Las bombas son uno de los mayores usuarios de sellos mecánicos. Como sugiere el nombre, los sellos mecánicos son sellos de tipo contacto, a diferencia de los sellos aerodinámicos o laberínticos sin contacto.Sellos mecánicosTambién se caracterizan como sello mecánico equilibrado osello mecánico desequilibrado. Esto se refiere a qué porcentaje de la presión del proceso, si la hay, puede pasar detrás de la cara del sello estacionario. Si la cara del sello no se empuja contra la cara giratoria (como en un sello tipo empujador) o no se permite que el fluido de proceso a la presión que necesita sellarse pase detrás de la cara del sello, la presión del proceso haría retroceder la cara del sello. y abierto. El diseñador del sello debe considerar todas las condiciones operativas para diseñar un sello con la fuerza de cierre requerida, pero no tanta fuerza como para que la carga unitaria en la cara dinámica del sello genere demasiado calor y desgaste. Este es un equilibrio delicado que hace o deshace la confiabilidad de la bomba.
las caras del sello dinámico al permitir una fuerza de apertura en lugar de la forma convencional de
equilibrando la fuerza de cierre, como se describe anteriormente. No elimina la fuerza de cierre requerida, pero le da al diseñador de la bomba y al usuario otra perilla que girar al permitir la descarga de peso de las caras del sello, manteniendo al mismo tiempo la fuerza de cierre necesaria, reduciendo así el calor y el desgaste y ampliando al mismo tiempo las posibles condiciones de operación.
Sellos de gas seco (DGS), utilizados a menudo en compresores, proporcionan una fuerza de apertura en las caras del sello. Esta fuerza se crea mediante un principio de cojinete aerodinámico, donde finas ranuras de bombeo ayudan a impulsar el gas desde el lado del proceso de alta presión del sello hacia el espacio y a través de la cara del sello como un cojinete de película de fluido sin contacto.
La fuerza de apertura del rodamiento aerodinámico de una cara de sello de gas seco. La pendiente de la línea es representativa de la rigidez en un espacio. Tenga en cuenta que la brecha está en micras.
El mismo fenómeno ocurre en los cojinetes de aceite hidrodinámicos que soportan la mayoría de los compresores centrífugos y rotores de bombas grandes y se observa en los gráficos de excentricidad dinámica del rotor mostrados por Bfully. Este efecto proporciona un tope trasero 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 se pueden encontrar en una cara aerodinámica DGS. Puede haber una manera de utilizar principios de soporte de gas presurizado externamente para aliviar la fuerza de cierre delcara del sello mecánicos.
Gráficos cualitativos de los parámetros del rodamiento de película de fluido versus la relación de excentricidad del muñón. La rigidez, K, y la amortiguación, D, son mínimas cuando el muñón está en el centro del rodamiento. A medida que el muñón se acerca a la superficie de apoyo, la rigidez y la amortiguación aumentan drásticamente.
Los cojinetes de gas aerostáticos presurizados externamente emplean una fuente de gas presurizado, mientras que los cojinetes dinámicos utilizan el movimiento relativo entre las superficies para generar presión de espacio. La tecnología de presión externa tiene al menos dos ventajas fundamentales. En primer lugar, el gas presurizado se puede inyectar directamente entre las caras del sello de manera controlada en lugar de estimular el gas hacia el espacio del sello con 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 se juntan, se abrirán para un arranque y parada sin fricción cuando se inyecte presión directamente entre ellas. Además, si el sello se está calentando, es posible con presión externa aumentar la presión en la cara del sello. La brecha entonces aumentaría proporcionalmente con la presión, pero el calor del corte caería en una función cúbica de la brecha. Esto le da al operador una nueva capacidad para aprovechar la generación de calor.
Otra ventaja de los compresores es que no hay flujo a través de la cara como ocurre en un DGS. En cambio, la presión más alta se encuentra entre las caras del sello y la presión externa fluirá hacia la atmósfera o se ventilará hacia un lado y hacia el compresor desde el otro lado. Esto aumenta la confiabilidad al mantener el proceso fuera de la brecha. En las bombas, esto puede no ser una ventaja, ya que puede resultar indeseable forzar un gas comprimible a entrar en una bomba. Los gases compresibles dentro de las bombas pueden causar problemas de cavitación o golpes de aire. Sin embargo, sería interesante tener un sello sin contacto o sin fricción para bombas sin la desventaja del flujo de gas hacia el proceso de la bomba. ¿Podría ser posible tener un cojinete de gas presurizado externamente con flujo cero?
Compensación
Todos los rodamientos presurizados externamente tienen algún tipo de compensación. La compensación es una forma de restricción que mantiene la presión en reserva. La forma más común de compensación es el uso de orificios, pero también existen técnicas de compensación por ranura, escalón y porosa. La compensación permite que los rodamientos o las caras del sello funcionen muy juntos sin tocarse, porque cuanto más se acercan, mayor es la presión del gas entre ellos, lo que separa las caras.
