طريقة جديدة لموازنة القوة بين الأختام الميكانيكية

تعد المضخات واحدة من أكبر مستخدمي الأختام الميكانيكية. كما يوحي الاسم، فإن الأختام الميكانيكية عبارة عن أختام من نوع التلامس، تختلف عن الأختام الديناميكية الهوائية أو الأختام غير المتصلة.الأختام الميكانيكيةتتميز أيضًا بأنها ختم ميكانيكي متوازن أوختم ميكانيكي غير متوازن. يشير هذا إلى النسبة المئوية لضغط العملية، إن وجد، الذي يمكن أن يحدث خلف وجه الختم الثابت. إذا لم يتم دفع وجه الختم مقابل الوجه الدوار (كما هو الحال في الختم من النوع الدافع) أو إذا لم يُسمح لسائل المعالجة عند الضغط الذي يجب إغلاقه بالوقوف خلف وجه الختم، فإن ضغط العملية سوف يؤدي إلى إرجاع وجه الختم إلى الخلف ومفتوحة. يحتاج مصمم الختم إلى النظر في جميع ظروف التشغيل لتصميم مانع التسرب بقوة الإغلاق المطلوبة ولكن ليس بقوة كبيرة بحيث يؤدي تحميل الوحدة على وجه الختم الديناميكي إلى توليد الكثير من الحرارة والتآكل. هذا هو التوازن الدقيق الذي يزيد من موثوقية المضخة أو يكسرها.

يواجه الختم الديناميكي من خلال تمكين قوة الفتح بدلاً من الطريقة التقليدية
موازنة قوة الإغلاق، كما هو موضح أعلاه. إنه لا يلغي قوة الإغلاق المطلوبة ولكنه يمنح مصمم المضخة والمستخدم مقبضًا آخر للدوران من خلال السماح بتفريغ أو تفريغ وجوه الختم، مع الحفاظ على قوة الإغلاق المطلوبة، وبالتالي تقليل الحرارة والتآكل مع توسيع ظروف التشغيل المحتملة.

أختام الغاز الجاف (DGS)، غالبًا ما يستخدم في الضواغط، يوفر قوة فتح عند وجوه الختم. يتم إنشاء هذه القوة من خلال مبدأ التحمل الديناميكي الهوائي، حيث تساعد أخاديد الضخ الدقيقة على تشجيع الغاز من جانب عملية الضغط العالي من الختم، إلى الفجوة وعبر وجه الختم كمحمل غشاء سائل غير ملامس.

قوة فتح المحمل الديناميكي الهوائي لوجه ختم الغاز الجاف. يمثل ميل الخط الصلابة عند الفجوة. لاحظ أن الفجوة بالميكرونات.
تحدث نفس الظاهرة في محامل الزيت الهيدروديناميكية التي تدعم معظم ضواغط الطرد المركزي الكبيرة ودوارات المضخة ويتم رؤيتها في مخططات الانحراف الديناميكي للدوار الموضحة بواسطة Bently. يوفر هذا التأثير توقفًا خلفيًا مستقرًا وهو عنصر مهم في نجاح محامل الزيت الهيدروديناميكية و DGS . لا تحتوي الأختام الميكانيكية على أخاديد الضخ الدقيقة التي يمكن العثور عليها في وجه DGS الديناميكي الهوائي. قد تكون هناك طريقة لاستخدام مبادئ تحمل الغاز المضغوط خارجيًا لتخفيف وزن قوة الإغلاق منوجه الختم الميكانيكيs.

المؤامرات النوعية للمعلمات الحاملة للفيلم السائل مقابل نسبة الانحراف المركزي للمجلة. تكون الصلابة K والتخميد D في الحد الأدنى عندما تكون المجلة في مركز المحمل. مع اقتراب المجلة من سطح المحمل، تزداد الصلابة والتخميد بشكل كبير.

تستخدم محامل الغاز الهوائية المضغوطة خارجيًا مصدرًا للغاز المضغوط، بينما تستخدم المحامل الديناميكية الحركة النسبية بين الأسطح لتوليد ضغط الفجوة. تتمتع التكنولوجيا المضغوطة خارجيًا بميزتين أساسيتين على الأقل. أولاً، قد يتم حقن الغاز المضغوط مباشرة بين وجوه الختم بطريقة يمكن التحكم فيها بدلاً من تشجيع الغاز في فجوة الختم باستخدام أخاديد ضخ ضحلة تتطلب الحركة. يتيح ذلك فصل وجوه الختم قبل بدء التدوير. حتى لو تم ضغط الوجوه معًا، فسوف تنفتح بحيث يبدأ الاحتكاك صفر ويتوقف عند حقن الضغط مباشرة بينهما. بالإضافة إلى ذلك، إذا كان الختم ساخنًا، فمن الممكن مع الضغط الخارجي زيادة الضغط على وجه الختم. ستزداد الفجوة بعد ذلك بشكل متناسب مع الضغط، لكن الحرارة الناتجة عن القص ستسقط على دالة مكعبة للفجوة. وهذا يمنح المشغل قدرة جديدة على الاستفادة من توليد الحرارة.

