodynamischen Lagerprinzip: Feine Pumprillen fördern das Gas von der Hochdruckseite der Dichtung in den Spalt und über die Dichtfläche – ein berührungsloses Gleitlager.
Die aerodynamische Öffnungskraft einer trockenen Gasdichtungsfläche. Die Steigung der Linie repräsentiert die Steifigkeit im Spaltbereich. Der Spalt wird in Mikrometern angegeben.
Das gleiche Phänomen tritt in den hydrodynamischen Öllagern auf, die die meisten großen Zentrifugalkompressoren und Pumpenrotoren stützen, und ist in den von Bently dargestellten Diagrammen zur Rotordynamikexzentrizität sichtbar. Dieser Effekt sorgt für einen stabilen Anschlag und ist ein wichtiger Faktor für den Erfolg von hydrodynamischen Öllagern und DGS (Dynamic Ground System). Gleitringdichtungen verfügen nicht über die feinen Pumprillen, die beispielsweise in einer aerodynamischen DGS-Dichtungsfläche zu finden sind. Möglicherweise lässt sich die Schließkraft durch Anwendung von Prinzipien extern druckbeaufschlagter Gaslager reduzieren.Gleitringdichtungs.
Qualitative Darstellungen der Parameter von Gleitlagern in Abhängigkeit vom Zapfenexzentrizitätsverhältnis. Steifigkeit K und Dämpfung D sind minimal, wenn sich der Zapfen in der Lagermitte befindet. Nähert sich der Zapfen der Lageroberfläche, steigen Steifigkeit und Dämpfung deutlich an.
Extern druckbeaufschlagte aerostatische Gaslager nutzen eine Druckgasquelle, während dynamische Lager die Relativbewegung zwischen den Dichtflächen zur Erzeugung von Spaltdruck verwenden. Die externe Drucktechnologie bietet mindestens zwei grundlegende Vorteile. Erstens kann das Druckgas kontrolliert direkt zwischen die Dichtflächen eingespritzt werden, anstatt es über flache, bewegungsabhängige Pumpnuten in den Dichtspalt zu befördern. Dadurch lassen sich die Dichtflächen vor Rotationsbeginn trennen. Selbst wenn die Flächen aneinandergepresst sind, öffnen sie sich für reibungsloses Anfahren und Anhalten, sobald Druck direkt zwischen ihnen eingespritzt wird. Zweitens kann bei hoher Betriebstemperatur der Druck auf die Dichtfläche durch externen Druck erhöht werden. Der Spalt vergrößert sich dann proportional zum Druck, die durch Scherung entstehende Wärme nimmt jedoch mit der dritten Potenz des Spalts ab. Dies eröffnet dem Bediener neue Möglichkeiten zur Reduzierung der Wärmeentwicklung.
Ein weiterer Vorteil bei Kompressoren besteht darin, dass im Gegensatz zu DGS kein Gasstrom über die Dichtfläche fließt. Stattdessen herrscht der höchste Druck zwischen den Dichtflächen, und der Außendruck entweicht in die Atmosphäre oder wird auf der einen Seite abgeleitet und gelangt auf der anderen Seite in den Kompressor. Dies erhöht die Zuverlässigkeit, da der Prozess aus dem Spalt ferngehalten wird. Bei Pumpen kann dies jedoch ein Nachteil sein, da es unerwünscht sein kann, ein kompressibles Gas in eine Pumpe zu pressen. Kompressible Gase in Pumpen können Kavitation oder Druckstöße verursachen. Interessant wäre jedoch eine berührungslose oder reibungsfreie Dichtung für Pumpen ohne den Nachteil eines Gasstroms in den Pumpenprozess. Wäre es möglich, ein extern druckbeaufschlagtes Gaslager ohne Durchfluss zu realisieren?
Entschädigung
Alle extern druckbeaufschlagten Lager verfügen über eine Form der Kompensation. Die Kompensation ist eine Art Drosselung, die Druckreserven zurückhält. Am häufigsten werden Düsen verwendet, es gibt aber auch Nut-, Stufen- und poröse Kompensationstechniken. Die Kompensation ermöglicht es, dass Lager oder Dichtflächen nahe beieinander laufen, ohne sich zu berühren, da mit zunehmendem Abstand der Gasdruck zwischen ihnen steigt und die Flächen auseinanderdrückt.
Beispielsweise beträgt der Durchschnittswert bei einem flachen, düsenkompensierten Gaslager (Abbildung 3)
Der Druck im Lagerspalt entspricht der Gesamtlast des Lagers geteilt durch die Lagerfläche (Einheitslast). Bei einem Gasdruck von 60 psi (Pfund pro Quadratzoll) und einer Lagerfläche von 10 Quadratzoll sowie einer Last von 300 Pfund beträgt der durchschnittliche Druck im Lagerspalt 30 psi. Typischerweise ist der Spalt etwa 0,0003 Zoll breit, und aufgrund des geringen Spalts beträgt der Durchfluss nur etwa 0,2 Standardkubikfuß pro Minute (scfm). Da sich kurz vor dem Spalt eine Drosselblende befindet, die Druckreserven bereitstellt, verringert sich der Lagerspalt bei einer Lasterhöhung auf 400 Pfund auf etwa 0,0002 Zoll, wodurch der Durchfluss um 0,1 scfm reduziert wird. Diese Erhöhung der Drosselblende ermöglicht es der Drosselblende, den durchschnittlichen Druck im Spalt auf 40 psi zu erhöhen und die erhöhte Last aufzunehmen.
