Máy bơm là một trong những thiết bị sử dụng phớt cơ khí nhiều nhất. Như tên gọi cho thấy, phớt cơ khí là loại phớt tiếp xúc, khác với các loại phớt không tiếp xúc như phớt khí động học hoặc phớt mê cung.Phớt cơ khícòn được đặc trưng là gioăng cơ khí cân bằng hoặcphớt cơ khí không cân bằngĐiều này đề cập đến tỷ lệ phần trăm áp suất quá trình, nếu có, có thể đi vào phía sau mặt gioăng cố định. Nếu mặt gioăng không được đẩy vào mặt quay (như trong gioăng kiểu đẩy) hoặc chất lỏng trong quá trình ở áp suất cần được làm kín không được phép đi vào phía sau mặt gioăng, áp suất quá trình sẽ đẩy mặt gioăng ra và mở ra. Người thiết kế gioăng cần xem xét tất cả các điều kiện hoạt động để thiết kế gioăng có lực đóng cần thiết nhưng không quá mạnh đến mức tải trọng tại mặt gioăng động tạo ra quá nhiều nhiệt và mài mòn. Đây là sự cân bằng tinh tế quyết định độ tin cậy của bơm.
Các mặt gioăng động tạo ra lực mở thay vì phương pháp thông thường.
Cân bằng lực đóng, như đã mô tả ở trên. Phương pháp này không loại bỏ lực đóng cần thiết mà cung cấp cho nhà thiết kế và người sử dụng bơm một tùy chọn khác bằng cách cho phép giảm trọng lượng hoặc giảm tải lên các bề mặt gioăng, trong khi vẫn duy trì lực đóng cần thiết, do đó giảm nhiệt và mài mòn đồng thời mở rộng các điều kiện hoạt động có thể.
Gioăng kín khí khô (DGS)Các loại gioăng này, thường được sử dụng trong máy nén, tạo ra lực mở tại các mặt gioăng. Lực này được tạo ra bởi nguyên lý ổ trục khí động học, trong đó các rãnh bơm nhỏ giúp đẩy khí từ phía quá trình áp suất cao của gioăng vào khe hở và lan ra khắp bề mặt gioăng như một loại ổ trục màng chất lỏng không tiếp xúc.
Lực mở ổ trục khí động học của bề mặt gioăng khí khô. Độ dốc của đường thẳng biểu thị độ cứng tại khe hở. Lưu ý rằng khe hở được tính bằng micromet.
Hiện tượng tương tự cũng xảy ra trong các ổ trục dầu thủy động hỗ trợ hầu hết các máy nén ly tâm và rôto bơm cỡ lớn và được thể hiện trong các biểu đồ độ lệch tâm động của rôto do Bently trình bày. Hiệu ứng này cung cấp một điểm dừng ổn định và là một yếu tố quan trọng trong sự thành công của các ổ trục dầu thủy động và DGS. Các phớt cơ khí không có các rãnh bơm nhỏ như có thể tìm thấy trên bề mặt DGS khí động học. Có thể có cách sử dụng các nguyên lý ổ trục khí nén bên ngoài để giảm lực đóng từ...mặt gioăng cơ khís.
Đồ thị định tính biểu diễn các thông số của ổ trục màng chất lỏng theo tỷ lệ lệch tâm trục. Độ cứng, K, và độ giảm chấn, D, đạt giá trị nhỏ nhất khi trục nằm ở tâm ổ trục. Khi trục tiến gần đến bề mặt ổ trục, độ cứng và độ giảm chấn tăng lên đáng kể.
Ổ trục khí nén ngoài sử dụng nguồn khí nén, trong khi ổ trục động sử dụng chuyển động tương đối giữa các bề mặt để tạo ra áp suất khe hở. Công nghệ nén ngoài có ít nhất hai ưu điểm cơ bản. Thứ nhất, khí nén có thể được bơm trực tiếp vào giữa các bề mặt làm kín một cách có kiểm soát, thay vì phải bơm khí vào khe hở bằng các rãnh bơm nông cần chuyển động. Điều này cho phép tách các bề mặt làm kín trước khi bắt đầu quay. Ngay cả khi các bề mặt bị ép chặt vào nhau, chúng sẽ bật ra để khởi động và dừng không ma sát khi áp suất được bơm trực tiếp vào giữa chúng. Ngoài ra, nếu gioăng bị nóng, có thể tăng áp suất lên bề mặt gioăng bằng áp suất ngoài. Khi đó, khe hở sẽ tăng tỷ lệ thuận với áp suất, nhưng nhiệt lượng sinh ra do lực cắt sẽ giảm theo hàm lập phương của khe hở. Điều này mang lại cho người vận hành khả năng mới để tận dụng chống lại sự sinh nhiệt.
