मैकेनिकल सीलों को बल के साथ संतुलित करने का एक नया तरीका

पंप यांत्रिक सीलों के सबसे बड़े उपयोगकर्ताओं में से एक हैं। जैसा कि नाम से पता चलता है, यांत्रिक सील संपर्क-प्रकार की सील होती हैं, जो वायुगतिकीय या भूलभुलैयानुमा गैर-संपर्क सीलों से भिन्न होती हैं।मैकेनिकल सीलइन्हें संतुलित यांत्रिक सील या के रूप में भी जाना जाता है।असंतुलित यांत्रिक सीलइससे तात्पर्य यह है कि स्थिर सील सतह के पीछे से प्रक्रिया दबाव का कितना प्रतिशत (यदि कोई हो) आ सकता है। यदि सील सतह को घूर्णनशील सतह के विरुद्ध नहीं दबाया जाता है (जैसे कि पुशर-प्रकार की सील में) या सील करने के लिए आवश्यक दबाव पर प्रक्रिया द्रव को सील सतह के पीछे जाने की अनुमति नहीं दी जाती है, तो प्रक्रिया दबाव सील सतह को पीछे धकेल कर खोल देगा। सील डिज़ाइनर को सभी परिचालन स्थितियों पर विचार करते हुए एक ऐसी सील डिज़ाइन करनी चाहिए जिसमें आवश्यक समापन बल हो, लेकिन इतना अधिक बल न हो कि गतिशील सील सतह पर इकाई भार के कारण अत्यधिक गर्मी और घिसाव उत्पन्न हो। यह एक नाजुक संतुलन है जो पंप की विश्वसनीयता को निर्धारित करता है।

डायनामिक सील पारंपरिक तरीके के बजाय एक खोलने वाले बल को सक्षम करके काम करती है।
जैसा कि ऊपर वर्णित है, यह समापन बल को संतुलित करता है। यह आवश्यक समापन बल को समाप्त नहीं करता है, बल्कि पंप डिजाइनर और उपयोगकर्ता को सील सतहों के भार को कम या ज्यादा करके, आवश्यक समापन बल को बनाए रखते हुए, एक और विकल्प प्रदान करता है, जिससे गर्मी और घिसाव कम होता है और संभावित परिचालन स्थितियों का दायरा बढ़ता है।

ड्राई गैस सील (डीजीएस)कंप्रेसर में अक्सर उपयोग होने वाले ये उपकरण सील सतहों पर एक खोलने वाला बल प्रदान करते हैं। यह बल एक वायुगतिकीय बेयरिंग सिद्धांत द्वारा उत्पन्न होता है, जहां महीन पंपिंग खांचे सील के उच्च दबाव वाले प्रक्रिया पक्ष से गैस को अंतराल में और सील की सतह पर एक गैर-संपर्क द्रव फिल्म बेयरिंग के रूप में प्रवाहित करने में मदद करते हैं।

शुष्क गैस सील सतह का वायुगतिकीय बेयरिंग ओपनिंग बल। रेखा की ढलान अंतराल पर कठोरता को दर्शाती है। ध्यान दें कि अंतराल माइक्रोन में है।
यही घटना अधिकांश बड़े सेंट्रीफ्यूगल कंप्रेसर और पंप रोटर को सहारा देने वाले हाइड्रोडायनामिक ऑयल बेयरिंग में भी होती है और बेंटली द्वारा दिखाए गए रोटर डायनेमिक एक्सेंट्रिसिटी प्लॉट में देखी जा सकती 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 ग्रूव नहीं होते जो एयरोडायनामिक डीजीएस फेस में पाए जा सकते हैं। हो सकता है कि बाहरी रूप से दबावित गैस बेयरिंग सिद्धांतों का उपयोग करके क्लोजिंग फोर्स को कम करने का कोई तरीका हो।मैकेनिकल सील फेसs.

