طريقة جديدة لموازنة قوة الأختام الميكانيكية

تُعد المضخات من أكثر مُستخدمي الأختام الميكانيكية. وكما يوحي اسمها، فهي أختام تلامسية، وتختلف عن الأختام الديناميكية الهوائية أو المتاهية غير التلامسية.الأختام الميكانيكيةتتميز أيضًا بأنها مانع تسرب ميكانيكي متوازن أوختم ميكانيكي غير متوازنيشير هذا إلى نسبة ضغط العملية، إن وُجد، التي يمكن أن تتجاوز سطح الختم الثابت. إذا لم يُدفع سطح الختم باتجاه السطح الدوار (كما في الختم الدافع)، أو لم يُسمح لسائل العملية بالضغط المطلوب لإغلاقه بالوصول إلى خلف سطح الختم، فإن ضغط العملية سيؤدي إلى دفع سطح الختم للخلف وفتحه. يجب على مصمم الختم مراعاة جميع ظروف التشغيل لتصميم مانع تسرب بقوة الإغلاق المطلوبة، ولكن ليس بقوة كبيرة تُسبب حرارة وتآكلًا زائدين عند تحميل الوحدة على سطح الختم الديناميكي. هذا توازن دقيق يُحدد موثوقية المضخة أو يُحددها.

يواجه الختم الديناميكي قوة فتح بدلاً من الطريقة التقليدية
موازنة قوة الإغلاق، كما هو موضح أعلاه. لا يُلغي هذا قوة الإغلاق المطلوبة، بل يُتيح لمصمم المضخة ومستخدمها إمكانية التحكم من خلال السماح بتخفيف أو تفريغ أسطح الختم، مع الحفاظ على قوة الإغلاق المطلوبة، مما يُقلل الحرارة والتآكل ويُوسّع نطاق ظروف التشغيل المُمكنة.

أختام الغاز الجاف (DGS)تُستخدم هذه المحامل عادةً في الضواغط، وتُوفر قوة فتح عند أسطح الختم. تُنشأ هذه القوة من خلال مبدأ المحمل الديناميكي الهوائي، حيث تُساعد أخاديد الضخ الدقيقة على دفع الغاز من جانب عملية الضغط العالي للختم، إلى الفجوة وعبر سطح الختم كمحمل غشاء سائل غير ملامس.

قوة فتح المحمل الديناميكي الهوائي لسطح مانع تسرب الغاز الجاف. يُمثل ميل الخط صلابة الفجوة. يُرجى العلم أن الفجوة مُقاسة بالميكرون.
تحدث الظاهرة نفسها في محامل الزيت الهيدروديناميكية التي تدعم معظم ضواغط الطرد المركزي الكبيرة ودوارات المضخات، وتُرى في مخططات الانحراف الديناميكي للدوار التي أظهرها بنتلي. يوفر هذا التأثير توقفًا خلفيًا مستقرًا، وهو عنصر مهم في نجاح محامل الزيت الهيدروديناميكية ومحامل DGS. لا تحتوي الأختام الميكانيكية على أخاديد ضخ دقيقة كتلك الموجودة في سطح DGS الديناميكي الهوائي. قد تكون هناك طريقة لاستخدام مبادئ محامل الغاز المضغوطة خارجيًا لتخفيف قوة الإغلاق عن...وجه الختم الميكانيكيs.

مخططات نوعية لمعاملات المحمل بين الغشاء السائل ونسبة انحراف 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 أسطح الختم بطريقة مُتحكم بها بدلًا من حث الغاز على دخول فجوة الختم من خلال أخاديد ضخ ضحلة تتطلب حركة. يُمكّن هذا من فصل أسطح الختم قبل بدء الدوران. حتى في حالة ثني الأوجه معًا، فإنها تنفتح فجأةً عند بدء التشغيل بدون احتكاك وتتوقف عند حقن الضغط مباشرةً بينها. بالإضافة إلى ذلك، إذا كان الختم ساخنًا، فمن الممكن زيادة الضغط على سطحه باستخدام الضغط الخارجي. ستزداد الفجوة عندئذٍ تناسبيًا مع الضغط، لكن الحرارة الناتجة عن القص ستقع على دالة مكعبة للفجوة. يمنح هذا المشغل قدرة جديدة على الاستفادة من الطاقة ضد توليد الحرارة.