هناك ميزة أخرى للضواغط تتمثل في عدم وجود تدفق عبر الوجه كما هو الحال في DGS. وبدلاً من ذلك، يكون الضغط الأعلى بين وجوه الختم، وسوف يتدفق الضغط الخارجي إلى الغلاف الجوي أو ينفيس إلى جانب واحد وإلى الضاغط من الجانب الآخر. وهذا يزيد من الموثوقية عن طريق إبقاء العملية خارج الفجوة. في المضخات، قد لا يكون هذا ميزة لأنه قد يكون من غير المرغوب فيه دفع غاز قابل للضغط إلى المضخة. يمكن للغازات القابلة للضغط داخل المضخات أن تسبب مشاكل في التجويف أو المطرقة الهوائية. سيكون من المثير للاهتمام، مع ذلك، أن يكون هناك ختم غير ملامس أو خالٍ من الاحتكاك للمضخات دون عيب تدفق الغاز إلى عملية المضخة. هل من الممكن أن يكون هناك محمل غاز مضغوط خارجيًا بتدفق صفر؟

تعويض
تتمتع جميع المحامل المضغوطة خارجيًا بنوع من التعويض. التعويض هو شكل من أشكال التقييد الذي يعيق الضغط في الاحتياطي. الشكل الأكثر شيوعًا للتعويض هو استخدام الفتحات، ولكن هناك أيضًا تقنيات تعويض الأخدود والخطوة والمسامية. يتيح التعويض للمحامل أو أسطح الختم أن تكون قريبة من بعضها البعض دون أن تتلامس، لأنه كلما اقتربت، كلما زاد ضغط الغاز بينها، مما أدى إلى صد الوجوه عن بعضها البعض.

على سبيل المثال، تحت فتحة مسطحة محمل الغاز المعوض (الصورة 3)، المتوسط
الضغط في الفجوة سوف يساوي الحمل الإجمالي على المحمل مقسومًا على مساحة الوجه، وهذا هو تحميل الوحدة. إذا كان ضغط الغاز المصدر هذا 60 رطلاً لكل بوصة مربعة (psi) وكان الوجه بمساحة 10 بوصة مربعة وكان هناك 300 رطل من الحمل، فسيكون هناك متوسط ​​30 رطل لكل بوصة مربعة في فجوة المحمل. عادة، ستكون الفجوة حوالي 0.0003 بوصة، ولأن الفجوة صغيرة جدًا، سيكون التدفق حوالي 0.2 قدم مكعب قياسي في الدقيقة (scfm) فقط. نظرًا لوجود حاجز للفوهة قبل الفجوة مباشرة مما يعيق الضغط في الاحتياطي، إذا زاد الحمل إلى 400 رطل، يتم تقليل فجوة المحمل إلى حوالي 0.0002 بوصة، مما يحد من التدفق عبر الفجوة بمقدار 0.1 قدم مكعب في الدقيقة. هذه الزيادة في القيد الثاني تمنح مقيد الفتحة تدفقًا كافيًا للسماح بزيادة متوسط ​​الضغط في الفجوة إلى 40 رطل لكل بوصة مربعة ودعم الحمل المتزايد.

هذا منظر جانبي مقطوع لمحمل هواء فتحة نموذجي موجود في آلة قياس الإحداثيات (CMM). إذا كان من المقرر اعتبار النظام الهوائي "محملًا معوَّضًا" فإنه يحتاج إلى تقييد في أعلى تقييد فجوة المحمل.
الفوهة مقابل التعويض المسامي
تعويض الفتحة هو الشكل الأكثر استخدامًا للتعويض. قد يكون لفتحة قطر ثقب نموذجي 0.010 بوصة، ولكن بما أنها تغذي بضع بوصات مربعة من المساحة، فإنها تغذي عدة مرات من المساحة أكبر من نفسها، وبالتالي فإن السرعة من الغاز يمكن أن تكون عالية. في كثير من الأحيان، يتم قطع الفتحات بدقة من الياقوت أو الياقوت الأزرق لتجنب تآكل حجم الفتحة وبالتالي حدوث تغييرات في أداء المحمل. مشكلة أخرى هي أنه عند الفجوات التي يقل حجمها عن 0.0002 بوصة، تبدأ المنطقة المحيطة بالفتحة في خنق التدفق إلى بقية الوجه، وعند هذه النقطة يحدث انهيار طبقة الغاز. ويحدث الشيء نفسه عند الإقلاع، حيث أن منطقة تتوفر الفتحة وأي أخاديد لبدء الرفع. يعد هذا أحد الأسباب الرئيسية لعدم ظهور المحامل المضغوطة خارجيًا في خطط الختم.