Một ưu điểm khác của máy nén là không có dòng chảy ngang qua bề mặt như trong hệ thống DGS. Thay vào đó, áp suất cao nhất nằm giữa các bề mặt làm kín, và áp suất bên ngoài sẽ thoát ra khí quyển hoặc thoát vào một bên và vào máy nén từ phía bên kia. Điều này làm tăng độ tin cậy bằng cách giữ cho quá trình hoạt động không bị ảnh hưởng bởi khe hở. Trong máy bơm, điều này có thể không phải là một lợi thế vì việc ép khí nén vào máy bơm có thể không mong muốn. Khí nén bên trong máy bơm có thể gây ra hiện tượng xâm thực hoặc búa khí. Tuy nhiên, sẽ rất thú vị nếu có một loại gioăng không tiếp xúc hoặc không ma sát cho máy bơm mà không có nhược điểm là dòng khí chảy vào quá trình bơm. Liệu có thể có một ổ trục khí nén bên ngoài với lưu lượng bằng không?
Đền bù
Tất cả các ổ trục chịu áp suất bên ngoài đều có một số dạng bù áp. Bù áp là một hình thức hạn chế giúp giữ áp suất lại trong kho dự trữ. Hình thức bù áp phổ biến nhất là sử dụng các lỗ nhỏ, nhưng cũng có các kỹ thuật bù áp bằng rãnh, bậc thang và lỗ xốp. Bù áp cho phép các ổ trục hoặc bề mặt làm kín hoạt động gần nhau mà không chạm vào nhau, bởi vì càng gần nhau, áp suất khí giữa chúng càng cao, đẩy các bề mặt ra xa nhau.
Ví dụ, dưới ổ trục khí bù có lỗ phẳng (Hình 3), giá trị trung bình
Áp suất trong khe hở sẽ bằng tổng tải trọng tác dụng lên ổ trục chia cho diện tích bề mặt, đây là tải trọng đơn vị. Nếu áp suất khí nguồn là 60 pound trên inch vuông (psi) và diện tích bề mặt là 10 inch vuông, với tải trọng là 300 pound, thì áp suất trung bình trong khe hở ổ trục sẽ là 30 psi. Thông thường, khe hở sẽ khoảng 0,0003 inch, và vì khe hở rất nhỏ, lưu lượng chỉ khoảng 0,2 feet khối tiêu chuẩn mỗi phút (scfm). Vì có một van tiết lưu ngay trước khe hở giữ áp suất dự trữ, nếu tải trọng tăng lên 400 pound, khe hở ổ trục sẽ giảm xuống khoảng 0,0002 inch, hạn chế lưu lượng qua khe hở giảm 0,1 scfm. Sự tăng lên của van tiết lưu thứ hai này cung cấp đủ lưu lượng cho van tiết lưu để cho phép áp suất trung bình trong khe hở tăng lên 40 psi và chịu được tải trọng tăng lên.
Đây là hình chiếu cạnh cắt ngang của một ổ trục khí dạng lỗ điển hình được tìm thấy trong máy đo tọa độ (CMM). Nếu một hệ thống khí nén được coi là "ổ trục bù", nó cần phải có một bộ phận hạn chế ở phía trước bộ phận hạn chế khe hở của ổ trục.
Lỗ thoát so với sự bù trừ qua lỗ xốp
Bù trừ bằng lỗ tiết lưu là hình thức bù trừ được sử dụng rộng rãi nhất. Một lỗ tiết lưu điển hình có thể có đường kính lỗ là 0,010 inch, nhưng vì nó cung cấp khí cho một diện tích vài inch vuông, nên nó cung cấp khí cho một diện tích lớn hơn nhiều lần so với chính nó, do đó vận tốc của khí có thể rất cao. Thông thường, các lỗ tiết lưu được cắt chính xác từ hồng ngọc hoặc ngọc bích để tránh sự ăn mòn kích thước lỗ và do đó tránh làm thay đổi hiệu suất của ổ trục. Một vấn đề khác là ở các khe hở dưới 0,0002 inch, diện tích xung quanh lỗ tiết lưu bắt đầu làm tắc nghẽn dòng chảy đến phần còn lại của bề mặt, tại thời điểm đó màng khí bị sụp đổ. Điều tương tự cũng xảy ra khi nâng lên, vì chỉ có diện tích của lỗ tiết lưu và bất kỳ rãnh nào mới có thể tạo ra lực nâng. Đây là một trong những lý do chính khiến các ổ trục chịu áp suất bên ngoài không được thấy trong các bản vẽ thiết kế gioăng.