هناك ميزة أخرى للضواغط، وهي عدم وجود تدفق عبر السطح كما هو الحال في نظام DGS. وبدلاً من ذلك، يكون أعلى ضغط بين أسطح الختم، ويتدفق الضغط الخارجي إلى الغلاف الجوي أو ينفث من أحد الجانبين، ثم إلى الضاغط من الجانب الآخر. وهذا يزيد من الموثوقية من خلال إبقاء العملية خارج الفجوة. أما في المضخات، فقد لا تكون هذه ميزة، إذ قد يكون من غير المرغوب فيه إدخال غاز قابل للضغط إلى المضخة. فقد تُسبب الغازات القابلة للضغط داخل المضخات مشاكل في التجويف أو المطرقة الهوائية. ومع ذلك، سيكون من المثير للاهتمام وجود ختم غير ملامس أو خالٍ من الاحتكاك للمضخات دون عيب تدفق الغاز إلى عملية المضخة. هل من الممكن استخدام محمل غاز مضغوط خارجيًا بدون تدفق؟

تعويض
جميع المحامل المضغوطة خارجيًا مزودة بنوع من التعويض. التعويض هو شكل من أشكال التقييد يُبقي الضغط احتياطيًا. أكثر أشكال التعويض شيوعًا هو استخدام الفتحات، ولكن هناك أيضًا تقنيات تعويض أخدودية ومتدرجة ومسامية. يُمكّن التعويض المحامل أو أسطح الختم من العمل بالقرب من بعضها البعض دون تلامس، لأنه كلما اقتربت، ارتفع ضغط الغاز بينها، مما يُسبب تباعدًا بين الأسطح.

على سبيل المثال، تحت محمل غاز ذي فتحة مسطحة معوضة (الصورة 3)، فإن المتوسط
الضغط في الفجوة يساوي الحمل الكلي على المحمل مقسومًا على مساحة السطح، وهذا هو التحميل الوحدوي. إذا كان ضغط غاز المصدر هذا 60 رطلاً لكل بوصة مربعة (psi) وكان السطح يحتوي على 10 بوصة مربعة من المساحة وكان هناك 300 رطل من الحمل، فسيكون هناك متوسط ​​30 رطلاً لكل بوصة مربعة في فجوة المحمل. عادةً، ستكون الفجوة حوالي 0.0003 بوصة، ونظرًا لصغر حجم الفجوة، سيكون التدفق حوالي 0.2 قدم مكعب قياسي في الدقيقة (scfm) فقط. نظرًا لوجود مقيد فتحة قبل الفجوة مباشرة يحتفظ بالضغط كاحتياطي، إذا زاد الحمل إلى 400 رطل، يتم تقليل فجوة المحمل إلى حوالي 0.0002 بوصة، مما يقيد التدفق عبر الفجوة بمقدار 0.1 قدم مكعب قياسي في الدقيقة. هذه الزيادة في القيد الثاني تمنح مقيد الفتحة تدفقًا كافيًا للسماح بزيادة متوسط ​​الضغط في الفجوة إلى 40 رطلاً لكل بوصة مربعة ودعم الحمل المتزايد.

هذا منظر جانبي مقطعي لمحمل هوائي نموذجي بفتحة في آلة قياس إحداثيات (CMM). إذا اعتُبر نظام هوائي "محملًا معوضًا"، فيجب أن يكون لديه قيد يسبق قيد فجوة المحمل.
التعويضات الفتحية مقابل التعويضات المسامية
تعويض الفتحة هو الشكل الأكثر استخدامًا للتعويض قد يكون للفتحة النموذجية قطر ثقب يبلغ 0.010 بوصة، ولكن نظرًا لأنها تغذي بضع بوصات مربعة من المساحة، فإنها تغذي عدة أوامر من حيث الحجم أكثر من نفسها، وبالتالي يمكن أن تكون سرعة الغاز عالية. غالبًا ما يتم قطع الفتحات بدقة من الياقوت أو الياقوت الأزرق لتجنب تآكل حجم الفتحة وبالتالي التغييرات في أداء المحمل. هناك مشكلة أخرى وهي أنه عند الفجوات التي تقل عن 0.0002 بوصة، تبدأ المنطقة المحيطة بالفتحة في خنق التدفق إلى بقية السطح، وعند هذه النقطة يحدث انهيار فيلم الغاز. يحدث الشيء نفسه عند الرفع، حيث تتوفر فقط منطقة الفتحة وأي أخاديد لبدء الرفع. هذا هو أحد الأسباب الرئيسية لعدم رؤية المحامل المضغوطة خارجيًا في مخططات الختم.

