as bombas são um dos maiores usuários de selos mecânicos. Como o nome sugere, os selos mecânicos são selos do tipo contato, diferenciados dos selos aerodinâmicos ou labirintos sem contato.Selos mecânicostambém são caracterizados como selo mecânico balanceado ouselo mecânico desequilibrado. Isso se refere à porcentagem da pressão do processo, se houver, que pode passar por trás da face estacionária da vedação. Se a face da vedação não for empurrada contra a face giratória (como em uma vedação do tipo empurrador) ou se o fluido do processo na pressão que precisa ser vedada não puder ficar atrás da face da vedação, a pressão do processo sopraria a face da vedação para trás e aberto. O projetista da vedação precisa considerar todas as condições operacionais para projetar uma vedação com a força de fechamento necessária, mas não com tanta força que a carga da unidade na face dinâmica da vedação crie muito calor e desgaste. Este é um equilíbrio delicado que determina ou prejudica a confiabilidade da bomba.
a vedação dinâmica enfrenta, permitindo uma força de abertura em vez da forma convencional de
equilibrar a força de fechamento, conforme descrito acima. Ele não elimina a força de fechamento necessária, mas dá ao projetista e ao usuário da bomba outro botão para girar, permitindo a redução ou descarga das faces da vedação, enquanto mantém a força de fechamento necessária, reduzindo assim o calor e o desgaste e ampliando as condições operacionais possíveis.
Selos de Gás Seco (DGS), frequentemente usados em compressores, proporcionam uma força de abertura nas faces de vedação. Essa força é criada por um princípio de rolamento aerodinâmico, onde ranhuras finas de bombeamento ajudam a estimular o gás do lado do processo de alta pressão da vedação para dentro da folga e através da face da vedação como um rolamento de filme fluido sem contato.
A força de abertura do rolamento aerodinâmico de uma face de selo a gás seco. A inclinação da linha representa a rigidez em uma lacuna. Observe que a lacuna 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 visto nos gráficos de excentricidade dinâmica do rotor mostrados por Bently. Este efeito fornece um batente traseiro estável e é um elemento importante no sucesso dos mancais de óleo hidrodinâmicos e DGS . Os selos mecânicos não possuem as ranhuras de bombeamento finas que podem ser encontradas em uma face aerodinâmica DGS. Pode haver uma maneira de usar princípios de suporte de gás pressurizado externamente para aliviar a força de fechamento doface do selo mecânicos.
Gráficos qualitativos dos parâmetros do rolamento do filme fluido versus razão de excentricidade do munhão. A rigidez, K, e o amortecimento, D, são mínimos quando o munhão está no centro do rolamento. À medida que o munhão se aproxima da superfície do rolamento, a rigidez e o amortecimento aumentam dramaticamente.
Os rolamentos de gás aerostático pressurizados externamente empregam uma fonte de gás pressurizado, enquanto os rolamentos dinâmicos usam o movimento relativo entre as superfícies para gerar pressão de folga. A tecnologia pressurizada externamente tem pelo menos duas vantagens fundamentais. Primeiro, o gás pressurizado pode ser injetado diretamente entre as faces da vedação de maneira controlada, em vez de encorajar o gás para dentro da abertura da vedação com ranhuras de bombeamento rasas que exigem movimento. Isto permite separar as faces da vedação antes do início da rotação. Mesmo que as faces estejam torcidas juntas, elas se abrirão para início e parada de atrito zero 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 lacuna então aumentaria proporcionalmente com a pressão, mas o calor do cisalhamento cairia em uma função cúbica da lacuna. Isto dá ao operador uma nova capacidade de aproveitar a geração de calor.
Há outra vantagem nos compressores: não há fluxo na face como ocorre em um DGS. Em vez disso, a pressão mais alta está entre as faces da vedação, e a pressão externa fluirá para a atmosfera ou será ventilada para um lado e para o compressor pelo outro lado. Isso aumenta a confiabilidade, mantendo o processo fora de lacunas. Nas bombas isto pode não ser uma vantagem, pois pode ser indesejável forçar um gás compressível para dentro da bomba. Gases compressíveis dentro das bombas podem causar cavitação ou problemas de golpe de ar. Seria interessante, entretanto, ter uma vedação sem contato ou sem fricção para bombas, sem a desvantagem do fluxo de gás no processo da bomba. Seria possível ter um mancal de gás pressurizado externamente com fluxo zero?
