ポンプはメカニカル シールの最大のユーザーの 1 つです。名前が示すように、メカニカルシールは接触タイプのシールであり、空力シールやラビリンス非接触シールとは区別されます。メカニカルシールバランスメカニカルシールとしても特徴付けられます。アンバランスメカニカルシール。これは、プロセス圧力が存在する場合、その圧力の何パーセントが固定シール面の背後に回り込むことができるかを指します。シール面が回転面に押し付けられていない場合 (プッシャータイプのシールなど)、またはシールする必要がある圧力のプロセス流体がシール面の後ろに進入できない場合、プロセス圧力によってシール面が吹き飛ばされてしまいます。そして開いてください。シールの設計者は、必要な閉鎖力を備えたシールを設計するために、すべての動作条件を考慮する必要がありますが、動的シール面にかかるユニットの負荷によって過度の熱や摩耗が発生するほどの力は強くありません。これはポンプの信頼性を左右する微妙なバランスです。
従来の方法ではなく、開く力を可能にすることで動的シール面を実現します。
上述したように、閉じる力のバランスをとる。必要な閉鎖力を排除するものではありませんが、必要な閉鎖力を維持しながら、シール面の加重や除荷を可能にすることで、ポンプの設計者とユーザーが別のノブを回すことができるようになり、熱と摩耗が軽減され、可能な動作条件が広がります。
ドライガスシール (DGS)、コンプレッサーでよく使用され、シール面に開く力を提供します。この力は空気力学的な軸受原理によって生成され、微細なポンピング溝がシールの高圧プロセス側からギャップにガスを送り込み、非接触流体膜軸受としてシール面を横切るのに役立ちます。
乾燥ガスシール面の空力軸受の開く力。線の傾きはギャップの剛性を表します。ギャップはミクロン単位であることに注意してください。
同じ現象が、ほとんどの大型遠心圧縮機やポンプ ローターをサポートする流体動圧オイル ベアリングでも発生し、Bently が示したローターの動的偏心プロットにも見られます。この効果は安定したバック ストップを提供し、流体動圧オイル ベアリングと DGS の成功における重要な要素です。 。メカニカル シールには、空力 DGS フェースに見られるような微細なポンピング溝がありません。外部から加圧されたガスベアリングの原理を使用して、閉まる力を軽減する方法があるかもしれません。メカニカルシール面s.
流体膜軸受パラメータとジャーナル偏心率の定性的プロット。剛性 K と減衰 D は、ジャーナルがベアリングの中心にあるときに最小になります。ジャーナルがベアリング表面に近づくにつれて、剛性と減衰が劇的に増加します。
外部加圧空気静圧ガスベアリングは加圧ガス源を使用しますが、動圧ベアリングは表面間の相対運動を利用してギャップ圧力を生成します。外部加圧技術には少なくとも 2 つの基本的な利点があります。第一に、加圧ガスは、動きを必要とする浅いポンピング溝でシールギャップへのガスの流入を促すのではなく、制御された方法でシール面の間に直接注入され得る。これにより、回転開始前にシール面を分離することが可能になります。たとえ面が一緒に絞られていても、面間に圧力が直接注入されると、摩擦ゼロで開始および停止するためにパッと開きます。さらに、シールが高温になっている場合は、外部圧力によりシール面への圧力が増加する可能性があります。この場合、ギャップは圧力に比例して増加しますが、せん断による熱はギャップの 3 乗関数に影響されます。これにより、オペレータは発熱を防ぐ新しい機能を利用できるようになります。
コンプレッサーには、DGS のようにフェイスを横切る流れがないというもう 1 つの利点があります。代わりに、最も高い圧力はシール面の間であり、外部圧力は大気中または通気口の一方の側に流れ、もう一方の側からコンプレッサーに流れ込みます。これにより、プロセスにギャップが入らないようになり、信頼性が向上します。ポンプの場合、圧縮性ガスをポンプ内に強制的に送り込むのは望ましくない可能性があるため、これは利点ではない可能性があります。ポンプ内の圧縮性ガスは、キャビテーションやエアハンマーの問題を引き起こす可能性があります。しかし、ポンププロセスへのガスの流れという欠点を持たずに、ポンプ用に非接触または摩擦のないシールを実現できれば興味深いでしょう。流量ゼロの外部加圧ガスベアリングを使用することは可能でしょうか?