هذا ليس هو الحال بالنسبة للمحمل المعوض المسامي، بدلاً من ذلك تستمر الصلابة
تزداد مع زيادة الحمل وتقلص الفجوة، تمامًا كما هو الحال مع DGS (الصورة 1) و
محامل الزيت الهيدروديناميكية. في حالة المحامل المسامية المضغوطة خارجيًا، يكون المحمل في وضع قوة متوازنة عندما يساوي ضغط الدخل مضروبًا في المساحة الحمل الكلي على المحمل. تُعد هذه حالة احتكاكية مثيرة للاهتمام، حيث لا يوجد رفع أو فجوة هوائية. يكون التدفق صفريًا، لكن القوة الهيدروستاتيكية لضغط الهواء المؤثرة على السطح المضاد أسفل سطح المحمل لا تزال تُخفف من وزن الحمل الكلي، مما يؤدي إلى معامل احتكاك قريب من الصفر، على الرغم من أن الأسطح لا تزال متلامسة.

على سبيل المثال، إذا كانت مساحة سطح ختم الجرافيت 10 بوصات مربعة وقوة إغلاقه 1000 رطل، وكان معامل احتكاك الجرافيت 0.1، فسيتطلب قوة 100 رطل لبدء الحركة. ولكن مع وجود مصدر ضغط خارجي بقوة 100 رطل لكل بوصة مربعة يمر عبر الجرافيت المسامي إلى سطحه، ستكون القوة المطلوبة لبدء الحركة معدومة تقريبًا. هذا على الرغم من وجود قوة إغلاق 1000 رطل تضغط على الوجهين معًا، وأنهما على اتصال فعلي.

فئة من مواد المحامل البسيطة، مثل الجرافيت والكربونات والسيراميك مثل الألومينا وكربيدات السيليكون، معروفة في صناعات التوربينات، وهي مسامية بطبيعتها، ما يسمح باستخدامها كمحامل مضغوطة خارجيًا، وهي محامل أغشية سائلة غير ملامسة. هناك وظيفة هجينة، حيث يُستخدم الضغط الخارجي لتخفيف ضغط التلامس أو قوة إغلاق الختم عن الاحتكاك الحاصل في أسطح الختم الملامسة. يتيح هذا لمشغل المضخة تعديل شيء ما خارج المضخة للتعامل مع التطبيقات المعقدة والعمليات عالية السرعة أثناء استخدام السدادات الميكانيكية.

ينطبق هذا المبدأ أيضًا على الفرش والمبدلات والمثيرات أو أي موصل تلامس يمكن استخدامه لأخذ البيانات أو التيارات الكهربائية من أو إلى الأجسام الدوارة. مع زيادة سرعة دوران الدوارات ونفادها، قد يكون من الصعب إبقاء هذه الأجهزة على اتصال بالعمود، وغالبًا ما يكون من الضروري زيادة ضغط الزنبرك الذي يثبتها على العمود. لسوء الحظ، وخاصة في حالة التشغيل عالي السرعة، تؤدي هذه الزيادة في قوة التلامس أيضًا إلى المزيد من الحرارة والتآكل. يمكن أيضًا تطبيق نفس المبدأ الهجين المطبق على أسطح الختم الميكانيكية الموضح أعلاه هنا، حيث يكون التلامس المادي مطلوبًا للتوصيل الكهربائي بين الأجزاء الثابتة والدوارة. يمكن استخدام الضغط الخارجي مثل الضغط من الأسطوانة الهيدروليكية لتقليل الاحتكاك عند الواجهة الديناميكية مع الاستمرار في زيادة قوة الزنبرك أو قوة الإغلاق المطلوبة للحفاظ على اتصال الفرشاة أو سطح الختم بالعمود الدوار.