펌프는 기계적 씰을 가장 많이 사용하는 분야 중 하나입니다. 이름에서 알 수 있듯이 기계적 씰은 접촉형 씰이며, 공기역학적 씰이나 미로형 비접촉 씰과는 다릅니다.기계적 씰균형 잡힌 기계적 씰 또는불균형 기계적 씰. 이는 공정 압력의 몇 퍼센트가 고정 씰 면 뒤로 돌아올 수 있는지를 나타냅니다. 씰 면이 회전하는 면에 밀착되지 않거나(푸셔형 씰처럼) 밀봉해야 할 압력의 공정 유체가 씰 면 뒤로 들어가지 못하면, 공정 압력이 씰 면을 뒤로 밀어내어 열리게 됩니다. 씰 설계자는 필요한 폐쇄력을 갖는 씰을 설계하기 위해 모든 작동 조건을 고려해야 하지만, 동적 씰 면의 단위 하중이 과도한 열과 마모를 발생시키지 않도록 너무 큰 힘을 가해서는 안 됩니다. 이는 펌프의 신뢰성을 좌우하는 미묘한 균형입니다.
기존의 방식보다는 개방력을 활성화하여 동적 씰이 직면합니다.
위에서 설명한 바와 같이 폐쇄력의 균형을 유지합니다. 이는 필요한 폐쇄력을 제거하는 것이 아니라, 펌프 설계자와 사용자에게 씰 면의 무게를 줄이거나 하중을 제거하여 필요한 폐쇄력을 유지하면서도 회전할 수 있는 또 다른 손잡이를 제공합니다. 이를 통해 열과 마모를 줄이는 동시에 가능한 작동 조건을 확대할 수 있습니다.
건식 가스 씰(DGS)압축기에 자주 사용되는 씰은 씰 표면에 개방력을 제공합니다. 이 힘은 공기역학적 베어링 원리에 의해 생성되는데, 미세한 펌핑 홈이 씰의 고압 공정 측에서 가스를 틈으로, 그리고 씰 표면을 가로질러 비접촉 유체막 베어링 역할을 하는 씰 표면을 가로질러 이동시키는 데 도움을 줍니다.
건식 가스 밀봉면의 공기역학적 베어링 개방력. 직선의 기울기는 틈새의 강성을 나타냅니다. 틈새의 단위는 미크론입니다.
동일한 현상이 대부분의 대형 원심 압축기와 펌프 로터를 지지하는 유체 역학 오일 베어링에서도 발생하며, Bently가 보여준 로터 동적 편심도 플롯에서도 나타납니다. 이 효과는 안정적인 백스톱을 제공하며 유체 역학 오일 베어링과 DGS의 성공에 중요한 요소입니다. 메카니컬 씰에는 공기 역학 DGS 표면에서 볼 수 있는 미세한 펌핑 홈이 없습니다. 외부 가압 가스 베어링 원리를 사용하여 폐쇄력의 무게를 줄이는 방법이 있을 수 있습니다.기계적 씰 표면s.
유체막 베어링 매개변수와 저널 편심비의 정성적 그래프. 강성(K)과 감쇠(D)는 저널이 베어링 중심에 있을 때 최소가 됩니다. 저널이 베어링 표면에 가까워질수록 강성과 감쇠는 급격히 증가합니다.
외부 가압 공기압 가스 베어링은 가압 가스 공급원을 사용하는 반면, 동적 베어링은 표면 사이의 상대 운동을 이용하여 갭 압력을 생성합니다. 외부 가압 기술은 적어도 두 가지 근본적인 장점을 가지고 있습니다. 첫째, 가압 가스를 씰 표면 사이에 직접 주입할 수 있으므로, 움직임을 필요로 하는 얕은 펌핑 홈을 통해 가스를 씰 갭으로 주입하는 대신 제어된 방식으로 주입할 수 있습니다. 이를 통해 회전이 시작되기 전에 씰 표면을 분리할 수 있습니다. 씰 표면이 서로 맞물려 있더라도, 압력이 직접 주입되면 마찰 없이 열리고 정지합니다. 또한, 씰이 고온으로 작동하는 경우 외부 압력을 가하여 씰 표면에 가해지는 압력을 증가시킬 수 있습니다. 그러면 갭은 압력에 비례하여 증가하지만, 전단 열은 갭의 세제곱 함수로 감소합니다. 이는 작업자가 열 발생을 억제할 수 있는 새로운 수단을 제공합니다.