Dies ist eine Schnittansicht eines typischen Düsenluftlagers, wie es in Koordinatenmessgeräten (KMG) verwendet wird. Damit ein pneumatisches System als „kompensiertes Lager“ gilt, muss es eine Drosselstelle vor der Lagerspaltverengung aufweisen.
Öffnungs- vs. Porenkompensation
Die Kompensation durch eine Düse ist die am weitesten verbreitete Form der Kompensation. Eine typische Düse hat einen Lochdurchmesser von 0,254 mm (0,010 Zoll), versorgt aber eine Fläche von mehreren Quadratzentimetern, was einer um mehrere Größenordnungen größeren Fläche entspricht. Dadurch kann die Gasgeschwindigkeit sehr hoch sein. Düsen werden oft präzise aus Rubinen oder Saphiren gefertigt, um eine Erosion der Düsengröße und damit Leistungseinbußen des Lagers zu vermeiden. Ein weiteres Problem besteht darin, dass bei Spaltbreiten unter 0,0051 mm (0,0002 Zoll) der Bereich um die Düse den Durchfluss zur restlichen Gleitfläche behindert, wodurch der Gasfilm zusammenbricht. Dasselbe geschieht beim Abheben, da nur die Fläche der Düse und eventuell vorhandene Nuten für die Einleitung des Abhebens zur Verfügung stehen. Dies ist einer der Hauptgründe, warum extern druckbeaufschlagte Lager in Dichtungsplänen nicht vorkommen.
Dies ist beim porösen Kompensationslager nicht der Fall; hier bleibt die Steifigkeit erhalten.
Die Größe nimmt mit steigender Belastung zu und der Spalt verringert sich, genau wie im Fall von DGS (Bild 1) und
Hydrodynamische Öllager. Bei extern druckbeaufschlagten porösen Lagern befindet sich das Lager im Kraftausgleich, wenn das Produkt aus Eingangsdruck und Fläche der Gesamtlast des Lagers entspricht. Dies ist ein tribologischer Sonderfall, da kein Auftrieb oder Luftspalt vorhanden ist. Es findet kein Durchfluss statt, aber die hydrostatische Kraft des Luftdrucks auf die Gegenfläche unter der Lagerfläche kompensiert die Gesamtlast und führt zu einem nahezu null Reibungskoeffizienten – obwohl die Flächen weiterhin in Kontakt stehen.
Wenn beispielsweise eine Graphit-Dichtungsfläche eine Fläche von 10 Quadratzoll und eine Schließkraft von 1.000 Pfund aufweist und der Reibungskoeffizient des Graphits 0,1 beträgt, wären 100 Pfund Kraft erforderlich, um die Bewegung einzuleiten. Wird jedoch ein externer Druck von 100 psi durch das poröse Graphit auf die Dichtfläche geleitet, wäre praktisch keine Kraft mehr nötig, um die Bewegung einzuleiten. Dies gilt trotz der Tatsache, dass die Schließkraft von 1.000 Pfund die beiden Dichtflächen weiterhin zusammenpresst und diese in physischem Kontakt stehen.
Eine Gruppe von Gleitlagerwerkstoffen, wie Graphit, Kohlenstoffe und Keramiken (z. B. Aluminiumoxid und Siliziumkarbid), die in der Turboindustrie bekannt sind, weisen eine natürliche Porosität auf und eignen sich daher für den Einsatz als extern druckbeaufschlagte, berührungslose Gleitlager. Diese Gleitlager verfügen über eine Hybridfunktion: Der externe Druck entlastet den Anpressdruck bzw. die Schließkraft der Dichtung von den tribologischen Prozessen an den Dichtflächen. Dadurch kann der Pumpenbetreiber außerhalb der Pumpe Anpassungen vornehmen, um auch bei problematischen Anwendungen und höheren Drehzahlen mit Gleitringdichtungen optimale Ergebnisse zu erzielen.
Dieses Prinzip gilt auch für Bürsten, Kommutatoren, Erreger und alle Kontaktleiter, die zur Daten- oder Stromübertragung an rotierenden Objekten verwendet werden. Mit steigender Rotordrehzahl und zunehmendem Rundlauf wird es schwieriger, diese Bauteile in Kontakt mit der Welle zu halten, weshalb oft der Federdruck erhöht werden muss. Gerade bei hohen Drehzahlen führt diese erhöhte Kontaktkraft jedoch auch zu mehr Wärme und Verschleiß. Das oben beschriebene Hybridprinzip für Gleitringdichtungen lässt sich auch hier anwenden, wo ein physischer Kontakt für die elektrische Leitfähigkeit zwischen stationären und rotierenden Teilen erforderlich ist. Der externe Druck, ähnlich dem Druck eines Hydraulikzylinders, reduziert die Reibung an der dynamischen Schnittstelle und erhöht gleichzeitig die Feder- oder Schließkraft, die zum Kontakt der Bürste oder Dichtfläche mit der rotierenden Welle notwendig ist.
Veröffentlichungsdatum: 21. Oktober 2023