Las bombas son uno de los principales usuarios de sellos mecánicos. Como su nombre indica, los sellos mecánicos son de contacto, a diferencia de los sellos aerodinámicos o laberínticos sin contacto.Sellos mecánicosTambién se caracterizan como sello mecánico balanceado osello mecánico desequilibradoEsto se refiere al porcentaje de la presión del proceso, si la hay, que puede circular tras la cara estacionaria del sello. Si la cara del sello no se presiona contra la cara giratoria (como en un sello de empuje) o si el fluido del proceso, a la presión que se necesita sellar, no puede circular tras la cara del sello, la presión del proceso haría que la cara del sello retroceda y se abra. El diseñador del sello debe considerar todas las condiciones de operación para diseñar un sello con la fuerza de cierre necesaria, pero sin tanta fuerza que la carga unitaria en la cara dinámica del sello genere demasiado calor y desgaste. Este delicado equilibrio determina la fiabilidad de la bomba.
El sello dinámico se enfrenta a permitir una fuerza de apertura en lugar de la forma convencional de
Equilibrar la fuerza de cierre, como se describió anteriormente. Esto no elimina la fuerza de cierre necesaria, sino que ofrece al diseñador y al usuario de la bomba una nueva opción al permitir la descarga de las caras del sello, manteniendo al mismo tiempo la fuerza de cierre necesaria, reduciendo así el calor y el desgaste, a la vez que amplía las posibles condiciones de funcionamiento.
Sellos de gas seco (DGS), de uso frecuente en compresores, proporciona una fuerza de apertura en las caras del sello. Esta fuerza se crea mediante un principio de cojinete aerodinámico, donde finas ranuras de bombeo impulsan el gas desde el lado del proceso de alta presión del sello hacia el espacio y a través de la cara del sello, actuando como un cojinete de película de fluido sin contacto.
Fuerza aerodinámica de apertura del cojinete en la cara de un sello de gas seco. La pendiente de la línea representa la rigidez en una holgura. Tenga en cuenta que la holgura se expresa en micras.
El mismo fenómeno ocurre en los cojinetes de aceite hidrodinámicos que soportan la mayoría de los compresores centrífugos y rotores de bombas de gran tamaño, y se observa en los gráficos de excentricidad dinámica del rotor mostrados por Bently. Este efecto proporciona un tope de retención estable y es un elemento importante para el éxito de los cojinetes de aceite hidrodinámicos y los sellos DGS. Los sellos mecánicos no tienen las ranuras de bombeo finas que podrían encontrarse en una cara aerodinámica de un sello DGS. Podría haber una manera de utilizar los principios de los cojinetes de gas presurizado externamente para aliviar la fuerza de cierre del...cara del sello mecánicos.
Gráficas cualitativas de los parámetros del cojinete de película fluida en función de la relación de 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 presurizado, mientras que los cojinetes dinámicos utilizan el movimiento relativo entre las superficies para generar presión en el espacio. La tecnología de presurización externa ofrece al menos dos ventajas fundamentales. En primer lugar, el gas presurizado puede inyectarse directamente entre las caras del sello de forma controlada, en lugar de introducirlo en el espacio del sello 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 se presionan entre sí, se abren de golpe para lograr arranques y paradas sin fricción al inyectar presión directamente entre ellas. Además, si el sello se calienta, es posible aumentar la presión sobre la cara del sello mediante presión externa. El espacio aumentaría entonces proporcionalmente a la presión, pero el calor generado por el corte se concentraría en una función cúbica del espacio. Esto ofrece al operador una nueva capacidad para contrarrestar 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 concentra entre las caras del sello, y la presión externa fluye hacia la atmósfera o se ventila por un lado y hacia el compresor desde el otro. Esto aumenta la confiabilidad al mantener el proceso fuera del espacio. En las bombas, esto puede no ser una ventaja, ya que puede ser indeseable forzar la entrada de un gas compresible en una bomba. Los gases compresibles dentro de las bombas pueden causar cavitación o golpes de aire. Sin embargo, sería interesante contar con un sello sin contacto o sin fricción para bombas, sin la desventaja del flujo de gas en el proceso de bombeo. ¿Sería posible tener un cojinete de gas presurizado externamente con flujo cero?
