Las bombas son uno de los mayores usuarios de sellos mecánicos. Como su nombre indica, los sellos mecánicos son sellos de contacto, a diferencia de los sellos aerodinámicos o de laberinto, que no requieren contacto.sellos mecánicosTambién se caracterizan como sellos mecánicos equilibrados osello mecánico desequilibradoEsto se refiere al porcentaje de presión del proceso que puede pasar por detrás de la cara de sellado fija. Si la cara de sellado no se presiona contra la cara giratoria (como en un sello de empuje) o si el fluido del proceso, a la presión necesaria para el sellado, no puede pasar por detrás de la cara de sellado, la presión del proceso la empujaría hacia atrás y la abriría. El diseñador del sello debe considerar todas las condiciones de operación para diseñar un sello con la fuerza de cierre requerida, pero no tanta como para que la carga unitaria en la cara de sellado dinámica genere demasiado calor y desgaste. Este es un equilibrio delicado que determina la fiabilidad de la bomba.
Las caras del sello dinámico permiten una fuerza de apertura en lugar de la forma convencional de
Equilibrar la fuerza de cierre, como se describió anteriormente. No elimina la fuerza de cierre necesaria, pero ofrece al diseñador y al usuario de la bomba una opción adicional al permitir la descarga de las caras de sellado, manteniendo la fuerza de cierre requerida. De esta manera, se reduce el calor y el desgaste, a la vez que se amplían las posibles condiciones de funcionamiento.
Sellos de gas seco (DGS)Los sellos, frecuentemente utilizados en compresores, proporcionan una fuerza de apertura en las caras de sellado. Esta fuerza se genera mediante un principio de cojinete aerodinámico, donde finas ranuras de bombeo ayudan a impulsar el gas desde el lado de proceso de alta presión del sello hacia el espacio y a través de la superficie del sello, actuando como un cojinete de película fluida sin contacto.
Fuerza de apertura del cojinete aerodinámico de una cara de sellado de gas seco. La pendiente de la línea representa la rigidez en la abertura. Nótese que la abertura se expresa en micras.
El mismo fenómeno ocurre en los cojinetes de aceite hidrodinámicos que soportan la mayoría de los grandes compresores centrífugos y rotores de bombas, y se observa en los gráficos de excentricidad dinámica del rotor mostrados por Bently. Este efecto proporciona un tope estable y es un elemento importante en el éxito de los cojinetes de aceite hidrodinámicos y DGS. Los sellos mecánicos no tienen las finas ranuras de bombeo que podrían encontrarse en una cara DGS aerodinámica. Puede haber una manera de utilizar los principios de los cojinetes de gas presurizados externamente para reducir la fuerza de cierre.cara del sello mecánicos.
Gráficas cualitativas de los parámetros del cojinete de película fluida en función de la excentricidad del muñón. La rigidez, K, y la amortiguación, D, son mínimas cuando el muñón se encuentra en el centro del cojinete. A medida que el muñón se acerca a la superficie del cojinete, la rigidez y la amortiguación aumentan drásticamente.
Los cojinetes de gas aerostáticos presurizados externamente emplean una fuente de gas a presión, mientras que los cojinetes dinámicos utilizan el movimiento relativo entre las superficies para generar presión en el espacio entre ellas. La tecnología de presurización externa presenta al menos dos ventajas fundamentales. En primer lugar, el gas a presión puede inyectarse directamente entre las caras del sello de forma controlada, en lugar de introducirlo en el espacio mediante ranuras de bombeo poco profundas que requieren movimiento. Esto permite separar las caras del sello antes de que comience la rotación. Incluso si las caras están muy juntas, se separarán para lograr arranques y paradas sin fricción cuando se inyecte presión directamente entre ellas. Además, si el sello se calienta, es posible aumentar la presión en la cara del sello mediante presión externa. El espacio aumentaría entonces proporcionalmente con la presión, pero el calor generado por el esfuerzo cortante sería proporcional al cubo del espacio. Esto proporciona al operador una nueva capacidad para contrarrestar la generación de calor.
En los compresores, existe otra ventaja: no hay flujo a través de la superficie, como ocurre en un DGS. En cambio, la presión máxima se encuentra entre las superficies de sellado, y la presión externa fluye hacia la atmósfera o se ventila por un lado y entra al compresor por el otro. Esto aumenta la fiabilidad al mantener el proceso fuera del espacio. En las bombas, esto puede no ser una ventaja, ya que puede ser indeseable forzar un gas compresible dentro de la bomba. Los gases compresibles dentro de las bombas pueden causar cavitación o problemas de golpe de ariete. Sin embargo, sería interesante contar con un sello sin contacto o sin fricción para bombas, sin la desventaja del flujo de gas hacia el proceso de bombeo. ¿Sería posible tener un cojinete de gas presurizado externamente con flujo cero?
Compensación
Todos los cojinetes presurizados externamente cuentan con algún tipo de compensación. La compensación consiste en una restricción que mantiene la presión en reserva. La forma más común de compensación es el uso de orificios, pero también existen técnicas de compensación mediante ranuras, escalones y superficies porosas. La compensación permite que las superficies de los cojinetes o sellos funcionen muy cerca unas de otras sin tocarse, ya que cuanto más cerca están, mayor es la presión del gas entre ellas, lo que las repele.
