펌프는 기계식 씰을 가장 많이 사용하는 장비 중 하나입니다. 이름에서 알 수 있듯이 기계식 씰은 접촉식 씰이며, 공기역학적 또는 미로형 비접촉식 씰과 구별됩니다.기계식 씰또한 균형 잡힌 기계식 밀봉 또는불균형 기계식 씰이는 공정 압력의 몇 퍼센트가 고정된 밀봉면 뒤쪽으로 흐를 수 있는지를 나타냅니다. 밀봉면이 회전하는 면에 밀착되지 않거나(푸셔형 밀봉처럼) 밀봉해야 하는 압력의 공정 유체가 밀봉면 뒤쪽으로 흐르지 못하면, 공정 압력으로 인해 밀봉면이 밀려나면서 밀봉이 열리게 됩니다. 밀봉 설계자는 모든 작동 조건을 고려하여 필요한 폐쇄력을 갖추면서도, 동적 밀봉면에서 발생하는 부하로 인해 과도한 열과 마모가 발생하지 않도록 밀봉을 설계해야 합니다. 이는 펌프의 신뢰성을 좌우하는 매우 섬세한 균형점입니다.
동적 밀봉은 기존 방식과는 달리 개방력을 발생시켜 밀봉면을 밀봉합니다.
위에서 설명한 바와 같이 폐쇄력의 균형을 맞추는 것입니다. 이는 필수적인 폐쇄력을 없애는 것이 아니라, 펌프 설계자와 사용자에게 밀봉면의 하중을 줄이면서도 필요한 폐쇄력을 유지할 수 있도록 하여 열과 마모를 줄이고 작동 조건의 범위를 넓히는 또 다른 선택지를 제공합니다.
건식 가스 씰(DGS)압축기에 흔히 사용되는 이 씰은 씰 면에서 개방력을 제공합니다. 이 힘은 공기역학적 베어링 원리에 의해 생성되는데, 미세한 펌핑 홈이 씰의 고압 공정 측면에서 가스가 틈새로 유입되어 씰 면을 가로질러 비접촉 유체막 베어링처럼 흐르도록 도와줍니다.
건식 가스 씰 면의 공기역학적 베어링 개방력. 그래프의 기울기는 틈새에서의 강성을 나타냅니다. 틈새는 마이크론 단위입니다.
대부분의 대형 원심 압축기와 펌프 로터를 지지하는 유체역학적 오일 베어링에서도 동일한 현상이 발생하며, Bently가 제시한 로터 동적 편심도 도표에서도 확인할 수 있습니다. 이러한 효과는 안정적인 후방 정지 기능을 제공하며 유체역학적 오일 베어링과 DGS(동적 가스 베어링)의 성공에 중요한 요소입니다. 기계식 씰은 공기역학적 DGS 표면에서 볼 수 있는 미세한 펌핑 홈이 없습니다. 외부에서 가압하는 가스 베어링 원리를 이용하여 닫힘력을 줄이는 방법이 있을 수 있습니다.기계식 씰 페이스s.
저널 편심률에 따른 유체막 베어링 매개변수의 정성적 그래프. 저널이 베어링 중심에 있을 때 강성(K)과 감쇠(D)가 최소가 된다. 저널이 베어링 표면에 가까워질수록 강성과 감쇠는 급격히 증가한다.
외부 가압식 공기압 가스 베어링은 가압 가스 공급원을 사용하는 반면, 동적 베어링은 표면 사이의 상대 운동을 이용하여 간극 압력을 생성합니다. 외부 가압 기술은 최소한 두 가지 근본적인 장점을 가지고 있습니다. 첫째, 가압 가스를 움직임을 필요로 하는 얕은 펌핑 홈을 통해 씰 간극으로 가스를 유도하는 대신, 제어된 방식으로 씰 면 사이에 직접 주입할 수 있습니다. 이는 회전이 시작되기 전에 씰 면을 분리할 수 있게 해줍니다. 씰 면이 서로 밀착되어 있더라도, 압력이 직접 주입되면 마찰 없이 씰 면이 벌어져 회전 시작 및 정지가 가능합니다. 둘째, 씰이 과열될 경우 외부 압력을 이용하여 씰 면의 압력을 높일 수 있습니다. 이 경우 간극은 압력에 비례하여 증가하지만, 전단으로 인한 열은 간극의 세제곱에 반비례하여 감소합니다. 이는 작업자에게 열 발생을 제어할 수 있는 새로운 가능성을 제공합니다.
