As bombas são um dos maiores usuários de selos mecânicos. Como o nome sugere, os selos mecânicos são selos de contato, diferenciados dos selos aerodinâmicos ou de labirinto sem contato.Selos mecânicostambém são caracterizados como selo mecânico balanceado ouselo mecânico desbalanceado. Isso se refere à porcentagem de pressão do processo, se houver, que pode ser contornada por trás da face estacionária da vedação. Se a face da vedação não for pressionada contra a face giratória (como em uma vedação do tipo empurrador) ou se o fluido do processo na pressão que precisa ser vedada não conseguir passar por trás da face da vedação, a pressão do processo sopraria a face da vedação para trás e a abriria. O projetista da vedação precisa considerar todas as condições operacionais para projetar uma vedação com a força de fechamento necessária, mas não tão forte a ponto de a carga da unidade na face dinâmica da vedação gerar muito calor e desgaste. Este é um equilíbrio delicado que determina a confiabilidade da bomba.
a vedação dinâmica enfrenta permitindo uma força de abertura em vez da forma convencional de
balanceamento da força de fechamento, conforme descrito acima. Isso não elimina a força de fechamento necessária, mas oferece ao projetista e ao usuário da bomba mais uma opção, permitindo a redução de peso ou a descarga das faces de vedação, mantendo a força de fechamento necessária, reduzindo assim o calor e o desgaste e ampliando as possíveis condições operacionais.
Selos de gás seco (DGS), frequentemente utilizados em compressores, proporcionam uma força de abertura nas faces da vedação. Essa força é criada por um princípio de mancal aerodinâmico, em que ranhuras finas de bombeamento ajudam a impulsionar o gás do lado do processo de alta pressão da vedação para dentro da abertura e através da face da vedação como um mancal de filme fluido sem contato.
Força de abertura aerodinâmica de um rolamento de uma face de vedação de gás seca. A inclinação da linha representa a rigidez em uma folga. Observe que a folga está em mícrons.
O mesmo fenômeno ocorre nos mancais de óleo hidrodinâmicos que suportam a maioria dos grandes compressores centrífugos e rotores de bombas, e é observado nos gráficos de excentricidade dinâmica do rotor mostrados por Bently. Este efeito proporciona um batente traseiro estável e é um elemento importante para o sucesso dos mancais de óleo hidrodinâmicos e dos DGS. Os selos mecânicos não possuem as ranhuras finas de bombeamento que podem ser encontradas na face aerodinâmica de um DGS. Pode haver uma maneira de usar os princípios dos mancais de gás pressurizado externamente para aliviar a força de fechamento doface do selo mecânicos.
Gráficos qualitativos dos parâmetros do mancal de filme fluido versus a razão de excentricidade do munhão. A rigidez, K, e o amortecimento, D, são mínimos quando o munhão está no centro do mancal. À medida que o munhão se aproxima da superfície do mancal, a rigidez e o amortecimento aumentam drasticamente.
Mancais de gás aerostático pressurizados externamente empregam uma fonte de gás pressurizado, enquanto mancais dinâmicos usam o movimento relativo entre as superfícies para gerar pressão na folga. A tecnologia de pressurização externa tem pelo menos duas vantagens fundamentais. Primeiro, o gás pressurizado pode ser injetado diretamente entre as faces da vedação de forma controlada, em vez de injetar gás na folga da vedação com ranhuras de bombeamento rasas que exigem movimento. Isso permite a separação das faces da vedação antes do início da rotação. Mesmo que as faces estejam torcidas juntas, elas se abrirão com um estalo para começar com atrito zero e pararem quando a pressão for injetada diretamente entre elas. Além disso, se a vedação estiver quente, é possível, com pressão externa, aumentar a pressão na face da vedação. A folga, então, aumentaria proporcionalmente à pressão, mas o calor do cisalhamento recairia sobre uma função cúbica da folga. Isso dá ao operador uma nova capacidade de se aproveitar da geração de calor.
Há outra vantagem em compressores, pois não há fluxo através da face como há em um DGS. Em vez disso, a maior pressão está entre as faces da vedação, e a pressão externa fluirá para a atmosfera ou ventilará em um lado e para o compressor do outro lado. Isso aumenta a confiabilidade, mantendo o processo fora da lacuna. Em bombas, isso pode não ser uma vantagem, pois pode ser indesejável forçar um gás compressível para dentro de uma bomba. Gases compressíveis dentro de bombas podem causar problemas de cavitação ou golpe de aerógrafo. Seria interessante, no entanto, ter uma vedação sem contato ou sem atrito para bombas sem a desvantagem do fluxo de gás para o processo da bomba. 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 mantém a pressão em 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 os mancais ou as faces do selo operem próximos uns dos outros sem se tocarem, pois quanto mais próximos, maior a pressão do gás entre eles, afastando as faces.