압축기에는 DGS처럼 표면을 가로지르는 흐름이 없다는 또 다른 장점이 있습니다. 대신, 가장 높은 압력은 씰 표면 사이에서 발생하며, 외부 압력은 대기로 흐르거나 한쪽으로 배출되어 다른 쪽에서 압축기로 유입됩니다. 이는 공정이 틈새를 통과하지 않도록 하여 신뢰성을 높입니다. 펌프에서는 압축성 가스를 펌프 내부로 강제로 주입하는 것이 바람직하지 않을 수 있으므로 이점이 아닐 수 있습니다. 펌프 내부의 압축성 가스는 캐비테이션이나 공기 해머 문제를 일으킬 수 있습니다. 하지만 펌프 공정으로 가스가 유입되는 단점 없이 비접촉 또는 마찰 없는 펌프 씰을 사용하는 것이 흥미로울 것입니다. 유량이 없는 외부 가압 가스 베어링을 사용할 수 있을까요?
보상
모든 외부 가압 베어링에는 일종의 보상 장치가 있습니다. 보상 장치는 압력을 예비 압력으로 유지하는 일종의 제한 장치입니다. 가장 일반적인 보상 장치는 오리피스를 사용하는 것이지만, 홈, 계단, 다공성 보상 장치도 있습니다. 보상 장치는 베어링이나 씰 면이 서로 닿지 않고 서로 가까이 위치할 수 있도록 하는데, 이는 서로 가까울수록 가스 압력이 높아져 면이 서로 떨어지기 때문입니다.
예를 들어, 평평한 구멍 보상 가스 베어링(그림 3)에서 평균
틈새의 압력은 베어링의 총 하중을 표면 면적으로 나눈 값과 같으며, 이를 단위 하중이라고 합니다. 이 소스 가스 압력이 제곱인치당 60파운드(psi)이고 표면의 면적이 10제곱인치이며 하중이 300파운드인 경우 베어링 틈새에는 평균 30psi가 있습니다. 일반적으로 틈새는 약 0.0003인치이고 틈새가 너무 작기 때문에 유량은 분당 약 0.2표준입방피트(scfm)에 불과합니다. 틈새 바로 앞에 오리피스 제한기가 있어 압력을 예비로 유지하기 때문에 하중이 400파운드로 증가하면 베어링 틈새가 약 0.0002인치로 줄어들어 틈새를 통한 유량이 0.1scfm만큼 제한됩니다. 두 번째 제한기의 증가는 오리피스 제한기에 틈새의 평균 압력을 40psi로 증가시키고 증가된 하중을 지지할 수 있을 만큼 충분한 유량을 제공합니다.
이것은 좌표측정기(CMM)에서 볼 수 있는 일반적인 오리피스 공기 베어링의 단면입니다. 공압 시스템을 "보상 베어링"으로 간주하려면 베어링 간극 제한 장치 상류에 제한 장치가 있어야 합니다.
