As bombas são um dos maiores usuários de selos mecânicos. Como o nome sugere, os selos mecânicos são selos de contato, diferenciando-se dos selos aerodinâmicos ou labirínticos, que não possuem contato.Selos mecânicostambém são caracterizadas como selo mecânico balanceado ouselo mecânico desequilibradoIsso se refere à porcentagem da pressão do processo, se houver, que pode passar por trás da face de vedação estacionária. Se a face de vedação não for pressionada contra a face giratória (como em uma vedação do tipo pusher) ou se o fluido do processo, na pressão necessária para a vedação, não puder passar por trás da face de vedação, a pressão do processo empurrará a face de vedação para trás, abrindo-a. O projetista da vedação precisa considerar todas as condições de operação para projetar uma vedação com a força de fechamento necessária, mas não tanta força a ponto de a carga unitária na face de vedação dinâmica gerar calor e desgaste excessivos. Esse é um equilíbrio delicado que determina a confiabilidade da bomba.
as faces de vedação dinâmica permitem uma força de abertura em vez do método convencional de
O balanceamento da força de fechamento, conforme descrito acima, não elimina a força de fechamento necessária, mas oferece ao projetista e ao usuário da bomba mais uma opção, permitindo o alívio de peso ou a redução da carga nas faces de vedação, mantendo a força de fechamento necessária. Isso reduz o calor e o desgaste, além de ampliar as condições operacionais possíveis.
Selos de gás seco (DGS)Os mancais de vedação, frequentemente usados em compressores, proporcionam uma força de abertura nas faces de vedação. Essa força é criada por um princípio de mancal aerodinâmico, onde ranhuras de bombeamento finas ajudam a direcionar o gás do lado de alta pressão do processo para a folga e através da face da vedação, atuando como um mancal de película fluida sem contato.
Força de abertura aerodinâmica de uma face de vedação a gás seco. A inclinação da linha representa a rigidez em uma folga. Observe que a folga está em micrômetros.
O mesmo fenômeno ocorre nos mancais hidrodinâmicos de óleo que suportam a maioria dos grandes compressores centrífugos e rotores de bombas, e é observado nos gráficos de excentricidade dinâmica do rotor apresentados por Bently. Esse efeito proporciona um batente estável e é um elemento importante para o sucesso dos mancais hidrodinâmicos de óleo e dos sistemas de vedação de gás (DGS). As vedações mecânicas não possuem as ranhuras de bombeamento finas que podem ser encontradas na face aerodinâmica de um DGS. Pode haver uma maneira de usar os princípios de mancais de gás pressurizados externamente para aliviar a força de fechamento da vedação.face do selo mecânicos.
Gráficos qualitativos dos parâmetros do mancal de filme fluido em função da razão de excentricidade do eixo. A rigidez, K, e o amortecimento, D, são mínimos quando o eixo está no centro do mancal. À medida que o eixo se aproxima da superfície do mancal, a rigidez e o amortecimento aumentam drasticamente.
Os mancais aerostáticos a gás com pressão externa utilizam uma fonte de gás pressurizado, enquanto os mancais dinâmicos usam o movimento relativo entre as superfícies para gerar pressão na folga. A tecnologia de pressão externa apresenta pelo menos duas vantagens fundamentais. Primeiro, o gás pressurizado pode ser injetado diretamente entre as faces da vedação de forma controlada, em vez de ser forçado a entrar na folga da vedação com ranhuras de bombeamento rasas que exigem movimento. Isso permite separar as faces da vedação antes do início da rotação. Mesmo que as faces estejam comprimidas, elas se abrirão para partidas e paradas com atrito zero quando a pressão for injetada diretamente entre elas. Além disso, se a vedação estiver superaquecendo, é possível aumentar a pressão na face da vedação com pressão externa. A folga aumentaria então proporcionalmente à pressão, mas o calor gerado pelo cisalhamento seria proporcional ao cubo da folga. Isso proporciona ao operador uma nova capacidade de minimizar a geração de calor.
Uma das vantagens dos compressores é a ausência de fluxo transversal, como ocorre em um DGS (Digital Gas Seal). Em vez disso, a pressão máxima se concentra entre as faces da vedação, e a pressão externa flui para a atmosfera ou é liberada por um lado e entra no compressor pelo outro. Isso aumenta a confiabilidade, mantendo o processo fora da folga. Em bombas, isso pode não ser uma vantagem, pois forçar a entrada de um gás compressível pode ser indesejável. Gases compressíveis dentro de bombas podem causar problemas de cavitação ou golpe de aríete. Seria interessante, no entanto, ter uma vedação sem contato ou sem atrito para bombas, sem a desvantagem do fluxo de gás para o processo bombeado. Seria possível ter um mancal de gás pressurizado externamente com fluxo zero?
Compensação
Todos os mancais pressurizados externamente possuem algum tipo de compensação. A compensação é uma forma de restrição que retém a pressão como reserva. A forma mais comum de compensação é o uso de orifícios, mas também existem técnicas de compensação por ranhuras, degraus e poros. A compensação permite que as faces dos mancais ou das vedações funcionem próximas umas das outras sem se tocarem, pois quanto mais próximas, maior a pressão do gás entre elas, repelindo as faces.
