Les pompes sont l’un des plus grands utilisateurs de garnitures mécaniques. Comme leur nom l'indique, les garnitures mécaniques sont des joints de type contact, différenciés des joints aérodynamiques ou à labyrinthe sans contact.Garnitures mécaniquessont également caractérisés comme garniture mécanique équilibrée ougarniture mécanique déséquilibrée. Il s'agit du pourcentage de pression de processus, le cas échéant, qui peut se trouver derrière la face du joint fixe. Si la face d'étanchéité n'est pas poussée contre la face tournante (comme dans un joint de type poussoir) ou si le fluide de traitement à la pression qui doit être scellé n'est pas autorisé à passer derrière la face d'étanchéité, la pression du processus soufflerait la face d'étanchéité vers l'arrière. et ouvert. Le concepteur de joints doit prendre en compte toutes les conditions de fonctionnement pour concevoir un joint doté de la force de fermeture requise, mais pas au point que la charge unitaire au niveau de la face dynamique du joint crée trop de chaleur et d'usure. Il s’agit d’un équilibre délicat qui fait ou défait la fiabilité de la pompe.
le joint dynamique fait face en permettant une force d'ouverture plutôt que la manière conventionnelle de
équilibrer la force de fermeture, comme décrit ci-dessus. Il n'élimine pas la force de fermeture requise mais donne au concepteur et à l'utilisateur de la pompe un autre bouton à tourner en permettant un allégement ou un déchargement des faces du joint, tout en maintenant la force de fermeture nécessaire, réduisant ainsi la chaleur et l'usure tout en élargissant les conditions de fonctionnement possibles.
Joints à gaz secs (DGS), souvent utilisés dans les compresseurs, fournissent une force d'ouverture au niveau des faces du joint. Cette force est créée par un principe de roulement aérodynamique, dans lequel de fines rainures de pompage aident à encourager le gaz du côté processus haute pression du joint, dans l'espace et à travers la face du joint comme un roulement à film fluide sans contact.
Force d'ouverture du roulement aérodynamique d'une face de joint à gaz sec. La pente de la ligne est représentative de la rigidité au niveau d'un espace. Notez que l'écart est en microns.
Le même phénomène se produit dans les roulements à huile hydrodynamiques qui supportent la plupart des grands compresseurs centrifuges et rotors de pompes et est observé dans les tracés d'excentricité dynamique du rotor montrés par Bently. Cet effet fournit un anti-retour stable et constitue un élément important dans le succès des roulements à huile hydrodynamiques et des DGS. . Les garnitures mécaniques ne possèdent pas les fines rainures de pompage que l'on peut trouver dans une face aérodynamique DGS. Il existe peut-être un moyen d'utiliser des principes de roulement à gaz sous pression externe pour alléger la force de fermeture duface de la garniture mécaniques.
Tracés qualitatifs des paramètres de roulement à film fluide par rapport au rapport d'excentricité du tourillon. La rigidité K et l'amortissement D sont minimaux lorsque le tourillon est au centre du roulement. À mesure que le tourillon se rapproche de la surface d'appui, la rigidité et l'amortissement augmentent considérablement.
Les roulements à gaz aérostatiques sous pression externe utilisent une source de gaz sous pression, tandis que les roulements dynamiques utilisent le mouvement relatif entre les surfaces pour générer une pression d'espace. La technologie à pression externe présente au moins deux avantages fondamentaux. Premièrement, le gaz sous pression peut être injecté directement entre les faces du joint de manière contrôlée plutôt que d'encourager le gaz dans l'espace du joint avec des rainures de pompage peu profondes qui nécessitent un mouvement. Cela permet de séparer les faces du joint avant le début de la rotation. Même si les faces sont essorées ensemble, elles s'ouvriront pour des démarrages et des arrêts sans friction lorsque la pression est injectée directement entre elles. De plus, si le joint est chaud, il est possible, avec une pression externe, d'augmenter la pression sur la face du joint. L'espace augmenterait alors proportionnellement à la pression, mais la chaleur du cisaillement tomberait sur une fonction cubique de l'espace. Cela donne à l’opérateur une nouvelle capacité à lutter contre la génération de chaleur.
Les compresseurs présentent un autre avantage : il n’y a pas de flux à travers la face comme c’est le cas dans un DGS. Au lieu de cela, la pression la plus élevée se situe entre les faces du joint, et la pression externe s'écoulera dans l'atmosphère ou s'évacuera d'un côté et dans le compresseur de l'autre côté. Cela augmente la fiabilité en gardant le processus à l'écart. Dans les pompes, cela peut ne pas être un avantage car il peut être indésirable de forcer un gaz compressible dans une pompe. Les gaz compressibles à l’intérieur des pompes peuvent provoquer des problèmes de cavitation ou de coups de bélier. Il serait cependant intéressant de disposer d'un joint d'étanchéité sans contact ni frottement pour les pompes, sans l'inconvénient du flux de gaz dans le processus de pompage. Serait-il possible d'avoir un palier à gaz sous pression externe avec un débit nul ?
Compensation
Tous les roulements sous pression externe ont une sorte de compensation. La compensation est une forme de restriction qui retient la pression en réserve. La forme de compensation la plus courante consiste à utiliser des orifices, mais il existe également des techniques de compensation à rainures, à gradins et poreuses. La compensation permet aux roulements ou aux faces d'étanchéité de se rapprocher sans se toucher, car plus ils se rapprochent, plus la pression du gaz entre eux est élevée, repoussant les faces l'une de l'autre.
