طريقة جديدة لموازنة القوى في الأختام الميكانيكية

تُعد المضخات من أكبر مستخدمي موانع التسرب الميكانيكية. وكما يوحي الاسم، فإن موانع التسرب الميكانيكية هي موانع تسرب من نوع التلامس، وتختلف عن موانع التسرب الديناميكية الهوائية أو موانع التسرب المتاهية غير التلامسية.الأختام الميكانيكيةوتتميز أيضاً بأنها مانع تسرب ميكانيكي متوازن أومانع تسرب ميكانيكي غير متوازنيشير هذا إلى النسبة المئوية لضغط العملية، إن وُجد، التي يمكن أن تتسرب خلف سطح مانع التسرب الثابت. إذا لم يُضغط سطح مانع التسرب على السطح الدوار (كما في مانع التسرب من نوع الدفع)، أو إذا لم يُسمح لسائل العملية بالضغط المطلوب للإغلاق بالتسرب خلف سطح مانع التسرب، فإن ضغط العملية سيدفع سطح مانع التسرب للخلف ويفتحه. يحتاج مصمم مانع التسرب إلى مراعاة جميع ظروف التشغيل لتصميم مانع تسرب بقوة إغلاق كافية، ولكن ليس بقوة كبيرة لدرجة أن يؤدي تحميل الوحدة على سطح مانع التسرب المتحرك إلى توليد حرارة زائدة وتآكل. هذا توازن دقيق يُحدد موثوقية المضخة.

يعمل مانع التسرب الديناميكي عن طريق تمكين قوة فتح بدلاً من الطريقة التقليدية لـ
موازنة قوة الإغلاق، كما هو موضح أعلاه. لا تلغي هذه العملية قوة الإغلاق المطلوبة، بل تمنح مصمم المضخة ومستخدمها خيارًا إضافيًا للتحكم من خلال السماح بتخفيف الضغط على أسطح منع التسرب، مع الحفاظ على قوة الإغلاق اللازمة، مما يقلل الحرارة والتآكل ويوسع نطاق ظروف التشغيل الممكنة.

موانع تسرب الغاز الجاف (DGS)تُستخدم هذه التقنية غالبًا في الضواغط، حيث توفر قوة فتح عند أسطح مانع التسرب. وتنشأ هذه القوة من خلال مبدأ التحميل الديناميكي الهوائي، حيث تساعد أخاديد الضخ الدقيقة على دفع الغاز من جانب العملية ذي الضغط العالي لمانع التسرب، إلى الفجوة وعبر سطح مانع التسرب كمحمل غشاء سائل غير تلامسي.

قوة فتح المحمل الديناميكي الهوائي لسطح مانع تسرب الغاز الجاف. يمثل ميل الخط صلابة الفجوة. لاحظ أن الفجوة مُقاسة بالميكرونات.
تحدث الظاهرة نفسها في محامل الزيت الهيدروديناميكية التي تدعم معظم ضواغط الطرد المركزي الكبيرة ودوارات المضخات، وتظهر في مخططات اللامركزية الديناميكية للدوار التي عرضها بنتلي. يوفر هذا التأثير حاجزًا خلفيًا مستقرًا، وهو عنصر مهم في نجاح محامل الزيت الهيدروديناميكية وأنظمة الغاز الديناميكية. لا تحتوي موانع التسرب الميكانيكية على أخاديد الضخ الدقيقة التي قد توجد في سطح نظام الغاز الديناميكي الهوائي. قد يكون من الممكن استخدام مبادئ محامل الغاز المضغوطة خارجيًا لتخفيف قوة الإغلاق الناتجة عن...وجه مانع التسرب الميكانيكيs.

رسوم بيانية نوعية لمعاملات محمل الأغشية السائلة مقابل نسبة لا مركزية المحور. تكون الصلابة (K) والتخميد (D) في أدنى مستوياتهما عندما يكون المحور في مركز المحمل. ومع اقتراب المحور من سطح المحمل، تزداد الصلابة والتخميد بشكل ملحوظ.