जर्नल उत्केंद्रता अनुपात के सापेक्ष द्रव-फिल्म बेयरिंग मापदंडों के गुणात्मक आरेख। जर्नल के बेयरिंग के केंद्र में होने पर कठोरता (K) और अवमंदन (D) न्यूनतम होते हैं। जैसे-जैसे जर्नल बेयरिंग की सतह के निकट आता है, कठोरता और अवमंदन में नाटकीय रूप से वृद्धि होती है।

बाह्य रूप से दबावयुक्त एयरोस्टैटिक गैस बेयरिंग में दबावयुक्त गैस का स्रोत उपयोग किया जाता है, जबकि डायनामिक बेयरिंग सतहों के बीच सापेक्ष गति का उपयोग करके अंतर दबाव उत्पन्न करती हैं। बाह्य रूप से दबावयुक्त तकनीक के कम से कम दो मूलभूत लाभ हैं। पहला, दबावयुक्त गैस को सील के बीच के अंतराल में गति की आवश्यकता वाले उथले पंपिंग ग्रूव के माध्यम से गैस को धकेलने के बजाय, नियंत्रित तरीके से सीधे सील सतहों के बीच इंजेक्ट किया जा सकता है। इससे घूर्णन शुरू होने से पहले सील सतहों को अलग करना संभव हो जाता है। यदि सतहें आपस में कसकर बंद भी हों, तो भी दबाव सीधे उनके बीच इंजेक्ट करने पर वे शून्य घर्षण के साथ खुल जाती हैं और संचालन शुरू और बंद हो जाता है। इसके अतिरिक्त, यदि सील गर्म हो रही है, तो बाह्य दबाव से सील की सतह पर दबाव बढ़ाया जा सकता है। तब अंतराल दबाव के अनुपात में बढ़ेगा, लेकिन कतरन से उत्पन्न ऊष्मा अंतराल के घन फलन के रूप में कम हो जाएगी। इससे ऑपरेटर को ऊष्मा उत्पादन को नियंत्रित करने की एक नई क्षमता मिलती है।

कंप्रेसर में एक और फायदा यह है कि इसमें डीजीएस की तरह सतह के आर-पार कोई प्रवाह नहीं होता। इसके बजाय, सबसे अधिक दबाव सील सतहों के बीच होता है, और बाहरी दबाव वायुमंडल में प्रवाहित होता है या एक तरफ से बाहर निकलकर दूसरी तरफ से कंप्रेसर में प्रवेश करता है। इससे प्रक्रिया को अंतराल से बाहर रखकर विश्वसनीयता बढ़ती है। पंपों में यह फायदेमंद नहीं हो सकता क्योंकि पंप में संपीड़ित गैस को जबरदस्ती डालना अवांछनीय हो सकता है। पंपों के अंदर संपीड़ित गैसें कैविटेशन या एयर हैमर जैसी समस्याएं पैदा कर सकती हैं। हालांकि, पंप प्रक्रिया में गैस प्रवाह की समस्या के बिना पंपों के लिए एक गैर-संपर्क या घर्षण-मुक्त सील बनाना दिलचस्प होगा। क्या शून्य प्रवाह के साथ बाहरी रूप से दबावयुक्त गैस बेयरिंग बनाना संभव है?

मुआवज़ा
बाह्य दबाव वाले सभी बेयरिंग में किसी न किसी प्रकार का कंपनसेशन होता है। कंपनसेशन एक प्रकार का अवरोध है जो दबाव को आरक्षित रखता है। कंपनसेशन का सबसे सामान्य रूप छिद्रों का उपयोग है, लेकिन ग्रूव, स्टेप और छिद्रयुक्त कंपनसेशन तकनीकें भी मौजूद हैं। कंपनसेशन बेयरिंग या सील सतहों को एक-दूसरे के करीब चलने में सक्षम बनाता है, बिना छुए, क्योंकि वे जितनी करीब आती हैं, उनके बीच गैस का दबाव उतना ही बढ़ जाता है, जिससे सतहें एक-दूसरे से दूर हट जाती हैं।

