यांत्रिक मुहरों को बलपूर्वक संतुलित करने का एक नया तरीका

पंप मैकेनिकल सील के सबसे बड़े उपयोगकर्ताओं में से एक हैं। जैसा कि नाम से ही ज़ाहिर है, मैकेनिकल सील संपर्क-प्रकार की सील होती हैं, जो वायुगतिकीय या भूलभुलैया-रहित संपर्क सील से अलग होती हैं।यांत्रिक मुहरेंसंतुलित यांत्रिक मुहर या के रूप में भी जाना जाता हैअसंतुलित यांत्रिक मुहर. यह इस बात को संदर्भित करता है कि स्थिर सील फ़ेस के पीछे प्रक्रिया दाब का कितना प्रतिशत, यदि कोई हो, आ सकता है। यदि सील फ़ेस को घूमते हुए फ़ेस के विरुद्ध नहीं धकेला जाता (जैसा कि पुशर-प्रकार की सील में होता है) या सील करने के लिए आवश्यक दाब पर प्रक्रिया द्रव को सील फ़ेस के पीछे नहीं जाने दिया जाता, तो प्रक्रिया दाब सील फ़ेस को पीछे की ओर धकेल देगा और खोल देगा। सील डिज़ाइनर को आवश्यक बंद करने वाले बल के साथ एक सील डिज़ाइन करने के लिए सभी परिचालन स्थितियों पर विचार करना चाहिए, लेकिन इतना अधिक नहीं कि गतिशील सील फ़ेस पर इकाई लोडिंग से बहुत अधिक गर्मी और टूट-फूट पैदा हो। यह एक नाजुक संतुलन है जो पंप की विश्वसनीयता को बनाता या बिगाड़ता है।

गतिशील सील पारंपरिक तरीके के बजाय एक उद्घाटन बल को सक्षम करके सामना करती है
जैसा कि ऊपर बताया गया है, बंद करने वाले बल को संतुलित करना। यह आवश्यक बंद करने वाले बल को समाप्त नहीं करता, बल्कि पंप डिज़ाइनर और उपयोगकर्ता को सील के किनारों को बिना भार या भार के उतारने की अनुमति देकर घुमाने के लिए एक और घुंडी देता है, जबकि आवश्यक बंद करने वाले बल को बनाए रखता है, जिससे गर्मी और घिसाव कम होता है और साथ ही संभावित परिचालन स्थितियों का विस्तार होता है।

ड्राई गैस सील (डीजीएस)कंप्रेसर में अक्सर इस्तेमाल होने वाले, सील के किनारों पर एक उद्घाटन बल प्रदान करते हैं। यह बल एक वायुगतिकीय बेयरिंग सिद्धांत द्वारा निर्मित होता है, जहाँ बारीक पंपिंग खांचे सील के उच्च-दाब प्रक्रिया वाले हिस्से से गैस को गैप में और सील के किनारों के आर-पार एक गैर-संपर्क द्रव फिल्म बेयरिंग के रूप में प्रवाहित करने में मदद करते हैं।

शुष्क गैस सील फ़ेस का वायुगतिकीय बेयरिंग खोलने वाला बल। रेखा का ढलान अंतराल पर कठोरता का प्रतिनिधित्व करता है। ध्यान दें कि अंतराल माइक्रोन में है।
यही घटना हाइड्रोडायनामिक ऑयल बेयरिंग में भी होती है जो अधिकांश बड़े सेंट्रीफ्यूगल कंप्रेसर और पंप रोटर को सहारा देते हैं और बेंटली द्वारा दर्शाए गए रोटर डायनेमिक एक्सेंट्रिसिटी प्लॉट में भी दिखाई देती है। यह प्रभाव एक स्थिर बैक स्टॉप प्रदान करता है और हाइड्रोडायनामिक ऑयल बेयरिंग और डीजीएस की सफलता में एक महत्वपूर्ण तत्व है। मैकेनिकल सील में वे महीन पंपिंग खांचे नहीं होते जो वायुगतिकीय डीजीएस फेस में पाए जा सकते हैं। बंद करने वाले बल को कम करने के लिए बाह्य दाब वाले गैस बेयरिंग सिद्धांतों का उपयोग करने का एक तरीका हो सकता है।यांत्रिक सील चेहराs.

द्रव-फिल्म बेयरिंग प्राचलों बनाम जर्नल उत्केन्द्रता अनुपात के गुणात्मक आरेख। जब जर्नल बेयरिंग के केंद्र में होता है, तो कठोरता, K, और अवमंदन, D, न्यूनतम होते हैं। जैसे-जैसे जर्नल बेयरिंग सतह के निकट आता है, कठोरता और अवमंदन में नाटकीय रूप से वृद्धि होती है।