Como exemplo, sob um orifício plano compensado por gás (Imagem 3), a média
a pressão na folga será igual à carga total no mancal dividida pela área da face, esta é a carga unitária. Se a pressão do gás de origem for de 60 libras por polegada quadrada (psi) e a face tiver 10 polegadas quadradas de área e houver 300 libras de carga, haverá uma média de 30 psi na folga do mancal. Normalmente, a folga seria de cerca de 0,0003 polegadas e, como a folga é tão pequena, o fluxo 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 na reserva, se a carga aumentar para 400 libras, a folga do mancal é reduzida para cerca de 0,0002 polegadas, restringindo o fluxo através da folga em 0,1 scfm. Esse aumento na segunda restrição fornece ao restritor de orifício fluxo suficiente para permitir que a pressão média na folga aumente para 40 psi e suporte o aumento de carga.
Esta é uma vista lateral em corte de um mancal de ar de orifício típico encontrado em uma máquina de medição por coordenadas (CMM). Se um sistema pneumático for considerado um "mancal compensado", ele precisa ter uma restrição a montante da restrição da folga do mancal.
Compensação de Orifício vs. Compensação Porosa
A compensação de orifício é a forma mais amplamente usada de compensação. Um orifício típico pode ter um diâmetro de furo de 0,010 polegadas, mas como ele está alimentando algumas polegadas quadradas de área, ele está alimentando várias ordens de magnitude a mais de área do que ele mesmo, então a velocidade do gás pode ser alta. Muitas vezes, os orifícios são cortados precisamente de rubis ou safiras para evitar a erosão do tamanho do orifício e, portanto, alterações no desempenho do rolamento. Outro problema é que em folgas abaixo de 0,0002 polegadas, a área ao redor do orifício começa a sufocar o fluxo para o resto da face, ponto em que ocorre o colapso do filme de gás. O mesmo ocorre na decolagem, pois apenas a área do orifício e quaisquer ranhuras estão disponíveis para iniciar a elevação. Esta é uma das principais razões pelas quais rolamentos pressurizados externamente não são vistos em planos 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 é reduzida, tal como acontece com o DGS (Imagem 1) e
Mancais de óleo hidrodinâmicos. No caso de mancais porosos pressurizados externamente, o mancal estará em um 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 entreferro. O fluxo será zero, mas a força hidrostática da pressão do ar contra a superfície contrária 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 uma face de vedação de grafite tiver uma área de 10 polegadas quadradas e 1.000 libras de força de fechamento, 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 conduzida através do grafite poroso até sua face, a força necessária para iniciar o movimento seria praticamente zero. Isso apesar do fato de ainda haver 1.000 libras de força de fechamento 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 carbonetos de silício, conhecidos pela indústria de turbocompressores, são naturalmente porosos, podendo ser utilizados como mancais pressurizados externamente, ou seja, mancais de filme fluido sem contato. Existe uma função híbrida em que a pressão externa é utilizada para aliviar a pressão de contato ou a força de fechamento da vedação da tribologia que ocorre nas faces de contato da vedação. Isso permite que o operador da bomba tenha condições de ajustar o lado externo da bomba para lidar com aplicações problemáticas e operações em alta velocidade durante o uso de selos mecânicos.
Este princípio também se aplica a escovas, comutadores, excitadores ou qualquer condutor de contato que possa ser usado para levar dados ou correntes elétricas para dentro ou para fora de objetos rotativos. À medida que os rotores giram mais rápido e a velocidade de rotação aumenta, pode ser difícil manter esses dispositivos em contato com o eixo, e muitas vezes é necessário aumentar a pressão da mola que os mantém contra o eixo. Infelizmente, especialmente no caso de operação em alta velocidade, esse aumento na força de contato também resulta em mais calor e desgaste. O mesmo princípio híbrido aplicado às faces do selo mecânico 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, enquanto ainda aumenta a força da mola ou a força de fechamento necessária para manter a escova ou a face do selo em contato com o eixo rotativo.
Horário da publicação: 21 de outubro de 2023