Compensação
Todos os rolamentos pressurizados externamente possuem algum tipo de compensação. A compensação é uma forma de restrição que retém a pressão na reserva. A forma mais comum de compensação é a utilização de orifícios, mas também existem técnicas de compensação ranhurada, escalonada e porosa. A compensação permite que os rolamentos ou as faces da vedação se aproximem sem se tocarem, pois quanto mais próximos eles ficam, maior fica a pressão do gás entre eles, afastando as faces.
Por exemplo, sob um rolamento de gás compensado por orifício plano (Imagem 3), a média
a pressão na folga será igual à carga total no rolamento dividida pela área da face, esta é a carga unitária. Se a pressão do gás fonte 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 rolamento. Normalmente, a lacuna seria de cerca de 0,0003 polegadas e, como a lacuna é muito 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 que retém a pressão na reserva, se a carga aumentar para 400 libras, a folga do rolamento será reduzida para cerca de 0,0002 polegadas, restringindo o fluxo através da folga em 0,1 scfm. Este aumento na segunda restrição dá ao restritor de orifício fluxo suficiente para permitir que a pressão média no intervalo aumente para 40 psi e suporte o aumento da carga.
Esta é uma vista lateral em corte de um rolamento pneumático com orifício típico encontrado em uma máquina de medição por coordenadas (CMM). Se um sistema pneumático for considerado um “rolamento compensado”, ele precisa ter uma restrição antes da restrição da folga do rolamento.
Orifício vs. Compensação Porosa
A compensação de orifício é a forma de compensação mais amplamente usada. Um orifício típico pode ter um diâmetro de furo de 0,010 polegadas, mas como está alimentando alguns centímetros quadrados de área, está alimentando várias ordens de magnitude a mais de área do que ele mesmo, então a velocidade do gás pode ser alto. Freqüentemente, os orifícios são cortados com precisão de rubis ou safiras para evitar a erosão do tamanho do orifício e, portanto, alterações no desempenho do rolamento. Outra questão é que em vãos abaixo de 0,0002 polegadas, a área ao redor do orifício começa a sufocar o fluxo para o resto da face, momento em que ocorre o colapso do filme de gás. orifício e quaisquer ranhuras estão disponíveis para iniciar a elevação. Esta é uma das principais razões pelas quais os rolamentos pressurizados externamente não são vistos nos planos de vedação.
Este não é o caso do rolamento compensado poroso; em vez disso, a rigidez continua a
aumenta à medida que a carga aumenta e o vão diminui, tal como acontece com a DGS (Imagem 1) e
rolamentos de óleo hidrodinâmicos. No caso de rolamentos porosos pressurizados externamente, o rolamento estará em um modo de força balanceada quando a pressão de entrada vezes a área for igual à carga total no rolamento. Este é um caso tribológico interessante, pois não há sustentação ou entreferro. Haverá fluxo zero, mas a força hidrostática da pressão do ar contra a superfície contrária sob a face do rolamento 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 a 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 transportada através do grafite poroso até sua face, a força necessária para iniciar o movimento seria essencialmente zero. Isso ocorre 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 de mancais lisos, como: grafite, carbono e cerâmica, como alumina e carbonetos de silício, que são conhecidos pelas indústrias de turbo e são naturalmente porosos, de modo que podem ser usados como mancais pressurizados externamente que são mancais de filme fluido sem contato. Existe uma função híbrida onde a pressão externa é usada 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 ajuste algo fora da bomba para lidar com aplicações problemáticas e operações de alta velocidade ao usar selos mecânicos.
Este princípio também se aplica a escovas, comutadores, excitadores ou qualquer condutor de contato que possa ser usado para receber dados ou correntes elétricas dentro ou fora de objetos em rotação. À medida que os rotores giram mais rápido e a 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, este aumento na força de contato também resulta em mais calor e desgaste. O mesmo princípio híbrido aplicado às faces de vedação mecânica descritas 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 da vedação em contato com o eixo giratório.
Horário da postagem: 21 de outubro de 2023