Como ejemplo, bajo un cojinete de gas compensado con orificio plano (Imagen 3), el promedio
La presión en el espacio será igual a la carga total sobre el cojinete dividida por el área de la cara; esta es la carga unitaria. Si la presión del gas de origen es de 60 libras por pulgada cuadrada (psi) y la cara tiene un área de 10 pulgadas cuadradas y hay 300 libras de carga, habrá un promedio de 30 psi en el espacio del cojinete. Normalmente, el espacio sería de aproximadamente 0,0003 pulgadas, y debido a que el espacio es tan pequeño, el flujo sería de solo unos 0,2 pies cúbicos estándar por minuto (scfm). Debido a que hay un restrictor de orificio justo antes del espacio que mantiene la presión de reserva, si la carga aumenta a 400 libras, el espacio del cojinete se reduce a aproximadamente 0,0002 pulgadas, restringiendo el flujo a través del espacio en 0,1 scfm. Este aumento en la segunda restricción proporciona al restrictor de orificio suficiente flujo para permitir que la presión promedio en el espacio aumente a 40 psi y soporte la carga incrementada.
Esta es una vista lateral en sección de un cojinete neumático de orificio típico que se encuentra en una máquina de medición por coordenadas (MMC). Para que un sistema neumático se considere un "cojinete compensado", debe tener una restricción aguas arriba de la restricción de la holgura del cojinete.
Compensación por orificio frente a compensación por porosidad
La compensación por orificio es la forma de compensación más utilizada. Un orificio típico puede tener un diámetro de 0,010 pulgadas, pero como alimenta un área de unas pocas pulgadas cuadradas, alimenta un área varias órdenes de magnitud mayor que la suya, por lo que la velocidad del gas puede ser alta. A menudo, los orificios se cortan con precisión en rubíes o zafiros para evitar la erosión del tamaño del orificio y, por lo tanto, cambios en el rendimiento del cojinete. Otro problema es que, en espacios inferiores a 0,0002 pulgadas, el área alrededor del orificio comienza a restringir el flujo hacia el resto de la cara, momento en el que se produce el colapso de la película de gas. Lo mismo ocurre al levantar el cojinete, ya que solo el área del orificio y cualquier ranura están disponibles para iniciar el levantamiento. Esta es una de las principales razones por las que los cojinetes presurizados externamente no se ven en los planes de sellado.
Este no es el caso del cojinete compensado poroso, en cambio la rigidez continúa
aumenta a medida que aumenta la carga y se reduce la brecha, tal como sucede con DGS (Imagen 1) y
Cojinetes de aceite hidrodinámicos. En el caso de cojinetes porosos presurizados externamente, el cojinete se encuentra en un modo de fuerza equilibrada cuando la presión de entrada multiplicada por el área es igual a la carga total sobre el cojinete. Este es un caso tribológico interesante, ya que no hay sustentación ni espacio de aire. El flujo es nulo, pero la fuerza hidrostática de la presión del aire contra la superficie de contacto bajo la cara del cojinete reduce la carga total y resulta en un coeficiente de fricción cercano a cero, incluso aunque las caras sigan en contacto.
Por ejemplo, si una superficie de sellado de grafito tiene un área de 10 pulgadas cuadradas y una fuerza de cierre de 1000 libras, y el grafito tiene un coeficiente de fricción de 0,1, se requerirían 100 libras de fuerza para iniciar el movimiento. Sin embargo, con una fuente de presión externa de 100 psi aplicada a través del grafito poroso hasta su superficie, la fuerza necesaria para iniciar el movimiento sería prácticamente nula. Esto ocurre a pesar de que aún existen 1000 libras de fuerza de cierre que comprimen las dos superficies y que estas se encuentran en contacto físico.
Una clase de materiales para cojinetes lisos, como el grafito, los carbonos y las cerámicas (por ejemplo, la alúmina y los carburos de silicio), son conocidos en la industria de las turbobombillas y, al ser naturalmente porosos, pueden utilizarse como cojinetes presurizados externamente, que funcionan como cojinetes de película fluida sin contacto. Existe una función híbrida en la que la presión externa se utiliza para reducir la presión de contacto o la fuerza de cierre del sello, derivada de la tribología que se produce en las caras de contacto del sello. Esto permite al operador de la bomba realizar ajustes externos para solucionar problemas en aplicaciones específicas y operaciones a alta velocidad, incluso con sellos mecánicos.
Este principio también se aplica a escobillas, conmutadores, excitadores o cualquier conductor de contacto que se utilice para transmitir datos o corrientes eléctricas a través de objetos giratorios. A medida que los rotores giran más rápido y aumenta su velocidad de giro, puede resultar difícil mantener estos dispositivos en contacto con el eje, y a menudo es necesario aumentar la presión del resorte que los sujeta contra él. Desafortunadamente, especialmente en el caso de funcionamiento a alta velocidad, este aumento de la fuerza de contacto también genera más calor y desgaste. El mismo principio híbrido aplicado a las caras de los sellos mecánicos descrito anteriormente también se puede aplicar aquí, donde se requiere contacto físico para la conductividad eléctrica entre las partes fijas y giratorias. La presión externa se puede utilizar como la de un cilindro hidráulico para reducir la fricción en la interfaz dinámica, al tiempo que se aumenta la fuerza del resorte o la fuerza de cierre necesaria para mantener la escobilla o la cara del sello en contacto con el eje giratorio.
Fecha de publicación: 21 de octubre de 2023