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 पता चलता है, मैकेनिकल सील संपर्क-प्रकार की सील हैं, जो वायुगतिकीय या भूलभुलैया गैर-संपर्क सील से अलग हैं।यांत्रिक मुहरेंसंतुलित यांत्रिक मुहर या के रूप में भी जाना जाता हैअसंतुलित यांत्रिक मुहरयह इस बात को संदर्भित करता है कि स्थिर सील फेस के पीछे प्रक्रिया दबाव का कितना प्रतिशत आ सकता है। यदि सील फेस को स्पिनिंग फेस के विरुद्ध नहीं धकेला जाता है (जैसा कि पुशर-टाइप सील में होता है) या जिस दबाव पर प्रक्रिया द्रव को सील करने की आवश्यकता होती है, उसे सील फेस के पीछे जाने की अनुमति नहीं दी जाती है, तो प्रक्रिया दबाव सील फेस को पीछे की ओर उड़ा देगा और खोल देगा। सील डिज़ाइनर को आवश्यक क्लोजिंग बल के साथ सील डिज़ाइन करने के लिए सभी ऑपरेटिंग स्थितियों पर विचार करने की आवश्यकता होती है, लेकिन इतना बल नहीं कि गतिशील सील फेस पर यूनिट लोडिंग बहुत अधिक गर्मी और घिसाव पैदा करे। 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
बंद करने वाले बल को संतुलित करना, जैसा कि ऊपर वर्णित है। यह अपेक्षित बंद करने वाले बल को समाप्त नहीं करता है, लेकिन पंप डिजाइनर और उपयोगकर्ता को सील चेहरों को अनवेटिंग या अनलोडिंग की अनुमति देकर घुमाने के लिए एक और घुंडी देता है, जबकि आवश्यक बंद करने वाले बल को बनाए रखता है, इस प्रकार गर्मी और पहनने को कम करता है जबकि संभावित परिचालन स्थितियों को बढ़ाता है।

ड्राई गैस सील (डीजीएस)कंप्रेसर में अक्सर इस्तेमाल किया जाने वाला, सील के चेहरों पर एक उद्घाटन बल प्रदान करता है। यह बल एक वायुगतिकीय असर सिद्धांत द्वारा बनाया जाता है, जहां ठीक पंपिंग खांचे सील के उच्च दबाव प्रक्रिया पक्ष से गैस को अंतराल में और सील के चेहरे पर एक गैर-संपर्क द्रव फिल्म असर के रूप में प्रोत्साहित करने में मदद करते हैं।

शुष्क गैस सील फेस का वायुगतिकीय बेयरिंग खोलने वाला बल। रेखा का ढलान अंतराल पर कठोरता का प्रतिनिधि है। ध्यान दें कि अंतराल माइक्रोन में है।
यही घटना हाइड्रोडायनामिक ऑयल बियरिंग में भी होती है जो अधिकांश बड़े सेंट्रीफ्यूगल कंप्रेसर और पंप रोटर को सपोर्ट करती है और इसे बेंटली द्वारा दिखाए गए रोटर डायनेमिक एक्सेंट्रिसिटी प्लॉट में देखा जाता है। यह प्रभाव एक स्थिर बैक स्टॉप प्रदान करता है और हाइड्रोडायनामिक ऑयल बियरिंग और DGS की सफलता में एक महत्वपूर्ण तत्व है। मैकेनिकल सील में ठीक पंपिंग खांचे नहीं होते हैं जो एक एयरोडायनामिक DGS फेस में पाए जा सकते हैं। बंद करने वाले बल को कम करने के लिए बाहरी रूप से दबाव वाले गैस बियरिंग सिद्धांतों का उपयोग करने का एक तरीका हो सकता है।यांत्रिक मुहर चेहराs.