Điều này không đúng đối với ổ trục bù xốp, thay vào đó độ cứng vẫn tiếp tục được duy trì.
tăng lên khi tải trọng tăng và khoảng cách giảm xuống, giống như trường hợp của DGS (Hình 1) và
Ổ trục dầu thủy động. Trong trường hợp ổ trục xốp chịu áp suất bên ngoài, ổ trục sẽ ở chế độ lực cân bằng khi áp suất đầu vào nhân với diện tích bằng tổng tải trọng tác dụng lên ổ trục. Đây là một trường hợp ma sát học thú vị vì không có lực nâng hoặc khe hở không khí. Sẽ không có dòng chảy, nhưng lực thủy tĩnh của áp suất không khí tác dụng lên bề mặt đối diện bên dưới mặt ổ trục vẫn làm giảm trọng lượng tổng tải và dẫn đến hệ số ma sát gần bằng không — ngay cả khi các mặt vẫn tiếp xúc với nhau.
Ví dụ, nếu bề mặt gioăng than chì có diện tích 10 inch vuông và lực đóng 1.000 pound, và than chì có hệ số ma sát là 0,1, thì cần 100 pound lực để bắt đầu chuyển động. Nhưng với nguồn áp suất bên ngoài 100 psi được dẫn qua lớp than chì xốp đến bề mặt của nó, về cơ bản sẽ không cần lực nào để bắt đầu chuyển động. Điều này bất chấp việc vẫn có lực đóng 1.000 pound ép hai bề mặt lại với nhau và chúng đang tiếp xúc vật lý với nhau.
Một nhóm vật liệu ổ trục trơn như: than chì, cacbon và gốm sứ như alumina và silicon carbide, được biết đến trong ngành công nghiệp tuabin và có tính xốp tự nhiên nên có thể được sử dụng làm ổ trục chịu áp suất bên ngoài, là loại ổ trục màng chất lỏng không tiếp xúc. Có một chức năng lai ghép, trong đó áp suất bên ngoài được sử dụng để giảm áp suất tiếp xúc hoặc lực đóng của gioăng khỏi ma sát xảy ra trên các bề mặt tiếp xúc của gioăng. Điều này cho phép người vận hành bơm có thể điều chỉnh bên ngoài bơm để xử lý các ứng dụng có vấn đề và vận hành ở tốc độ cao hơn khi sử dụng gioăng cơ khí.
Nguyên lý này cũng áp dụng cho chổi than, bộ chuyển mạch, bộ kích thích, hoặc bất kỳ dây dẫn tiếp xúc nào có thể được sử dụng để truyền dữ liệu hoặc dòng điện vào hoặc ra khỏi các vật thể quay. Khi rôto quay nhanh hơn và độ lệch tâm tăng lên, việc giữ cho các thiết bị này tiếp xúc với trục có thể trở nên khó khăn, và thường cần phải tăng áp lực lò xo giữ chúng áp sát vào trục. Thật không may, đặc biệt là trong trường hợp hoạt động ở tốc độ cao, việc tăng lực tiếp xúc này cũng dẫn đến nhiệt lượng và sự mài mòn lớn hơn. Nguyên lý lai tương tự được áp dụng cho các mặt gioăng cơ khí được mô tả ở trên cũng có thể được áp dụng ở đây, nơi cần có sự tiếp xúc vật lý để dẫn điện giữa các bộ phận tĩnh và quay. Áp suất bên ngoài có thể được sử dụng giống như áp suất từ xi lanh thủy lực để giảm ma sát tại giao diện động trong khi vẫn tăng lực lò xo hoặc lực đóng cần thiết để giữ cho chổi than hoặc mặt gioăng tiếp xúc với trục quay.
Thời gian đăng bài: 21 tháng 10 năm 2023