압축기에는 DGS(디젤 가스 베어링)처럼 밀봉면을 가로지르는 유동이 없다는 또 다른 장점이 있습니다. 대신, 가장 높은 압력은 밀봉면 사이에 집중되며, 외부 압력은 대기 중으로 배출되거나 한쪽으로 벤트되어 다른 쪽에서 압축기 내부로 유입됩니다. 이는 공정 중 가스가 틈새로 유입되는 것을 방지하여 신뢰성을 높입니다. 하지만 펌프에서는 압축성 가스를 펌프 내부로 강제로 유입시키는 것이 바람직하지 않기 때문에 이러한 방식이 장점이 되지 않을 수 있습니다. 펌프 내부에 압축성 가스가 있으면 캐비테이션이나 에어 해머 현상이 발생할 수 있습니다. 그러나 펌프 공정으로 가스가 유입되는 단점 없이 비접촉식 또는 마찰 없는 밀봉 방식을 펌프에 적용할 수 있다면 흥미로울 것입니다. 외부에서 가압되지만 가스 흐름이 전혀 없는 가스 베어링을 구현하는 것이 가능할까요?
보상
모든 외부 가압 베어링에는 일종의 보상 장치가 있습니다. 보상은 압력을 예비로 유지하는 일종의 제한 장치입니다. 가장 일반적인 보상 방식은 오리피스를 사용하는 것이지만, 홈, 단차 및 다공성 보상 기술도 있습니다. 보상 덕분에 베어링이나 씰 면이 서로 닿지 않고 가까이 회전할 수 있습니다. 면이 가까워질수록 면 사이의 가스 압력이 높아져 서로 밀어내는 힘이 발생하기 때문입니다.
예를 들어, 평면 오리피스 보상형 가스 베어링(그림 3)의 경우 평균값은 다음과 같습니다.
베어링 틈새의 압력은 베어링에 가해지는 총 하중을 베어링 면의 면적으로 나눈 값과 같습니다. 이를 단위 하중이라고 합니다. 만약 공급 가스의 압력이 평방인치당 60파운드(psi)이고 베어링 면의 면적이 10제곱인치이며 하중이 300파운드라면, 베어링 틈새의 평균 압력은 30psi가 됩니다. 일반적으로 틈새는 약 0.0003인치이고, 틈새가 매우 작기 때문에 유량은 약 0.2표준입방피트/분(scfm)에 불과합니다. 틈새 바로 앞에 압력을 유지하는 오리피스 제한기가 있기 때문에, 하중이 400파운드로 증가하면 베어링 틈새는 약 0.0002인치로 줄어들어 틈새를 통과하는 유량이 0.1scfm 감소합니다. 이러한 두 번째 제한의 증가는 오리피스 제한기에 충분한 유량을 제공하여 틈새의 평균 압력을 40psi까지 높이고 증가된 하중을 지탱할 수 있도록 합니다.
이 그림은 좌표 측정기(CMM)에서 흔히 볼 수 있는 오리피스 공기 베어링의 측면 단면도입니다. 공압 시스템이 "보정 베어링"으로 간주되려면 베어링 간극 제한부 상류에 제한 장치가 있어야 합니다.