تستخدم محامل الغاز الهوائية المضغوطة خارجيًا مصدرًا للغاز المضغوط، بينما تستخدم المحامل الديناميكية الحركة النسبية بين الأسطح لتوليد ضغط الفجوة. تتميز تقنية الضغط الخارجي بميزتين أساسيتين على الأقل. أولًا، يمكن حقن الغاز المضغوط مباشرةً بين سطحي مانع التسرب بطريقة مُحكمة، بدلًا من دفعه إلى فجوة مانع التسرب باستخدام أخاديد ضخ ضحلة تتطلب حركة. وهذا يُتيح فصل سطحي مانع التسرب قبل بدء الدوران. حتى في حال احتكاك السطحين ببعضهما، فإنهما سينفتحان تلقائيًا لبدء وإيقاف الدوران دون أي احتكاك عند حقن الضغط بينهما مباشرةً. إضافةً إلى ذلك، إذا كان مانع التسرب ساخنًا، فمن الممكن زيادة الضغط على سطحه باستخدام الضغط الخارجي. عندئذٍ، ستزداد الفجوة تناسبًا مع الضغط، لكن الحرارة الناتجة عن القص ستتوزع وفقًا لتكعيب الفجوة. وهذا يُتيح للمشغل إمكانية جديدة للتحكم في توليد الحرارة.

تتميز الضواغط بميزة أخرى، وهي عدم وجود تدفق عبر سطحها كما هو الحال في نظام DGS. بدلاً من ذلك، يتركز أعلى ضغط بين سطحي مانع التسرب، ويتدفق الضغط الخارجي إلى الغلاف الجوي أو يُصرّف من جانب إلى آخر، ثم إلى الضاغط من الجانب الآخر. هذا يزيد من موثوقية النظام بمنع دخول الغاز إلى الفجوة. أما في المضخات، فقد لا تكون هذه ميزة، إذ قد يكون من غير المرغوب فيه إدخال غاز قابل للانضغاط إلى المضخة. فوجود الغازات القابلة للانضغاط داخل المضخات قد يُسبب ظاهرة التكهف أو المطرقة الهوائية. مع ذلك، سيكون من المثير للاهتمام تصميم مانع تسرب غير تلامسي أو عديم الاحتكاك للمضخات، دون عيب تدفق الغاز إلى عملية المضخة. هل من الممكن تصميم محمل غاز مضغوط خارجيًا بدون تدفق؟

تعويض
جميع المحامل ذات الضغط الخارجي مزودة بنوع من أنواع التعويض. التعويض هو شكل من أشكال التقييد الذي يحفظ الضغط كاحتياطي. الشكل الأكثر شيوعًا للتعويض هو استخدام الفتحات، ولكن توجد أيضًا تقنيات تعويض أخرى مثل الأخاديد والدرجات والمسامات. يُمكّن التعويض المحامل أو أسطح منع التسرب من العمل بالقرب من بعضها دون تلامس، لأنه كلما اقتربت، زاد ضغط الغاز بينها، مما يؤدي إلى تباعد الأسطح.

على سبيل المثال، في ظل محمل غازي معوض بفتحة مسطحة (الصورة 3)، يكون المتوسط
يساوي الضغط في الفجوة الحمل الكلي على المحمل مقسومًا على مساحة سطحه، وهذا ما يُعرف بتحميل الوحدة. إذا كان ضغط غاز المصدر 60 رطلًا لكل بوصة مربعة (psi)، ومساحة السطح 10 بوصات مربعة، والحمل 300 رطل، فسيكون متوسط ​​الضغط في فجوة المحمل 30 رطلًا لكل بوصة مربعة. عادةً، تبلغ الفجوة حوالي 0.0003 بوصة، ونظرًا لصغر حجمها، فإن التدفق سيكون حوالي 0.2 قدم مكعب قياسي في الدقيقة (scfm). لوجود مُقيد فتحة قبل الفجوة مباشرةً، يحتفظ بالضغط كاحتياطي، فإذا زاد الحمل إلى 400 رطل، تنخفض فجوة المحمل إلى حوالي 0.0002 بوصة، مما يُقيد التدفق عبر الفجوة بمقدار 0.1 قدم مكعب قياسي في الدقيقة. هذه الزيادة في التقييد الثاني تُعطي مُقيد الفتحة تدفقًا كافيًا للسماح لمتوسط ​​الضغط في الفجوة بالارتفاع إلى 40 رطلًا لكل بوصة مربعة ودعم الحمل المتزايد.