Compensación
Todos los rodamientos con presión externa cuentan con 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 ranuras, escalonadas y porosas. La compensación permite que los rodamientos o las caras de los sellos se acerquen entre sí sin tocarse, ya que cuanto más cerca están, mayor es la presión del gas entre ellos, lo que las separa.
A modo de 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 en el cojinete dividida por el área de la cara, esta es la carga unitaria. Si esta presión de gas fuente es de 60 libras por pulgada cuadrada (psi) y la cara tiene 10 pulgadas cuadradas de área y hay 300 libras de carga, habrá un promedio de 30 psi en el espacio del cojinete. Típicamente, el espacio sería de aproximadamente 0.0003 pulgadas, y debido a que el espacio es tan pequeño, el flujo sería solo de aproximadamente 0.2 pies cúbicos estándar por minuto (scfm). Debido a que hay un restrictor de 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 a 0.1 scfm. Este aumento en la segunda restricción le da al restrictor de 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 de aire de orificio típico de 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 porosa vs. orificio
La compensación de orificio es la forma más utilizada de compensación Un orificio típico puede tener un diámetro de agujero de .010 pulgadas, pero como está alimentando unas pocas pulgadas cuadradas de área, está alimentando varios órdenes de magnitud más de área que él mismo, por lo que la velocidad del gas puede ser alta. A menudo, los orificios se cortan con precisión de rubíes o zafiros para evitar la erosión del tamaño del orificio y, por lo 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 estrangular el flujo al resto de la cara, en cuyo punto se produce el colapso de la película de gas. Lo mismo ocurre en el despegue, ya que solo el área del orificio y las ranuras están disponibles para iniciar el levantamiento. Esta es una de las principales razones por las que los rodamientos presurizados externamente no se ven en los planos de sellos.
Este no es el caso del cojinete compensado poroso, en cambio 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 cojinetes porosos presurizados externamente, el cojinete estará en modo de fuerza equilibrada cuando la presión de entrada multiplicada por el área sea igual a la carga total sobre el cojinete. Este es un caso tribológico interesante, ya que no hay sustentación ni entrehierro. El flujo será nulo, pero la fuerza hidrostática de la presión del aire contra la superficie de contacto bajo la cara del cojinete aún desequilibra la carga total y resulta en un coeficiente de fricción casi nulo, incluso aunque las caras sigan 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 requerirían 100 libras de fuerza para iniciar el movimiento. Sin embargo, con una fuente de presión externa de 100 psi transmitida a través del grafito poroso hasta su cara, prácticamente no se requeriría fuerza para iniciar el movimiento. Esto ocurre a pesar de que todavía hay 1000 libras de fuerza de cierre presionando las dos caras y que estas están en contacto físico.
Una clase de materiales para cojinetes lisos, como grafito, carbonos y cerámicas como la alúmina y los carburos de silicio, conocidos en la industria de turbos y con porosidad natural, permite su uso como cojinetes presurizados externamente, es decir, cojinetes de película de fluido sin contacto. Existe una función híbrida donde se utiliza presión externa para descompensar la presión de contacto o la fuerza de cierre del sello de la tribología que se produce en las caras del sello en contacto. Esto permite al operador de la bomba realizar ajustes externos para abordar aplicaciones problemáticas y operaciones a mayor velocidad al utilizar sellos mecánicos.
Este principio también se aplica a escobillas, conmutadores, excitadores o cualquier conductor de contacto que pueda utilizarse para introducir datos o corrientes eléctricas en o desde objetos giratorios. A medida que los rotores giran más rápido y aumenta el desgaste, puede resultar difícil mantener estos dispositivos en contacto con el eje, y a menudo es necesario aumentar la presión del resorte que los mantiene contra el eje. 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 puede aplicarse aquí, donde se requiere contacto físico para la conductividad eléctrica entre las piezas estacionarias y giratorias. La presión externa puede utilizarse como la presión de un cilindro hidráulico para reducir la fricción en la interfaz dinámica, a la vez 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.
Hora de publicación: 21 de octubre de 2023