बाह्य दाबयुक्त एयरोस्टेटिक गैस बियरिंग दाबयुक्त गैस के स्रोत का उपयोग करते हैं, जबकि गतिशील बियरिंग अंतराल दाब उत्पन्न करने के लिए सतहों के बीच सापेक्ष गति का उपयोग करते हैं। बाह्य दाबयुक्त तकनीक के कम से कम दो मूलभूत लाभ हैं। पहला, दाबयुक्त गैस को गति की आवश्यकता वाले उथले पंपिंग खांचों द्वारा सील अंतराल में गैस को प्रोत्साहित करने के बजाय, नियंत्रित तरीके से सील के किनारों के बीच सीधे अंतःक्षेपित किया जा सकता है। यह घूर्णन शुरू होने से पहले सील किनारों को अलग करने में सक्षम बनाता है। भले ही किनारों को एक साथ मरोड़ा गया हो, वे शून्य घर्षण के साथ खुलेंगे और जब उनके बीच सीधे दाब अंतःक्षेपित किया जाएगा, तो वे शून्य घर्षण के साथ शुरू और बंद हो जाएँगे। इसके अतिरिक्त, यदि सील गर्म चल रही है, तो बाह्य दाब से सील के किनारे पर दाब बढ़ाना संभव है।

कंप्रेसर का एक और फ़ायदा यह है कि इसमें डीजीएस की तरह सतह के आर-पार कोई प्रवाह नहीं होता। इसके बजाय, सबसे ज़्यादा दबाव सील के दोनों किनारों के बीच होता है, और बाहरी दबाव वायुमंडल में प्रवाहित होगा या एक तरफ़ से कंप्रेसर में जाएगा और दूसरी तरफ़ से कंप्रेसर में। यह प्रक्रिया को अंतराल से बाहर रखकर विश्वसनीयता बढ़ाता है। पंपों में यह फ़ायदेमंद नहीं हो सकता क्योंकि संपीड़ित गैस को पंप में ज़बरदस्ती डालना अवांछनीय हो सकता है। पंपों के अंदर संपीड़ित गैसें कैविटेशन या एयर हैमर की समस्याएँ पैदा कर सकती हैं। हालाँकि, पंप प्रक्रिया में गैस के प्रवाह के नुकसान के बिना पंपों के लिए एक गैर-संपर्क या घर्षण-मुक्त सील होना दिलचस्प होगा। क्या शून्य प्रवाह के साथ बाहरी रूप से दबाव वाली गैस बेयरिंग संभव है?

मुआवज़ा
सभी बाह्य दाबयुक्त बियरिंग्स में किसी न किसी प्रकार का क्षतिपूर्ति तंत्र होता है। क्षतिपूर्ति एक प्रकार का प्रतिबंध है जो दबाव को आरक्षित रखता है। क्षतिपूर्ति तंत्र का सबसे सामान्य रूप छिद्रों का उपयोग है, लेकिन खांचे, चरण और छिद्रपूर्ण क्षतिपूर्ति तंत्र भी उपलब्ध हैं। क्षतिपूर्ति तंत्र बियरिंग्स या सील के किनारों को बिना छुए एक-दूसरे के पास-पास चलने में सक्षम बनाता है, क्योंकि वे जितने पास आते हैं, उनके बीच गैस का दबाव उतना ही अधिक होता है, जिससे किनारे एक-दूसरे से दूर हो जाते हैं।

उदाहरण के तौर पर, एक सपाट छिद्र वाले क्षतिपूर्ति गैस बियरिंग (छवि 3) के तहत, औसत
अंतराल में दबाव, बेयरिंग पर कुल भार को फेस क्षेत्र से विभाजित करने के बराबर होगा, यह इकाई लोडिंग है। यदि यह स्रोत गैस दबाव 60 पाउंड प्रति वर्ग इंच (psi) है और चेहरे का क्षेत्र 10 वर्ग इंच है और 300 पाउंड का भार है, तो बेयरिंग गैप में औसतन 30 psi होगा। आमतौर पर, अंतराल लगभग 0.0003 इंच होगा, और क्योंकि अंतराल बहुत छोटा है, प्रवाह केवल लगभग 0.2 मानक घन फीट प्रति मिनट (scfm) होगा। क्योंकि अंतराल से ठीक पहले एक छिद्र अवरोधक होता है जो दबाव को वापस रिजर्व में रखता है, यदि भार 400 पाउंड तक बढ़ जाता है तो बेयरिंग गैप लगभग 0.0002 इंच तक कम हो जाता है,

यह निर्देशांक मापक मशीन (सीएमएम) में पाए जाने वाले एक विशिष्ट छिद्र वायु बेयरिंग का एक कटअवे पार्श्व दृश्य है। यदि किसी वायवीय प्रणाली को "क्षतिपूर्ति बेयरिंग" माना जाए, तो बेयरिंग अंतराल प्रतिबंध के ऊपर एक प्रतिबंध होना आवश्यक है।
छिद्र बनाम छिद्रपूर्ण क्षतिपूर्ति
छिद्र क्षतिपूर्ति, क्षतिपूर्ति का सबसे व्यापक रूप से इस्तेमाल किया जाने वाला रूप है। एक सामान्य छिद्र में छेद का व्यास .010 इंच हो सकता है, लेकिन चूँकि यह कुछ वर्ग इंच क्षेत्र को खिला रहा है, यह अपने से कई गुना अधिक क्षेत्र को खिला रहा है, इसलिए गैस का वेग अधिक हो सकता है। प्रायः, छिद्रों को माणिक या नीलम से सटीकता से काटा जाता है ताकि छिद्र के आकार का क्षरण न हो और इस प्रकार बेयरिंग के प्रदर्शन में परिवर्तन न हो। एक अन्य मुद्दा यह है कि 0.0002 इंच से कम अंतराल पर, छिद्र के आसपास का क्षेत्र शेष भाग में प्रवाह को रोकना शुरू कर देता है, जिस बिंदु पर गैस फिल्म का पतन होता है। लिफ्ट ऑफ के समय भी यही होता है, क्योंकि लिफ्ट शुरू करने के लिए केवल छिद्र का क्षेत्र और कोई भी खांचा उपलब्ध होता है।