هذا رسم توضيحي جانبي لمحمل هوائي نموذجي ذي فتحة، يُستخدم في آلة قياس الإحداثيات (CMM). لكي يُعتبر النظام الهوائي "محملاً مُعَوَّضاً"، يجب أن يحتوي على قيد قبل قيد فجوة المحمل.
التعويض عبر الفتحة مقابل التعويض المسامي
يُعدّ تعويض الفتحة الشكل الأكثر شيوعًا للتعويض. قد يبلغ قطر الفتحة النموذجية 0.010 بوصة، ولكن نظرًا لأنها تُغذي مساحةً تبلغ بضع بوصات مربعة، فإنها تُغذي مساحةً أكبر بكثير من مساحتها الأصلية، مما يسمح بتدفق الغاز بسرعة عالية. غالبًا ما تُصنع الفتحات بدقة من الياقوت أو الزفير لتجنب تآكل حجمها وبالتالي تجنب أي تغييرات في أداء المحمل. مشكلة أخرى هي أنه عند وجود فجوات أقل من 0.0002 بوصة، تبدأ المنطقة المحيطة بالفتحة في خنق التدفق إلى باقي سطح المحمل، وعندها يحدث انهيار لطبقة الغاز. يحدث الشيء نفسه عند بدء التشغيل، حيث لا تتوفر سوى مساحة الفتحة وأي أخاديد لبدء عملية التشغيل. هذا أحد الأسباب الرئيسية لعدم استخدام المحامل المضغوطة خارجيًا في تصميمات موانع التسرب.

لا ينطبق هذا على المحمل المسامي المعوض، بل تستمر الصلابة في
تزداد مع زيادة الحمل وتقل الفجوة، تمامًا كما هو الحال مع نظام DGS (الصورة 1)
المحامل الزيتية الهيدروديناميكية. في حالة المحامل المسامية المضغوطة خارجيًا، يكون المحمل في وضع توازن القوى عندما يساوي حاصل ضرب ضغط الإدخال في المساحة الحمل الكلي الواقع عليه. تُعد هذه حالة احتكاكية مثيرة للاهتمام، إذ ينعدم الرفع أو الفجوة الهوائية. ينعدم التدفق، لكن القوة الهيدروستاتيكية لضغط الهواء على السطح المقابل أسفل وجه المحمل تُخفف الحمل الكلي، مما ينتج عنه معامل احتكاك شبه معدوم، على الرغم من أن الأسطح لا تزال متلامسة.

على سبيل المثال، إذا كانت مساحة سطح مانع تسرب من الجرافيت 10 بوصات مربعة، وقوة إغلاقه 1000 رطل، ومعامل احتكاك الجرافيت 0.1، فسيتطلب الأمر قوة مقدارها 100 رطل لبدء الحركة. ولكن مع وجود مصدر ضغط خارجي مقداره 100 رطل لكل بوصة مربعة يمر عبر الجرافيت المسامي إلى سطحه، ستكون القوة المطلوبة لبدء الحركة شبه معدومة. وذلك على الرغم من وجود قوة إغلاق مقدارها 1000 رطل تضغط على السطحين معًا، وعلى الرغم من أن السطحين متلامسان فعليًا.

تُعرف فئة من مواد المحامل البسيطة، مثل الجرافيت والكربون والسيراميك (كالألومينا وكربيدات السيليكون)، في صناعة التوربينات، وتتميز بمساميتها الطبيعية، مما يسمح باستخدامها كمحامل ضغط خارجي تعمل بتقنية طبقة السائل غير المتلامسة. تعتمد هذه المحامل على وظيفة هجينة، حيث يُستخدم الضغط الخارجي لتخفيف ضغط التلامس أو قوة إغلاق مانع التسرب الناتج عن الاحتكاك بين أسطح مانع التسرب. يُمكّن هذا مشغل المضخة من ضبط هذه الخاصية خارج المضخة لمعالجة التطبيقات الصعبة والتشغيل بسرعات عالية عند استخدام موانع التسرب الميكانيكية.

ينطبق هذا المبدأ أيضًا على الفُرَش، والمُبدِّلات، والمُثيرات، أو أي موصل تلامسي يُستخدم لنقل البيانات أو التيارات الكهربائية من وإلى الأجسام الدوارة. مع ازدياد سرعة دوران الدوارات وتزايد انحرافها، يصعب الحفاظ على تلامس هذه الأجهزة مع العمود، وغالبًا ما يكون من الضروري زيادة ضغط الزنبرك لتثبيتها على العمود. لسوء الحظ، وخاصةً في حالة التشغيل عالي السرعة، تؤدي هذه الزيادة في قوة التلامس إلى زيادة الحرارة والتآكل. يمكن تطبيق المبدأ الهجين نفسه المُطبق على أسطح مانع التسرب الميكانيكي، والموصوف أعلاه، هنا أيضًا، حيث يكون التلامس المادي ضروريًا للتوصيل الكهربائي بين الأجزاء الثابتة والدوارة. يمكن استخدام الضغط الخارجي، مثل ضغط الأسطوانة الهيدروليكية، لتقليل الاحتكاك عند السطح الديناميكي مع زيادة قوة الزنبرك أو قوة الإغلاق اللازمة للحفاظ على تلامس سطح الفُرَش أو مانع التسرب مع العمود الدوار.