उदाहरण के तौर पर, एक समतल छिद्र वाले क्षतिपूर्ति गैस वाहक (चित्र 3) के अंतर्गत, औसत
गैप में दबाव, बेयरिंग पर कुल भार को सतह के क्षेत्रफल से भाग देने पर प्राप्त मान के बराबर होगा; इसे इकाई भार कहते हैं। यदि स्रोत गैस का दबाव 60 पाउंड प्रति वर्ग इंच (psi) है, सतह का क्षेत्रफल 10 वर्ग इंच है और भार 300 पाउंड है, तो बेयरिंग गैप में औसतन 30 psi दबाव होगा। सामान्यतः, गैप लगभग 0.0003 इंच होता है, और क्योंकि गैप बहुत छोटा है, इसलिए प्रवाह केवल लगभग 0.2 मानक घन फुट प्रति मिनट (scfm) होगा। गैप से ठीक पहले एक छिद्र अवरोधक लगा होता है जो दबाव को आरक्षित रखता है। यदि भार बढ़कर 400 पाउंड हो जाता है, तो बेयरिंग गैप घटकर लगभग 0.0002 इंच हो जाता है, जिससे गैप के माध्यम से प्रवाह 0.1 scfm तक सीमित हो जाता है। दूसरे अवरोध में इस वृद्धि से छिद्र अवरोधक को इतना प्रवाह मिल जाता है कि गैप में औसत दबाव बढ़कर 40 psi हो जाता है और बढ़े हुए भार को सहन कर पाता है।

यह एक कोऑर्डिनेट मेजरिंग मशीन (सीएमएम) में पाए जाने वाले एक विशिष्ट छिद्र वायु बेयरिंग का साइड व्यू है। यदि किसी न्यूमेटिक सिस्टम को "कंपनसेटेड बेयरिंग" माना जाना है, तो बेयरिंग गैप प्रतिबंध से पहले की ओर एक प्रतिबंध होना आवश्यक है।
छिद्र बनाम छिद्रयुक्त क्षतिपूर्ति
छिद्र क्षतिपूर्ति सबसे व्यापक रूप से प्रयुक्त क्षतिपूर्ति विधि है। एक सामान्य छिद्र का व्यास 0.010 इंच हो सकता है, लेकिन चूंकि यह कुछ वर्ग इंच क्षेत्र को ही गैस प्रदान करता है, इसलिए यह अपने क्षेत्रफल से कई गुना अधिक क्षेत्र को गैस प्रदान करता है, जिससे गैस का वेग अधिक हो सकता है। अक्सर, छिद्र के आकार के क्षरण और बेयरिंग के प्रदर्शन में बदलाव से बचने के लिए, छिद्र माणिक या नीलम से सटीक रूप से काटे जाते हैं। एक अन्य समस्या यह है कि 0.0002 इंच से कम के अंतराल पर, छिद्र के आसपास का क्षेत्र सतह के शेष भाग में प्रवाह को अवरुद्ध करना शुरू कर देता है, जिसके परिणामस्वरूप गैस फिल्म का पतन हो जाता है। लिफ्ट-ऑफ के समय भी यही स्थिति उत्पन्न होती है, क्योंकि लिफ्ट शुरू करने के लिए केवल छिद्र का क्षेत्र और कोई खांचे ही उपलब्ध होते हैं। यही मुख्य कारण है कि सील योजनाओं में बाह्य रूप से दबावयुक्त बेयरिंग का उपयोग नहीं किया जाता है।

छिद्रयुक्त क्षतिपूर्ति बियरिंग के मामले में ऐसा नहीं है, इसके बजाय कठोरता बनी रहती है।
लोड बढ़ने पर वृद्धि होती है और अंतर कम हो जाता है, ठीक वैसे ही जैसे डीजीएस (चित्र 1) के मामले में होता है।
हाइड्रोडायनामिक ऑइल बेयरिंग। बाह्य रूप से दबावयुक्त छिद्रयुक्त बेयरिंग के मामले में, बेयरिंग संतुलित बल अवस्था में तब होती है जब इनपुट दबाव और क्षेत्रफल का गुणनफल बेयरिंग पर कुल भार के बराबर होता है। यह एक रोचक ट्राइबोलॉजिकल स्थिति है क्योंकि इसमें शून्य लिफ्ट या वायु अंतराल होता है। प्रवाह शून्य होगा, लेकिन बेयरिंग के नीचे काउंटर सतह के विरुद्ध वायु दाब का हाइड्रोस्टैटिक बल कुल भार को संतुलित कर देता है और घर्षण गुणांक को लगभग शून्य कर देता है—भले ही सतहें अभी भी संपर्क में हों।