जर्नल सनकीपन अनुपात बनाम द्रव-फिल्म बियरिंग मापदंडों के गुणात्मक आरेख। कठोरता, K, और भिगोना, D, न्यूनतम होते हैं जब जर्नल बियरिंग के केंद्र में होता है। जैसे-जैसे जर्नल बियरिंग सतह के पास आता है, कठोरता और भिगोना नाटकीय रूप से बढ़ जाता है।

बाहरी दबाव वाले एयरोस्टेटिक गैस बियरिंग दबाव वाली गैस के स्रोत का उपयोग करते हैं, जबकि गतिशील बियरिंग अंतराल दबाव उत्पन्न करने के लिए सतहों के बीच सापेक्ष गति का उपयोग करते हैं। बाहरी दबाव वाली तकनीक के कम से कम दो मूलभूत लाभ हैं। सबसे पहले, दबाव वाली गैस को सील के चेहरों के बीच नियंत्रित तरीके से सीधे इंजेक्ट किया जा सकता है, बजाय इसके कि गैस को उथले पंपिंग ग्रूव के साथ सील गैप में डाला जाए, जिसके लिए गति की आवश्यकता होती है। यह रोटेशन शुरू होने से पहले सील के चेहरों को अलग करने में सक्षम बनाता है। भले ही चेहरों को एक साथ दबाया गया हो, वे शून्य घर्षण के लिए खुल जाएंगे और जब उनके बीच सीधे दबाव डाला जाएगा तो वे बंद हो जाएंगे। इसके अतिरिक्त, यदि सील गर्म चल रही है, तो बाहरी दबाव से सील के चेहरे पर दबाव बढ़ाना संभव है। तब अंतर दबाव के साथ आनुपातिक रूप से बढ़ेगा, लेकिन कतरनी से गर्मी अंतराल के घन फ़ंक्शन पर पड़ेगी। यह ऑपरेटर को गर्मी उत्पादन के खिलाफ लाभ उठाने की एक नई क्षमता देता है।

कंप्रेसर में एक और फायदा यह है कि इसमें फेस के आर-पार कोई प्रवाह नहीं होता है जैसा कि DGS में होता है। इसके बजाय, सबसे अधिक दबाव सील फेस के बीच होता है, और बाहरी दबाव वायुमंडल में प्रवाहित होगा या एक तरफ से कंप्रेसर में और दूसरी तरफ से निकलेगा। यह प्रक्रिया को अंतराल से बाहर रखकर विश्वसनीयता बढ़ाता है। पंप में यह एक लाभ नहीं हो सकता है क्योंकि पंप में संपीड़ित गैस को जबरदस्ती डालना अवांछनीय हो सकता है। पंप के अंदर संपीड़ित गैसें कैविटेशन या एयर हैमर की समस्या पैदा कर सकती हैं। हालांकि, पंप प्रक्रिया में गैस प्रवाह के नुकसान के बिना पंप के लिए एक गैर-संपर्क या घर्षण-मुक्त सील होना दिलचस्प होगा। क्या शून्य प्रवाह के साथ बाहरी रूप से दबाव वाली गैस बियरिंग होना संभव हो सकता है?

मुआवज़ा
सभी बाहरी दबाव वाले बीयरिंगों में किसी न किसी तरह का मुआवजा होता है। मुआवजा प्रतिबंध का एक रूप है जो दबाव को आरक्षित रखता है। मुआवजे का सबसे आम रूप छिद्रों का उपयोग है, लेकिन नाली, कदम और छिद्रपूर्ण मुआवजा तकनीकें भी हैं। मुआवजा बीयरिंग या सील चेहरों को बिना छुए एक साथ चलने में सक्षम बनाता है, क्योंकि वे जितने करीब होते हैं, उनके बीच गैस का दबाव उतना ही अधिक होता है, जिससे चेहरे अलग हो जाते हैं।

उदाहरण के लिए, 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 इस स्रोत गैस का दबाव 60 पाउंड प्रति वर्ग इंच (psi) है और फेस का क्षेत्रफल 10 वर्ग इंच है और 300 पाउंड का भार है, तो बेयरिंग अंतराल में औसतन 30 psi होगा। आमतौर पर, अंतराल लगभग 0.0003 इंच होगा, और क्योंकि अंतराल इतना छोटा है, प्रवाह केवल लगभग 0.2 मानक घन फीट प्रति मिनट (scfm) होगा। क्योंकि अंतराल से ठीक पहले एक छिद्र प्रतिबंधक होता है जो दबाव को वापस रिजर्व में रखता है, यदि भार 400 पाउंड तक बढ़ जाता है तो बेयरिंग अंतराल लगभग 0.0002 इंच तक कम हो जाता है, जो अंतराल के माध्यम से प्रवाह को 0.1 scfm तक सीमित कर देता है

