Một cách mới để cân bằng lực phớt cơ khí

Máy bơm là một trong những thiết bị sử dụng phớt cơ khí nhiều nhất. Đúng như tên gọi, phớt cơ khí là loại phớt tiếp xúc, khác với loại phớt khí động học hoặc phớt không tiếp xúc dạng mê cung.Phớt cơ khícũng được đặc trưng là phớt cơ khí cân bằng hoặcphớt cơ khí không cân bằng. Điều này đề cập đến tỷ lệ phần trăm áp suất quy trình, nếu có, có thể đi qua phía sau mặt phớt tĩnh. Nếu mặt phớt không được đẩy vào mặt quay (như trong phớt loại đẩy) hoặc chất lỏng quy trình ở áp suất cần được bịt kín không được phép đi vào phía sau mặt phớt, áp suất quy trình sẽ đẩy mặt phớt trở lại và mở ra. Nhà thiết kế phớt cần xem xét tất cả các điều kiện vận hành để thiết kế một phớt có lực đóng cần thiết nhưng không quá mạnh đến mức tải trọng của đơn vị tại mặt phớt động tạo ra quá nhiều nhiệt và mài mòn. Đây là một sự cân bằng tinh tế quyết định độ tin cậy của bơm.

mặt niêm phong động bằng cách cho phép lực mở thay vì cách thông thường
cân bằng lực đóng, như đã mô tả ở trên. Nó không loại bỏ lực đóng cần thiết nhưng cung cấp cho nhà thiết kế và người sử dụng máy bơm một nút điều khiển khác để xoay bằng cách cho phép giảm tải hoặc giảm trọng lượng trên bề mặt phớt, đồng thời duy trì lực đóng cần thiết, do đó giảm nhiệt và mài mòn, đồng thời mở rộng các điều kiện vận hành có thể.

Phớt khí khô (DGS), thường được sử dụng trong máy nén, tạo ra lực mở tại các mặt phớt. Lực này được tạo ra bởi nguyên lý ổ trục khí động học, trong đó các rãnh bơm mịn giúp đẩy khí từ phía quy trình áp suất cao của phớt vào khe hở và xuyên qua mặt phớt như một ổ trục màng chất lỏng không tiếp xúc.

Lực mở ổ trục khí động học của bề mặt phớt khí khô. Độ dốc của đường biểu thị độ cứng tại khe hở. Lưu ý rằng khe hở được tính bằng micron.
Hiện tượng tương tự cũng xảy ra trong ổ trục dầu thủy động lực học hỗ trợ hầu hết các máy nén ly tâm và rô-to bơm lớn, và được thể hiện trên biểu đồ độ lệch tâm động của rô-to do Bently trình bày. Hiệu ứng này tạo ra một điểm dừng ổn định và là một yếu tố quan trọng cho sự thành công của ổ trục dầu thủy động lực học và DGS. Phớt cơ khí không có các rãnh bơm mịn thường thấy trên bề mặt DGS khí động học. Có thể có một cách sử dụng nguyên lý ổ trục khí nén bên ngoài để giảm tải lực đóng từmặt phớt cơ khís.

Biểu đồ định tính các thông số ổ trục màng chất lỏng so với tỷ lệ lệch tâm của trục khuỷu. Độ cứng, K, và độ giảm chấn, D, là nhỏ nhất khi trục khuỷu nằm ở tâm ổ trục. Khi trục khuỷu gần bề mặt ổ trục, độ cứng và độ giảm chấn tăng đáng kể.