Por exemplo, sob um mancal de gás compensado com orifício plano (Imagem 3), a média
A pressão na folga será igual à carga total no mancal dividida pela área da face; esta é uma carga unitária. Se a pressão do gás de alimentação for de 60 libras por polegada quadrada (psi) e a face tiver uma área de 10 polegadas quadradas, e houver uma carga de 300 libras, haverá uma pressão média de 30 psi na folga do mancal. Tipicamente, a folga seria de cerca de 0,0003 polegadas e, como a folga é tão pequena, a vazão seria de apenas cerca de 0,2 pés cúbicos padrão por minuto (scfm). Como há um restritor de orifício logo antes da folga, mantendo a pressão de reserva, se a carga aumentar para 400 libras, a folga do mancal é reduzida para cerca de 0,0002 polegadas, restringindo a vazão através da folga em 0,1 scfm. Esse aumento na segunda restrição fornece ao restritor de orifício vazão suficiente para permitir que a pressão média na folga aumente para 40 psi e suporte o aumento da carga.
Esta é uma vista lateral em corte de um mancal pneumático de orifício típico encontrado em uma máquina de medição por coordenadas (MMC). Para que um sistema pneumático seja considerado um "mancal compensado", ele precisa ter uma restrição a montante da restrição da folga do mancal.
Compensação por orifício versus compensação porosa
A compensação por orifício é a forma de compensação mais utilizada. Um orifício típico pode ter um diâmetro de 0,010 polegadas, mas como alimenta uma área de alguns centímetros quadrados, a área que alimenta é várias ordens de magnitude maior do que a sua própria, o que permite uma alta velocidade do gás. Frequentemente, os orifícios são cortados com precisão em rubis ou safiras para evitar a erosão do seu tamanho e, consequentemente, alterações no desempenho do mancal. Outro problema é que, em folgas inferiores a 0,0002 polegadas, a área ao redor do orifício começa a restringir o fluxo para o restante da face, momento em que ocorre o colapso da película de gás. O mesmo ocorre na descolagem, pois apenas a área do orifício e quaisquer ranhuras estão disponíveis para iniciar a descolagem. Esta é uma das principais razões pelas quais mancais pressurizados externamente não são comuns em projetos de vedação.
Este não é o caso do rolamento compensado poroso; em vez disso, a rigidez continua a...
aumentam à medida que a carga aumenta e a folga diminui, tal como acontece com o DGS (Imagem 1) e
Mancais hidrodinâmicos lubrificados a óleo. No caso de mancais porosos pressurizados externamente, o mancal estará em modo de força equilibrada quando a pressão de entrada multiplicada pela área for igual à carga total sobre o mancal. Este é um caso tribológico interessante, pois não há sustentação ou folga de ar. Não haverá fluxo, mas a força hidrostática da pressão do ar contra a superfície de contato sob a face do mancal ainda alivia a carga total e resulta em um coeficiente de atrito próximo de zero — mesmo que as faces ainda estejam em contato.
Por exemplo, se a face de uma vedação de grafite tiver uma área de 10 polegadas quadradas e uma força de fechamento de 1.000 libras, e o grafite tiver um coeficiente de atrito de 0,1, seriam necessárias 100 libras de força para iniciar o movimento. Mas com uma fonte de pressão externa de 100 psi aplicada através do grafite poroso até a sua face, a força necessária para iniciar o movimento seria essencialmente zero. Isso ocorre apesar de ainda haver uma força de fechamento de 1.000 libras comprimindo as duas faces e de as faces estarem em contato físico.
Uma classe de materiais para mancais de deslizamento, como grafite, carbono e cerâmicas como alumina e carbetos de silício, são conhecidos na indústria de turbocompressores e são naturalmente porosos, permitindo seu uso como mancais pressurizados externamente que não possuem contato direto com o fluido. Existe uma função híbrida onde a pressão externa é utilizada para aliviar a pressão de contato ou a força de fechamento da vedação, compensando a tribologia que ocorre nas superfícies de contato da vedação. Isso permite ao operador da bomba realizar ajustes externos à bomba para lidar com aplicações problemáticas e operações em alta velocidade, mesmo utilizando vedações mecânicas.
Este princípio também se aplica a escovas, comutadores, excitadores ou qualquer condutor de contato que possa ser usado para conduzir dados ou correntes elétricas para ou de objetos rotativos. À medida que os rotores giram mais rápido e o desalinhamento aumenta, pode ser difícil manter esses dispositivos em contato com o eixo, sendo frequentemente necessário aumentar a pressão da mola que os mantém pressionados contra o eixo. Infelizmente, especialmente em operações de alta velocidade, esse aumento na força de contato também resulta em maior aquecimento e desgaste. O mesmo princípio híbrido aplicado às faces de vedação mecânica descrito acima também pode ser aplicado aqui, onde o contato físico é necessário para a condutividade elétrica entre as partes estacionárias e rotativas. A pressão externa pode ser usada, como a pressão de um cilindro hidráulico, para reduzir o atrito na interface dinâmica, aumentando simultaneamente a força da mola ou a força de fechamento necessária para manter a escova ou a face de vedação em contato com o eixo rotativo.
Data da publicação: 21/10/2023