यह एक समन्वय मापने वाली मशीन (सीएमएम) में पाए जाने वाले एक विशिष्ट छिद्र वायु बियरिंग का एक कटअवे साइड व्यू है। यदि एक वायवीय प्रणाली को "क्षतिपूर्ति बियरिंग" माना जाता है, तो उसे बियरिंग गैप प्रतिबंध के अपस्ट्रीम पर प्रतिबंध लगाने की आवश्यकता होती है।
छिद्र बनाम सरंध्र क्षतिपूर्ति
छिद्र क्षतिपूर्ति मुआवजे का सबसे व्यापक रूप से इस्तेमाल किया जाने वाला रूप है। एक सामान्य छिद्र में .010 इंच का एक छेद व्यास हो सकता है, लेकिन चूंकि 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। अक्सर, छिद्रों के आकार के क्षरण से बचने के लिए छिद्रों को माणिक या नीलम से ठीक से काटा जाता है और इसलिए असर के प्रदर्शन में परिवर्तन होता है। एक और मुद्दा यह है कि 0.0002 इंच से कम अंतराल पर, छिद्र के आसपास का क्षेत्र चेहरे के बाकी हिस्सों 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। यह मुख्य कारणों में से एक है

छिद्रित प्रतिपूरित बियरिंग के मामले में ऐसा नहीं है, बल्कि कठोरता जारी रहती है
लोड बढ़ने पर अंतर कम होने पर बढ़ता है, जैसा कि डीजीएस (छवि 1) और
हाइड्रोडायनामिक ऑयल बियरिंग्स। बाहरी रूप से दबाव वाले छिद्रपूर्ण बियरिंग्स के मामले में, जब इनपुट दबाव गुणा क्षेत्र बियरिंग पर कुल भार के बराबर होता है, तो बियरिंग एक संतुलित बल मोड में होगी। यह एक दिलचस्प ट्रिबोलॉजिकल मामला है क्योंकि इसमें शून्य लिफ्ट या एयर गैप होता है। शून्य प्रवाह होगा, लेकिन बियरिंग के चेहरे के नीचे काउंटर सतह के खिलाफ वायु दबाव का हाइड्रोस्टेटिक बल अभी भी कुल भार को कम करता है और घर्षण के लगभग शून्य गुणांक में परिणाम देता है - भले ही चेहरे अभी भी संपर्क में हों।

उदाहरण के लिए, यदि ग्रेफाइट सील फेस का क्षेत्रफल 10 वर्ग इंच है और 1,000 पाउंड का क्लोजिंग बल है और ग्रेफाइट का घर्षण गुणांक 0.1 है, तो गति आरंभ करने के लिए 100 पाउंड बल की आवश्यकता होगी। लेकिन छिद्रपूर्ण ग्रेफाइट के माध्यम से इसके फेस पर पोर्ट किए गए 100 psi के बाहरी दबाव स्रोत के साथ, गति आरंभ करने के लिए अनिवार्य रूप से शून्य बल की आवश्यकता होगी। यह इस तथ्य के बावजूद है कि अभी भी 1,000 पाउंड का क्लोजिंग बल दोनों फेस को एक साथ दबा रहा है और फेस शारीरिक संपर्क में हैं।

सादे बियरिंग सामग्रियों 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 छिद्रपूर्ण होते हैं इसलिए उन्हें बाहरी रूप से दबाव वाले बियरिंग के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है जो गैर-संपर्क द्रव फिल्म बियरिंग हैं। एक हाइब्रिड फ़ंक्शन है जहाँ बाहरी दबाव का उपयोग संपर्क दबाव या सील के बंद होने वाले बल को ट्रिबोलॉजी से अलग करने के लिए किया जाता है जो संपर्क सील चेहरों में चल रहा है। यह पंप ऑपरेटर को यांत्रिक सील का उपयोग करते समय समस्या अनुप्रयोगों और उच्च गति संचालन से निपटने के लिए पंप के बाहर कुछ समायोजित 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 धारा लेने या बंद करने के लिए किया जा सकता है। जैसे-जैसे रोटर तेजी से घूमते हैं और तेजी से खत्म होते 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 यह वृद्धि अधिक गर्मी और पहनने का कारण भी बनती 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 की आवश्यकता होती है। बाहरी दबाव का उपयोग हाइड्रोलिक सिलेंडर से दबाव की तरह गतिशील इंटरफ़ेस पर घर्षण को कम करने के लिए किया जा सकता है