Vòng bi khí tĩnh chịu áp suất bên ngoài sử dụng nguồn khí nén, trong khi vòng bi động sử dụng chuyển động tương đối giữa các bề mặt để tạo áp suất khe hở. Công nghệ chịu áp suất bên ngoài có ít nhất hai ưu điểm cơ bản. Thứ nhất, khí nén có thể được phun trực tiếp giữa các mặt phớt theo cách có kiểm soát thay vì đẩy khí vào khe hở phớt bằng các rãnh bơm nông cần chuyển động. Điều này cho phép tách các mặt phớt trước khi bắt đầu quay. Ngay cả khi các mặt bị xoắn lại với nhau, chúng sẽ bật ra để bắt đầu ma sát bằng không và dừng lại khi áp suất được phun trực tiếp vào giữa chúng. Ngoài ra, nếu phớt nóng, có thể dùng áp suất bên ngoài để tăng áp suất lên mặt phớt. Khi đó, khe hở sẽ tăng theo tỷ lệ với áp suất, nhưng nhiệt từ lực cắt sẽ rơi vào hàm lập phương của khe hở. Điều này mang lại cho người vận hành khả năng mới để tận dụng việc tạo nhiệt.

Máy nén còn có một ưu điểm nữa là không có dòng chảy qua bề mặt như trong DGS. Thay vào đó, áp suất cao nhất nằm giữa các mặt phớt, và áp suất bên ngoài sẽ chảy vào khí quyển hoặc thoát ra một bên và vào máy nén từ phía bên kia. Điều này làm tăng độ tin cậy bằng cách giữ cho quy trình không đi qua khe hở. Trong máy bơm, điều này có thể không phải là một ưu điểm vì việc ép khí nén vào máy bơm có thể là điều 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 phớt không tiếp xúc hoặc không ma sát cho máy bơm mà không gặp bất lợi là khí chảy vào quy trình bơm. Liệu có thể có ổ trục khí chịu áp suất bên ngoài với lưu lượng bằng không không?

Đền bù
Tất cả các ổ trục chịu áp suất bên ngoài đều có một số loại bù áp. Bù áp là một hình thức hạn chế giữ áp suất ở mức dự trữ. Hình thức bù áp phổ biến nhất là sử dụng lỗ, nhưng cũng có các kỹ thuật bù áp rãnh, bù áp bậc và bù áp xốp. Bù áp cho phép ổ trục hoặc mặt phớt chạy gần nhau mà không chạm vào nhau, vì chúng càng gần nhau, áp suất khí giữa chúng càng cao, đẩy các mặt ra xa nhau.

Ví dụ, dưới một ổ trục khí bù lỗ phẳng (Hình ảnh 3), giá trị trung bình
áp suất trong khe hở sẽ bằng tổng tải trọng trên ổ trục chia cho diện tích bề mặt, đây là tải trọng đơn vị. Nếu áp suất khí nguồn này là 60 pound trên inch vuông (psi) và bề mặt có diện tích 10 inch vuông và có tải trọng 300 pound, sẽ có trung bình 30 psi trong khe hở ổ trục. Thông thường, khe hở sẽ vào khoảng 0,0003 inch và do khe hở quá nhỏ nên lưu lượng sẽ chỉ vào khoảng 0,2 feet khối chuẩn mỗi phút (scfm). Do có một bộ hạn chế lỗ ngay trước khe hở giữ áp suất dự trữ, nếu tải trọng tăng lên 400 pound thì khe hở ổ trục sẽ giảm xuống còn khoảng 0,0002 inch, hạn chế lưu lượng qua khe hở xuống 0,1 scfm. Sự gia tăng hạn chế thứ hai này cung cấp cho bộ hạn chế lỗ đủ lưu lượng để cho phép áp suất trung bình trong khe hở tăng lên 40 psi và hỗ trợ tải trọng tăng lên.