A titre d'exemple, sous un palier à gaz compensé à orifice plat (Image 3), la moyenne
la pression dans l'espace sera égale à la charge totale sur le roulement divisée par la surface frontale, c'est la charge unitaire. Si la pression de cette source de gaz est de 60 livres par pouce carré (psi) et que la face a une superficie de 10 pouces carrés et qu'il y a 300 livres de charge, il y aura une moyenne de 30 psi dans l'espace du roulement. En règle générale, l'écart serait d'environ 0,0003 pouce et, comme l'écart est si petit, le débit ne serait que d'environ 0,2 pied cube standard par minute (scfm). Comme il y a un limiteur d'orifice juste avant l'espace, retenant la pression en réserve, si la charge augmente à 400 livres, l'espace du roulement est réduit à environ 0,0002 pouce, limitant le débit à travers l'espace à 0,1 scfm. Cette augmentation de la deuxième restriction donne au restricteur d'orifice un débit suffisant pour permettre à la pression moyenne dans l'espace d'augmenter jusqu'à 40 psi et de supporter la charge accrue.
Il s'agit d'une vue latérale en coupe d'un palier à air à orifice typique trouvé dans une machine à mesurer tridimensionnelle (MMT). Si un système pneumatique doit être considéré comme un « roulement compensé », il doit avoir une restriction en amont de la restriction de l'espace du roulement.
Orifice ou compensation poreuse
La compensation d'orifice est la forme de compensation la plus largement utilisée. Un orifice typique peut avoir un diamètre de trou de 0,010 pouces, mais comme il alimente quelques pouces carrés de surface, il alimente plusieurs ordres de grandeur de plus de surface que lui-même, donc la vitesse du gaz peut être élevé. Souvent, les orifices sont découpés avec précision dans des rubis ou des saphirs pour éviter l'érosion de la taille de l'orifice et ainsi des modifications des performances du roulement. Un autre problème est qu'à des écarts inférieurs à 0,0002 pouces, la zone autour de l'orifice commence à étouffer le flux vers le reste de la face, auquel cas l'effondrement du film de gaz se produit. La même chose se produit au décollage, car seule la zone du un orifice et toutes les rainures sont disponibles pour initier le levage. C’est l’une des principales raisons pour lesquelles les roulements à pression externe ne sont pas visibles dans les plans d’étanchéité.
Ce n'est pas le cas pour le roulement poreux compensé, mais la rigidité continue à
augmente à mesure que la charge augmente et l'écart diminue, tout comme c'est le cas avec DGS (Image 1) et
roulements à huile hydrodynamiques. Dans le cas de roulements poreux sous pression externe, le roulement sera en mode force équilibrée lorsque la pression d'entrée multipliée par la surface est égale à la charge totale sur le roulement. Il s’agit d’un cas tribologique intéressant car il n’y a aucune portance ni entrefer. Il n'y aura aucun débit, mais la force hydrostatique de la pression de l'air contre la surface opposée sous la face du roulement alourdit toujours la charge totale et entraîne un coefficient de frottement proche de zéro, même si les faces sont toujours en contact.
Par exemple, si une face d'étanchéité en graphite a une superficie de 10 pouces carrés et une force de fermeture de 1 000 livres et que le graphite a un coefficient de frottement de 0,1, il faudrait 100 livres de force pour initier le mouvement. Mais avec une source de pression externe de 100 psi transmise à travers le graphite poreux jusqu'à sa face, il n'y aurait pratiquement aucune force requise pour initier le mouvement. Ceci malgré le fait qu'il y a toujours 1 000 livres de force de fermeture qui serrent les deux visages l'un contre l'autre et que les visages sont en contact physique.
Une classe de matériaux pour paliers lisses tels que : le graphite, les carbones et les céramiques telles que l'alumine et les carbures de silicium qui sont connus dans l'industrie des turbocompresseurs et sont naturellement poreux afin qu'ils puissent être utilisés comme roulements à pression externe qui sont des roulements à film fluide sans contact. Il existe une fonction hybride dans laquelle la pression externe est utilisée pour alléger la pression de contact ou la force de fermeture du joint de la tribologie qui s'exerce sur les faces du joint en contact. Cela permet à l'opérateur de la pompe d'ajuster quelque chose à l'extérieur de la pompe pour faire face aux applications problématiques et aux opérations à vitesse plus élevée tout en utilisant des garnitures mécaniques.
Ce principe s'applique également aux balais, collecteurs, excitateurs ou à tout conducteur de contact pouvant être utilisé pour prélever des données ou des courants électriques sur ou hors d'objets en rotation. À mesure que les rotors tournent plus vite et que leur course augmente, il peut être difficile de maintenir ces dispositifs en contact avec l'arbre, et il est souvent nécessaire d'augmenter la pression du ressort qui les maintient contre l'arbre. Malheureusement, surtout dans le cas d'un fonctionnement à grande vitesse, cette augmentation de la force de contact entraîne également davantage de chaleur et d'usure. Le même principe hybride appliqué aux faces de garniture mécanique décrit ci-dessus peut également être appliqué ici, où un contact physique est requis pour la conductivité électrique entre les pièces fixes et rotatives. La pression externe peut être utilisée comme la pression d'un vérin hydraulique pour réduire le frottement au niveau de l'interface dynamique tout en augmentant la force du ressort ou la force de fermeture requise pour maintenir la brosse ou la face du joint en contact avec l'arbre rotatif.
Heure de publication : 21 octobre 2023