छिद्रित प्रतिपूरित बियरिंग के मामले में ऐसा नहीं है, बल्कि कठोरता जारी रहती है
लोड बढ़ने और अंतराल कम होने पर वृद्धि होती है, जैसा कि डीजीएस (छवि 1) और
हाइड्रोडायनामिक तेल बियरिंग्स। बाह्य दाबयुक्त छिद्रयुक्त बियरिंग्स के मामले में, जब इनपुट दाब गुणा क्षेत्रफल, बियरिंग पर कुल भार के बराबर होता है, तो बियरिंग संतुलित बल मोड में होगी। यह एक दिलचस्प ट्रिबोलॉजिकल स्थिति है क्योंकि इसमें शून्य लिफ्ट या वायु अंतराल होता है। प्रवाह शून्य होगा, लेकिन बियरिंग के पृष्ठ के नीचे स्थित काउंटर सतह पर वायु दाब का हाइड्रोस्टेटिक बल अभी भी कुल भार को कम कर देता है और परिणामस्वरूप घर्षण गुणांक लगभग शून्य हो जाता है—भले ही पृष्ठ अभी भी संपर्क में हों।

उदाहरण के लिए, यदि ग्रेफाइट सील के एक फलक का क्षेत्रफल 10 वर्ग इंच है और उस पर 1,000 पाउंड का बंद करने वाला बल है और ग्रेफाइट का घर्षण गुणांक 0.1 है, तो गति शुरू करने के लिए 100 पाउंड बल की आवश्यकता होगी। लेकिन यदि छिद्रयुक्त ग्रेफाइट के माध्यम से उसके फलक तक 100 psi का एक बाहरी दबाव स्रोत पहुँचाया जाए, तो गति शुरू करने के लिए लगभग शून्य बल की आवश्यकता होगी। यह इस तथ्य के बावजूद है कि दोनों फलकों को एक साथ दबाने वाला 1,000 पाउंड का बंद करने वाला बल अभी भी मौजूद है और फलक भौतिक संपर्क में हैं।

सादे बियरिंग पदार्थों का एक वर्ग, जैसे: ग्रेफाइट, कार्बन और सिरेमिक जैसे एल्युमिना और सिलिकॉन-कार्बाइड, जो टर्बो उद्योगों के लिए जाने जाते हैं और स्वाभाविक रूप से छिद्रयुक्त होते हैं, इसलिए इनका उपयोग बाह्य दाबयुक्त बियरिंगों के रूप में किया जा सकता है जो गैर-संपर्क द्रव फिल्म बियरिंग होते हैं। एक संकर कार्य है जहाँ बाह्य दाब का उपयोग संपर्क दाब या सील के बंद होने वाले बल को संपर्क सील फलकों में चल रही ट्रिबोलॉजी से अलग करने के लिए किया जाता है। यह पंप संचालक को यांत्रिक सीलों का उपयोग करते समय समस्या वाले अनुप्रयोगों और उच्च गति संचालन से निपटने के लिए पंप के बाहर कुछ समायोजन करने की अनुमति देता है।

यह सिद्धांत ब्रश, कम्यूटेटर, एक्साइटर या किसी भी संपर्क कंडक्टर पर भी लागू होता है जिसका उपयोग घूर्णन करने वाली वस्तुओं पर डेटा या विद्युत धाराओं को लेने के लिए किया जा सकता है। जैसे-जैसे रोटर तेजी से घूमते हैं और रन आउट बढ़ते हैं, इन उपकरणों को शाफ्ट के संपर्क में रखना मुश्किल हो सकता है, और शाफ्ट के खिलाफ उन्हें पकड़े रखने वाले स्प्रिंग दबाव को बढ़ाना अक्सर आवश्यक होता है। दुर्भाग्य से, विशेष रूप से उच्च गति के संचालन के मामले में, संपर्क बल में इस वृद्धि के परिणामस्वरूप अधिक गर्मी और घिसाव भी होता है। ऊपर वर्णित मैकेनिकल सील चेहरों पर लागू समान हाइब्रिड सिद्धांत यहां भी लागू किया जा सकता है, जहां स्थिर और घूर्णन भागों के बीच विद्युत चालकता के लिए भौतिक संपर्क आवश्यक है। बाहरी दबाव का उपयोग हाइड्रोलिक सिलेंडर के दबाव की तरह किया जा सकता है ताकि गतिशील इंटरफ़ेस पर घर्षण को कम किया जा सके