오리피스 대 다공성 보상
오리피스 보상은 가장 널리 사용되는 보상 형태입니다. 일반적인 오리피스는 구멍 직경이 .010인치일 수 있지만 몇 제곱인치의 영역을 공급하기 때문에 자체보다 몇 배 더 많은 영역을 공급하므로 가스의 속도가 높을 수 있습니다. 종종 오리피스는 오리피스 크기의 침식을 방지하고 베어링 성능의 변화를 방지하기 위해 루비나 사파이어에서 정밀하게 절단됩니다. 또 다른 문제는 0.0002인치 미만의 틈새에서 오리피스 주변 영역이 나머지 면으로의 흐름을 막고 이 지점에서 가스 필름이 붕괴된다는 것입니다. 리프트 오프에서도 동일한 일이 발생하는데, 오리피스 영역과 홈만 사용 가능하여 리프트를 시작할 수 있기 때문입니다. 이것이 외부 가압 베어링이 씰 계획에 표시되지 않는 주된 이유 중 하나입니다.
이것은 다공성 보상 베어링의 경우는 아니며 대신 강성은 계속됩니다.
부하가 증가하고 간격이 줄어들면서 증가합니다. 이는 DGS의 경우와 같습니다(그림 1).
유체 역학 오일 베어링. 외부 가압 다공성 베어링의 경우, 입력 압력과 면적을 곱한 값이 베어링의 총 하중과 같을 때 베어링은 균형력 모드에 있게 됩니다. 이는 양력이나 공극이 전혀 없기 때문에 흥미로운 트라이볼로지 사례입니다. 유동은 없지만, 베어링 면 아래의 상대면에 작용하는 공기압의 정수압은 전체 하중을 여전히 가볍게 하여 마찰 계수가 거의 0에 가까워지도록 합니다. 비록 면이 여전히 접촉하고 있음에도 불구하고 말입니다.
예를 들어, 흑연 실링 면의 면적이 10제곱인치이고 닫는 힘이 1,000파운드(약 450kg)이며 흑연의 마찰 계수가 0.1이라면, 작동을 시작하려면 100파운드(약 450kg)의 힘이 필요합니다. 그러나 다공성 흑연을 통해 면에 100psi(약 450psi)의 외부 압력이 가해지면, 작동을 시작하는 데 필요한 힘은 사실상 0이 됩니다. 이는 두 면을 서로 압착하는 1,000파운드(약 450kg)의 닫는 힘이 여전히 작용하고 있고 두 면이 물리적으로 접촉하고 있음에도 불구하고 그렇습니다.
흑연, 탄소, 세라믹(알루미나, 탄화규소 등)과 같은 플레인 베어링 소재는 터보 산업에서 널리 알려져 있으며, 자연적으로 다공성을 띠어 비접촉 유체막 베어링인 외부 가압 베어링으로 사용될 수 있습니다. 외부 압력을 이용하여 접촉 씰 표면에서 발생하는 마찰력으로부터 씰의 접촉 압력이나 폐쇄력을 완화하는 하이브리드 기능이 있습니다. 이를 통해 펌프 운전자는 기계적 씰을 사용하면서 문제가 발생하는 응용 분야나 고속 작동에 대처하기 위해 펌프 외부에서 조정할 수 있습니다.
이 원리는 브러시, 정류자, 여자기 또는 회전 물체에서 데이터나 전류를 흘려보내는 데 사용되는 모든 접촉 도체에도 적용됩니다. 로터가 더 빨리 회전하고 런아웃이 증가함에 따라 이러한 장치를 샤프트와 접촉 상태로 유지하기가 어려워지고 샤프트에 고정하는 스프링 압력을 높여야 하는 경우가 많습니다. 안타깝게도 특히 고속 작동의 경우 접촉력 증가로 인해 열과 마모가 증가합니다. 위에서 설명한 기계적 씰 면에 적용된 것과 동일한 하이브리드 원리를 여기에도 적용할 수 있으며, 고정 부품과 회전 부품 사이의 전기 전도성을 위해 물리적 접촉이 필요합니다. 외부 압력은 유압 실린더의 압력처럼 사용되어 브러시 또는 씰 면을 회전 샤프트와 접촉 상태로 유지하는 데 필요한 스프링 힘이나 닫는 힘을 증가시키면서 동적 계면의 마찰을 줄일 수 있습니다.
게시 시간: 2023년 10월 21일