오리피스 보상 vs. 다공성 보상
오리피스 보상은 가장 널리 사용되는 보상 방식입니다. 일반적인 오리피스의 구멍 직경은 0.010인치일 수 있지만, 몇 제곱인치의 면적에 가스를 공급하는 만큼, 오리피스 자체 면적보다 훨씬 넓은 면적에 가스를 공급하게 되므로 가스 속도가 매우 높아질 수 있습니다. 오리피스는 종종 루비나 사파이어를 정밀하게 가공하여 오리피스 크기의 침식을 방지하고 베어링 성능 변화를 막습니다. 또 다른 문제는 0.0002인치 미만의 간극에서는 오리피스 주변 영역이 나머지 면으로의 유동을 차단하기 시작하여 가스막이 붕괴된다는 것입니다. 리프트 오프 시에도 마찬가지로 오리피스와 홈 부분만 리프트를 시작하는 데 사용 가능하기 때문에 동일한 현상이 발생합니다. 이것이 외부 가압 베어링이 씰 설계에서 잘 사용되지 않는 주요 이유 중 하나입니다.
하지만 다공성 보상 베어링의 경우에는 그렇지 않으며, 강성은 계속해서 유지됩니다.
부하가 증가함에 따라 증가하고 간격이 줄어듭니다. 이는 DGS의 경우와 같습니다(이미지 1).
유체역학적 오일 베어링. 외부에서 가압되는 다공성 베어링의 경우, 입력 압력과 면적의 곱이 베어링에 작용하는 총 하중과 같아지면 베어링은 평형 상태에 놓이게 됩니다. 이는 양력이나 공극이 0인 흥미로운 마찰학적 사례입니다. 유동은 없지만, 베어링 면 아래쪽의 상대면에 작용하는 공기압의 정수압이 총 하중을 상쇄하여 마찰 계수가 거의 0에 가까워집니다. 심지어 베어링 면이 여전히 접촉하고 있음에도 불구하고 말입니다.
예를 들어, 흑연 밀봉면의 면적이 10제곱인치이고 폐쇄력이 1,000파운드이며 흑연의 마찰 계수가 0.1이라고 가정해 봅시다. 이 경우, 밀봉면을 움직이기 시작하려면 100파운드의 힘이 필요합니다. 하지만 다공성 흑연을 통해 밀봉면에 100psi의 외부 압력을 가하면, 밀봉면을 움직이기 시작하는 데 필요한 힘은 사실상 0에 가깝습니다. 이는 두 밀봉면을 서로 밀착시키는 1,000파운드의 폐쇄력이 여전히 작용하고 있고, 두 밀봉면이 물리적으로 접촉하고 있음에도 불구하고 발생하는 현상입니다.
흑연, 탄소, 알루미나 및 탄화규소와 같은 세라믹을 포함하는 일반 베어링 재료는 터보 산업에서 널리 알려져 있으며, 본질적으로 다공성이어서 외부 압력을 가하는 비접촉 유체막 베어링으로 사용할 수 있습니다. 이러한 베어링은 외부 압력을 사용하여 접촉면에서 발생하는 마찰로 인한 접촉 압력 또는 씰의 폐쇄력을 분산시키는 하이브리드 기능을 합니다. 이를 통해 펌프 운전자는 기계식 씰을 사용하면서도 문제 발생 시 또는 고속 작동 시 펌프 외부에서 조정할 수 있습니다.
이 원리는 브러시, 정류자, 여자기 또는 회전하는 물체에서 데이터나 전류를 주고받는 데 사용되는 모든 접촉 도체에도 적용됩니다. 로터의 회전 속도가 빨라지고 런아웃이 증가함에 따라 이러한 장치들이 축과 접촉을 유지하기 어려워지며, 축에 밀착시키는 스프링 압력을 높여야 하는 경우가 많습니다. 하지만 특히 고속 작동 시에는 접촉력 증가로 인해 열 발생과 마모가 증가합니다. 위에서 설명한 기계식 씰면에 적용된 것과 동일한 하이브리드 원리를 고정 부품과 회전 부품 사이의 전기 전도성을 위해 물리적 접촉이 필요한 경우에도 적용할 수 있습니다. 유압 실린더의 압력과 같은 외부 압력을 사용하여 동적 접촉면에서의 마찰을 줄이는 동시에 브러시 또는 씰면이 회전하는 축과 접촉을 유지하는 데 필요한 스프링 힘 또는 폐쇄력을 증가시킬 수 있습니다.
게시 시간: 2023년 10월 21일