उदाहरण के लिए, यदि किसी ग्रेफाइट सील सतह का क्षेत्रफल 10 वर्ग इंच है और उस पर 1,000 पाउंड का शमन बल लगता है तथा ग्रेफाइट का घर्षण गुणांक 0.1 है, तो उसे गति देने के लिए 100 पाउंड बल की आवश्यकता होगी। लेकिन यदि छिद्रयुक्त ग्रेफाइट के माध्यम से उसकी सतह पर 100 psi का बाहरी दबाव डाला जाए, तो गति देने के लिए लगभग शून्य बल की आवश्यकता होगी। यह इस तथ्य के बावजूद है कि दोनों सतहों पर अभी भी 1,000 पाउंड का शमन बल लग रहा है और वे भौतिक रूप से एक-दूसरे के संपर्क में हैं।

प्लेन बेयरिंग सामग्रियों का एक वर्ग, जैसे कि ग्रेफाइट, कार्बन और सिरेमिक जैसे एल्यूमिना और सिलिकॉन-कार्बाइड, टर्बो उद्योगों में जाने जाते हैं और स्वाभाविक रूप से छिद्रपूर्ण होते हैं, इसलिए इनका उपयोग बाहरी दबाव वाले नॉन-कॉन्टैक्टिंग फ्लूइड फिल्म बेयरिंग के रूप में किया जा सकता है। इनमें एक हाइब्रिड कार्यप्रणाली होती है, जिसमें बाहरी दबाव का उपयोग सील के संपर्क दबाव या सील के बंद होने के बल को सील सतहों पर होने वाली ट्राइबोलॉजी से मुक्त करने के लिए किया जाता है। इससे पंप ऑपरेटर को यांत्रिक सील का उपयोग करते समय समस्या वाले अनुप्रयोगों और उच्च गति संचालन से निपटने के लिए पंप के बाहर समायोजन करने की सुविधा मिलती है।

यह सिद्धांत ब्रश, कम्यूटेटर, एक्साइटर या किसी भी संपर्क कंडक्टर पर भी लागू होता है जिसका उपयोग घूर्णनशील वस्तुओं से डेटा या विद्युत धारा लेने या प्राप्त करने के लिए किया जाता है। जैसे-जैसे रोटर की गति बढ़ती है और रन आउट बढ़ता है, इन उपकरणों को शाफ्ट के संपर्क में रखना मुश्किल हो सकता है, और अक्सर शाफ्ट के साथ उन्हें पकड़े रखने वाले स्प्रिंग के दबाव को बढ़ाना आवश्यक हो जाता है। दुर्भाग्य से, विशेष रूप से उच्च गति संचालन के मामले में, संपर्क बल में यह वृद्धि अधिक गर्मी और घिसाव का कारण भी बनती है। ऊपर वर्णित यांत्रिक सील सतहों पर लागू होने वाला यही हाइब्रिड सिद्धांत यहां भी लागू किया जा सकता है, जहां स्थिर और घूर्णनशील भागों के बीच विद्युत चालकता के लिए भौतिक संपर्क आवश्यक है। बाहरी दबाव का उपयोग हाइड्रोलिक सिलेंडर के दबाव की तरह गतिशील इंटरफ़ेस पर घर्षण को कम करने के लिए किया जा सकता है, जबकि ब्रश या सील सतह को घूर्णनशील शाफ्ट के संपर्क में रखने के लिए आवश्यक स्प्रिंग बल या क्लोजिंग बल को भी बढ़ाया जा सकता है।