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 rodamiento dividida por el área de la cara, esto es carga unitaria. Si la presión del gas fuente 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 sólo sería de aproximadamente 0,2 pies cúbicos estándar por minuto (scfm). Debido a que hay un restrictor del orificio justo antes del espacio que mantiene la presión en 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 le da al restrictor del orificio suficiente flujo para permitir que la presión promedio en el espacio aumente a 40 psi y soporte el aumento de carga.
Esta es una vista lateral en corte de un cojinete neumático de orificio típico que se encuentra en una máquina de medición de coordenadas (MMC). Si un sistema neumático debe considerarse un "cojinete compensado", debe tener una restricción aguas arriba de la restricción del espacio del cojinete.
Orificio versus compensación porosa
La compensación del orificio es la forma de compensación más utilizada. Un orificio típico puede tener un diámetro de orificio de 0,010 pulgadas, pero como alimenta unas pocas pulgadas cuadradas de área, alimenta varios órdenes de magnitud más de área que él mismo, por lo que la velocidad del gas puede ser alto. A menudo, los orificios se cortan con precisión en rubíes o zafiros para evitar la erosión del tamaño del orificio y, por tanto, cambios en el rendimiento del rodamiento. Otro problema es que en espacios inferiores a 0,0002 pulgadas, el área alrededor del orificio comienza a obstruir el flujo hacia el resto de la cara, momento en el que se produce el colapso de la película de gas. Lo mismo ocurre en el despegue, ya que sólo el área del El orificio y las ranuras están disponibles para iniciar la elevación. Ésta es una de las principales razones por las que los rodamientos presurizados externamente no se ven en los planos de sellado.
Este no es el caso del rodamiento poroso compensado, sino que la rigidez continúa
aumenta a medida que aumenta la carga y se reduce el espacio, tal como es el caso con DGS (Imagen 1) y
Cojinetes de aceite hidrodinámicos. En el caso de rodamientos porosos presurizados externamente, el rodamiento estará en un modo de fuerza equilibrada cuando la presión de entrada multiplicada por el área sea igual a la carga total sobre el rodamiento. Este es un caso tribológico interesante ya que no hay sustentación ni espacio de aire. Habrá flujo cero, pero la fuerza hidrostática de la presión del aire contra la contrasuperficie debajo de la cara del rodamiento aún alivia la carga total y da como resultado un coeficiente de fricción cercano a cero, aunque las caras todavía estén en contacto.
Por ejemplo, si la cara de un sello de grafito tiene un área de 10 pulgadas cuadradas y 1000 libras de fuerza de cierre y el grafito tiene un coeficiente de fricción de 0,1, se necesitarían 100 libras de fuerza para iniciar el movimiento. Pero con una fuente de presión externa de 100 psi a través del grafito poroso hasta su cara, prácticamente no se necesitaría fuerza para iniciar el movimiento. Esto es a pesar del hecho de que todavía hay 1000 libras de fuerza de cierre que aprietan las dos caras y que las caras están en contacto físico.
Una clase de materiales para cojinetes lisos como: grafito, carbonos y cerámicas como alúmina y carburos de silicio que son conocidos en las industrias turbo y son naturalmente porosos, por lo que pueden usarse como cojinetes presurizados externamente que son cojinetes de película fluida sin contacto. Existe una función híbrida en la que se utiliza presión externa para aliviar la presión de contacto o la fuerza de cierre del sello de la tribología que ocurre en las caras del sello en contacto. Esto le permite al operador de la bomba algo que ajustar fuera de la bomba para hacer frente a aplicaciones problemáticas y operaciones de mayor velocidad mientras usa sellos mecánicos.
Este principio también se aplica a escobillas, conmutadores, excitadores o cualquier conductor de contacto que pueda usarse para tomar datos o corrientes eléctricas dentro o fuera de objetos giratorios. A medida que los rotores giran más rápido y aumentan, 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 el eje. Desafortunadamente, especialmente en el caso de operación a alta velocidad, este aumento en la fuerza de contacto también resulta en más calor y desgaste. El mismo principio híbrido aplicado a las caras del sello mecánico descrito anteriormente también se puede aplicar aquí, donde se requiere contacto físico para la conductividad eléctrica entre las partes estacionarias y giratorias. La presión externa se puede utilizar como la presión de un cilindro hidráulico para reducir la fricción en la interfaz dinámica y al mismo tiempo aumentar la fuerza del resorte o la fuerza de cierre requerida para mantener el cepillo o la cara del sello en contacto con el eje giratorio.
Hora de publicación: 21 de octubre de 2023