هذا ليس هو الحال بالنسبة للمحمل المعوض المسامي، بل تستمر الصلابة في ذلك
تزداد مع زيادة الحمل وتقليل الفجوة، تمامًا كما هو الحال مع DGS (الصورة 1) و
محامل النفط الهيدروديناميكية. في حالة المحامل المسامية المضغوطة خارجيًا، سيكون المحمل في وضع قوة متوازنة عندما يساوي ضغط الإدخال مضروبًا في المساحة الحمل الإجمالي على المحمل. هذه حالة احتكاك مثيرة للاهتمام حيث لا يوجد أي رفع أو فجوة هوائية. سيكون هناك تدفق صفر، لكن القوة الهيدروستاتيكية لضغط الهواء على سطح العداد أسفل وجه المحمل لا تزال تؤدي إلى تخفيف وزن الحمل الإجمالي وتؤدي إلى معامل احتكاك قريب من الصفر - على الرغم من أن الوجوه لا تزال على اتصال.

على سبيل المثال، إذا كان وجه ختم الجرافيت تبلغ مساحته 10 بوصات مربعة و1000 رطل من قوة الإغلاق وكان للجرافيت معامل احتكاك قدره 0.1، فسوف يتطلب الأمر 100 رطل من القوة لبدء الحركة. ولكن مع وجود مصدر ضغط خارجي يبلغ 100 رطل لكل بوصة مربعة يتم نقله عبر الجرافيت المسامي إلى وجهه، لن تكون هناك أي قوة مطلوبة لبدء الحركة. هذا على الرغم من حقيقة أنه لا يزال هناك 1000 رطل من قوة الإغلاق التي تضغط على الوجهين معًا وأن الوجهين على اتصال جسدي.

فئة من المواد ذات المحامل البسيطة مثل: الجرافيت والكربون والسيراميك مثل الألومينا وكربيدات السيليكون المعروفة في الصناعات التوربينية وهي مسامية بشكل طبيعي لذلك يمكن استخدامها كمحامل مضغوطة خارجيًا وهي محامل غشاء سائل غير ملامسة. هناك وظيفة هجينة حيث يتم استخدام الضغط الخارجي لتخفيف ضغط التلامس أو قوة إغلاق الختم من الاحتكاك الذي يحدث في وجوه الختم الملامسة. يسمح ذلك لمشغل المضخة بضبط شيء ما خارج المضخة للتعامل مع تطبيقات المشكلات والعمليات ذات السرعة العالية أثناء استخدام الأختام الميكانيكية.

ينطبق هذا المبدأ أيضًا على الفرش، أو مبدلات التيار، أو المثيرات، أو أي موصل اتصال يمكن استخدامه لنقل البيانات أو التيارات الكهربائية إلى أو إيقاف الأجسام الدوارة. نظرًا لأن الدوارات تدور بشكل أسرع ويزداد نفادها، فقد يكون من الصعب إبقاء هذه الأجهزة على اتصال بالعمود، وغالبًا ما يكون من الضروري زيادة ضغط الزنبرك الذي يثبتها على العمود. ولسوء الحظ، خاصة في حالة التشغيل عالي السرعة، فإن هذه الزيادة في قوة التلامس تؤدي أيضًا إلى مزيد من الحرارة والتآكل. نفس المبدأ الهجين المطبق على وجوه الختم الميكانيكية الموصوفة أعلاه يمكن تطبيقه هنا أيضًا، حيث يكون الاتصال الجسدي مطلوبًا للتوصيل الكهربائي بين الأجزاء الثابتة والدوارة. يمكن استخدام الضغط الخارجي مثل الضغط الناتج عن الأسطوانة الهيدروليكية لتقليل الاحتكاك في الواجهة الديناميكية مع الاستمرار في زيادة قوة الزنبرك أو قوة الإغلاق المطلوبة للحفاظ على اتصال الفرشاة أو سطح الختم بالعمود الدوار.