補償
すべての外部圧力ベアリングには、何らかの補償が施されています。補償は、圧力を抑制するための制限の一形態です。最も一般的な補正形式はオリフィスの使用ですが、溝、段、多孔質補正技術もあります。補償により、ベアリングまたはシール面が接触することなく互いに接近することが可能になります。これは、それらが近づくほど、それらの間のガス圧力が高くなり、面が離れるように反発するためです。
例として、フラットオリフィス補償ガスベアリング (画像 3) の下では、平均
ギャップ内の圧力は、ベアリングにかかる総荷重を面面積で割った値に等しくなります。これが単位荷重です。このソースガス圧力が 60 ポンド/平方インチ (psi) で、フェースの面積が 10 平方インチで、300 ポンドの荷重がかかる場合、ベアリング ギャップには平均 30 psi が存在します。通常、ギャップは約 0.0003 インチですが、ギャップが非常に小さいため、流量はわずか約 0.2 標準立方フィート/分 (scfm) です。ギャップの直前に圧力を保持するオリフィス制限装置があるため、荷重が 400 ポンドに増加すると、ベアリングのギャップは約 0.0002 インチに減少し、ギャップを通る流れが 0.1 scfm に制限されます。この 2 番目の制限の増加により、オリフィス制限器に十分な流量が与えられ、ギャップ内の平均圧力が 40 psi に増加し、増加した負荷をサポートできるようになります。
これは、三次元測定機 (CMM) に使用される典型的なオリフィス エア ベアリングの側面断面図です。空気圧システムを「補償ベアリング」と見なす場合は、ベアリング ギャップ制限の上流に制限を設ける必要があります。
オリフィスと多孔質の補償
オリフィス補正は、最も広く使用されている補正形式です。典型的なオリフィスの穴の直径は 0.010 インチですが、オリフィスは数平方インチの面積を供給するため、それ自体よりも数桁大きい面積を供給することになるため、速度はガスの量が多くなる可能性があります。多くの場合、オリフィス サイズの浸食やベアリングの性能の変化を避けるために、オリフィスはルビーやサファイアから正確に切り出されます。もう 1 つの問題は、ギャップが 0.0002 インチ未満になると、オリフィスの周囲の領域が面の残りの部分への流れを妨げ始め、その時点でガス膜の崩壊が発生することです。同様のことがリフトオフ時に発生します。オリフィスや溝はリフトを開始するために利用できます。これが、外部加圧ベアリングがシール プランに表示されない主な理由の 1 つです。
これは多孔質補償ベアリングの場合には当てはまらず、代わりに剛性は継続します。
DGS (画像 1) の場合と同様に、負荷が増加してギャップが減少すると増加します。
流体動圧オイルベアリング。外部から加圧された多孔質ベアリングの場合、入力圧力と面積の積がベアリングにかかる総荷重に等しいとき、ベアリングは平衡力モードになります。揚力またはエアギャップがゼロであるため、これは興味深いトライボロジーのケースです。流量はゼロになりますが、ベアリングの面の下の対向面に対する空気圧の静水力により、全体の荷重が軽減され、面がまだ接触しているにもかかわらず、摩擦係数がほぼゼロになります。
たとえば、グラファイトのシール面の面積が 10 平方インチで、閉じる力が 1,000 ポンドで、グラファイトの摩擦係数が 0.1 の場合、動きを開始するには 100 ポンドの力が必要になります。しかし、100 psi の外部圧力源が多孔質グラファイトを通してその面にポートされると、動きを開始するために必要な力は本質的にゼロになります。これは、2 つの面を締め付ける 1,000 ポンドの閉じる力が依然として存在し、面が物理的に接触しているという事実にもかかわらずです。
グラファイト、カーボン、アルミナや炭化ケイ素などのセラミックなどのすべり軸受材料の一種で、ターボ業界で知られており、自然に多孔質であるため、非接触流体膜軸受である外部加圧軸受として使用できます。外部圧力を使用して、接触するシール面で発生するトライボロジーからシールの接触圧力または閉じる力を軽減するハイブリッド機能があります。これにより、ポンプオペレータは、メカニカルシールを使用しながら、問題のあるアプリケーションや高速動作に対処するために、ポンプの外側で何かを調整することができます。
この原理は、回転物体に出入りするデータや電流を取得するために使用されるブラシ、整流子、励磁器、またはあらゆる接触導体にも当てはまります。ローターの回転が速くなり、振れが大きくなると、これらのデバイスをシャフトに接触させ続けることが困難になる可能性があり、多くの場合、ローターをシャフトに対して保持するスプリング圧力を高める必要があります。残念ながら、特に高速動作の場合、この接触力の増加により、熱と摩耗も増加します。上で説明したメカニカルシール面に適用されるのと同じハイブリッド原理が、固定部品と回転部品の間の導電性のために物理的接触が必要な場合にも、ここに適用できます。外部圧力を油圧シリンダからの圧力と同様に使用して、動的界面での摩擦を軽減しながら、ブラシまたはシール面を回転シャフトに接触させるために必要なばね力または閉じる力を増加させることができます。
投稿日時: 2023 年 10 月 21 日