Использование газа в промышленных подшипниках для бесконтактного уплотнения вала

Подшипники из пористого газа с внешним давлением применяются в уплотнениях подшипников.

Благодаря использованию давления, которое образуется в зазорах пористых газовых подшипников с внешним давлением (EPP), новый класс уплотнений предлагает возможности, ранее недоступные. Газовые подшипники EPP использовались в других отраслях в течение десятилетий, но теперь они применяются в уплотнениях подшипников.

Эта технология должна увеличить давление, которая позволит уменьшить поток буферных, барьерных и уплотнительных газов; и устранить трение, нагрев и износ в уплотнениях.

Существует два типа газовых подшипников: аэродинамический и аэростатический. Большинство крупных роторов насосов и турбин опираются на гидродинамические масляные подшипники. Уплотнения сухого газа в компрессорах являются примерами аэродинамической технологии, и многие микротурбины опираются на аэродинамические подшипники типа фольги, в то время как уплотнения насоса часто опираются на самогенерирующуюся пленку.

В этих случаях относительное движение между поверхностями втягивается жидкость или газ в зазоры. Движение требуется для создания силы разъединения, и при запуске, остановке, и в условиях низкой скорости будет наблюдаться износ контактов.

В подшипниках статического типа для создания силы разделения между поверхностями относительное движение не требуется. Вместо этого источник жидкости или газа, находящегося под внешним давлением, впрыскивается непосредственно между поверхностями подшипника или уплотнения. Этот поток жидкости или газа под давлением вводится через  точные отверстия, канавки, ступени или методы пористой компенсации.

Эта идея компенсации важна, но не широко используется в промышленности.

Компенсация является первым ограничением. Оно держит давление источника в резерве. Это позволяет граням приближаться, не касаясь друг друга, потому что, когда они становятся ближе, между ними увеличивается давление газа.

Это связано с тем, что зазор является вторым ограничением, и по мере его уменьшения (увеличения ограничения зазора) ограничение компенсации относительно меньше, поэтому давление в зазоре увеличивается и создает разделяющую силу. Давление газа в зазоре может быть почти таким же высоким, как и давление источника, потому что небольшой зазор является ограничительным.

Поскольку поток является функцией зазора в виде куба, потребление газа значительно снижается благодаря появлению небольших зазоров.

Метод компенсации

Одним из способов обеспечения компенсации является диффузия герметизирующего газа через пористый материал. Идеальная конструкция уплотнения будет обеспечивать равномерное давление по всей поверхности уплотнения и автоматически ограничивать и ослаблять поток воздуха к поверхности. Стабильность компенсации пористой среды обусловлена ​​деформирующим эффектом от проходов, через которые должен проходить газ. Этот деформирующий эффект затрудняет быстрое изменение объема воздуха в зазоре, в результате чего образуется естественная стабильная газовая пленка, которая не засоряется внешним мусором.

Даже если трубки и / или порты загрязняться (песок, пыль, тефлоновая лента и т.д.), этот мусор не создает таких ограничений, как сам пористый носитель, и ни один из этих загрязнителей не может попасть через пористый носитель.

Эти характеристики делают компенсацию EPP хорошим выбором для уплотнения. Пористая среда изготовлена ​​из таких материалов, как графит, углерод или карбид кремния, которые доказали свою трибологию подшипников скольжения в качестве поверхностей контактных уплотнений, подшипников и щеток на протяжении десятилетий использования во вращающемся оборудовании. Даже если давление в источнике потеряно, износ практически отсутствует, а небольшие зазоры сохраняются.

Эти материалы обладают высокой теплоемкостью в результате спекания в процессе производства; они противостоят окислению до 600 °С, не плавясь, и не сжигаясь, как полимеры. Хотя привод уплотнительного кольца для бегунка удобен, бегунки могут быть надежно закреплены на вращающемся валу, что позволяет применять эту технологию в условиях высоких температур.

Ведутся работы над уплотнениями для паровых турбин, которые были бы сопоставимы по расходам с уплотнениями или с сухим газом. Внешний источник давления отводится от пара высокого давления до его входа в турбину. Такие уплотнения настолько эффективные, что могут значительно уменьшить осевую длину, необходимую для паровых уплотнений, и скорость утечки, типичную для паровых турбин.