Đây là hình ảnh mặt cắt của một ổ trục khí lỗ điển hình thường thấy trong máy đo tọa độ (CMM). Nếu một hệ thống khí nén được coi là "ổ trục bù", nó cần phải có một giới hạn ở phía thượng lưu của giới hạn khe hở ổ trục.
Bù lỗ so với bù lỗ xốp
Bù lỗ là hình thức bù được sử dụng rộng rãi nhất. Một lỗ thông thường có thể có đường kính lỗ là 0,010 inch, nhưng vì nó cung cấp một vài inch vuông diện tích, nên nó cung cấp diện tích lớn hơn nhiều lần so với chính nó, do đó vận tốc của khí có thể cao. Thông thường, các lỗ được cắt chính xác từ hồng ngọc hoặc ngọc bích để tránh xói mòn kích thước lỗ và do đó thay đổi hiệu suất của ổ trục. Một vấn đề khác là ở các khoảng cách dưới 0,0002 inch, khu vực xung quanh lỗ bắt đầu làm nghẹt dòng chảy đến phần còn lại của bề mặt, tại thời điểm đó xảy ra sự sụp đổ của màng khí. Điều tương tự cũng xảy ra khi cất cánh, vì chỉ có diện tích của lỗ và bất kỳ rãnh nào có sẵn để bắt đầu nâng. Đây là một trong những lý do chính khiến ổ trục chịu áp suất bên ngoài không được nhìn thấy trong các kế hoạch phớt.

Đây không phải là trường hợp của ổ trục bù xốp, thay vào đó độ cứng vẫn tiếp tục
tăng khi tải tăng và khoảng cách giảm, giống như trường hợp của DGS (Hình ảnh 1) và
Ổ trục dầu thủy động. Trong trường hợp ổ trục xốp chịu áp suất bên ngoài, ổ trục sẽ ở chế độ cân bằng lực khi áp suất đầu vào nhân với diện tích bằng tổng tải trọng tác động 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 tổng tải trọng và dẫn đến hệ số ma sát gần bằng không—mặc dù các mặt vẫn tiếp xúc.

Ví dụ, nếu bề mặt phớt graphite có diện tích 10 inch vuông và lực đóng 1.000 pound, trong khi graphite có hệ số ma sát là 0,1, thì cần lực 100 pound để khởi động chuyển động. Nhưng với một nguồn áp suất bên ngoài 100 psi truyền qua graphite xốp đến bề mặt của nó, về cơ bản sẽ không cần lực nào để khởi động chuyển động. Điều này bất chấp thực tế là vẫn còn lực đóng 1.000 pound ép hai bề mặt lại với nhau và các bề mặt này tiếp xúc vật lý với nhau.

Một loại vật liệu ổ trục trơn như: graphite, carbon và gốm như alumina và silicon-carbide, vốn được biết đến trong ngành công nghiệp turbo và có độ xốp tự nhiên, do đó có thể được sử dụng làm ổ trục chịu áp suất bên ngoài, tức là ổ trục màng chất lỏng không tiếp xúc. Có một chức năng lai, trong đó áp suất bên ngoài được sử dụng để giảm áp lực tiếp xúc hoặc lực đóng của phớt khỏi ma sát đang diễn ra trên các mặt phớt tiếp xúc. Điều này cho phép người vận hành bơm điều chỉnh bên ngoài bơm để xử lý các ứng dụng có vấn đề và vận hành tốc độ cao trong khi sử dụng phớt cơ khí.

Nguyên lý này cũng áp dụng cho chổi than, bộ chuyển mạch, bộ kích từ hoặc bất kỳ vật dẫn tiếp xúc nào có thể được sử dụng để đưa dữ liệu hoặc dòng điện vào hoặc ra khỏi các vật thể quay. Khi rôto quay nhanh hơn và độ mòn tăng lên, việc giữ các thiết bị này tiếp xúc với trục có thể khó khăn và thường cần phải tăng áp lực lò xo giữ chúng trên trục. Thật không may, đặc biệt trong trường hợp vận hành ở tốc độ cao, lực tiếp xúc tăng này cũng dẫn đến nhiều nhiệt và mài mòn hơn. Nguyên lý lai tương tự được áp dụng cho các mặt phớt cơ khí được mô tả ở trên cũng có thể được áp dụng ở đây, khi cần 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 mặt chổi than hoặc phớt tiếp xúc với trục quay.