Газосодержащая технология EPP может применяться во многих других областях. Примеры обычных уплотнений, которые могут быть заменены газовыми уплотнениями из EPP, включают такие уплотнения как: лабиринтные, паровые, изоляторы подшипников, уплотнения инъекционного типа, механические уплотнения, уплотнения для сухого газа и водородные уплотнения.

Поскольку EPP-газонесущая технология требует меньше места, чем большинство обычных уплотнений, и предлагается к установке по известной технологии, модернизация с использованием новых уплотнений может быть довольно простой. Эта технология может использоваться в различных областях, таких как безмасляное турбооборудование, насосы, компрессоры и паровые и газовые турбины.

Уникальной особенностью газового уплотнения, находящегося под внешним давлением, является привод уплотнительного кольца между бегунком и валом. Это обеспечивает легкую модернизацию, так как бегунок может быть расположен в любом месте в осевом направлении на валу, что обеспечивает тепловой рост вала. Уплотнительное кольцо также позволяет бегунку справляться со статическим и динамическим угловым смещением.

Эта концепция может показаться не такой надежной, как функция, которая фиксирует бегунок на валу. Однако, поскольку поверхность контакта уплотнения бегуна не имеет трения, привод уплотнительного кольца должен только преодолевать инерцию бегунка.

Несмотря на то, что на бегунке действуют сотни фунтов прижимной силы, эта сила действует через воздушные пленки и без трения.

Этот приводной механизм прошел тысячи часов испытаний и был успешно использован в уплотнениях, включая легкие газы, порошки, суспензии и герметизирующую кислоту в одном насосе.

Как видно из рисунка 1, внешнее давление впрыскивается во внутренние и наружные корпуса уплотнения. Эти порты могут быть соединены внутри, что позволяет использовать один источник или два отдельных газа (по одному на каждую поверхность). Входящий поток газа проходит в области газовой камеры с углом обзора 360 градусов и мигрирует через пористую среду в зазор между поверхностью пористой среды и направляющим. Поток от каждой поверхности уплотнения разделен.

С внутренней стороны будет поток в герметичную полость и вентиляционное отверстие. С внешней стороны поток выйдет в атмосферу и в вентиляционное отверстие.

Например, используя входное давление 60 фунтов на квадратный дюйм (psig), давление зазора между поверхностью пористой среды и направляющим (при условии эффективности 50%) будет составлять приблизительно 30 фунтов на квадратный дюйм. Пока это давление в зазоре больше давления в герметичной полости, из полости в зазор уплотнения будет нулевой поток.

Такое уплотнение для 4-дюймового вала будет пропускать около 0,5 стандартных кубических футов в минуту (SCFM) для обеих поверхностей. Эта эффективность очень чувствительна к разрыву; поток через промежуток является кубической функцией промежутка.

Это является ключевым отличием от более традиционных уплотнений, поскольку небольшие зазоры допускают высокое давление в зазорах и низкие потоки.

В применениях с сухими газовыми уплотнениями герметизирующие растворы с внешним давлением могут выполняться при значительно более высоких давлениях. Герметизация по давлению внутренней полости 1000 фунтов на квадратный дюйм может быть достигнута при условии, что пористая среда имеет достаточный перепад давления. В этом случае входное давление в пористой среде должно быть около 1060 фунтов на квадратный дюйм, чтобы полностью герметизировать давление в полости 1000 фунтов на квадратный дюйм. При меньших зазорах и более высоких давлениях эффективность может быть выше. Необходимо поддерживать давление в зазоре выше, чем давление, которое необходимо герметизировать.

Это еще одно различие между газовым уплотнением из EPP (аэростатическое уплотнение) и обычным аэродинамическим уплотнением, таким как уплотнение сухого газа или уплотнение насоса. Площадь подачи для газового уплотнения с внешним давлением на 4 порядка больше, чем для аэродинамического уплотнения. Это предотвращает засорение потока и повышает надежность. Контроль того, что попадает в зазор уплотнения, повышает надежность.

Подшипники и ОПУ вы можете подобрать в нашем интернет-магазине по параметрам.

По материалам: https://www.bearing-news.com/