Les pompes comptent parmi les plus grands utilisateurs de garnitures mécaniques. Comme leur nom l'indique, les garnitures mécaniques sont des garnitures à contact, contrairement aux garnitures aérodynamiques ou à labyrinthe qui sont des garnitures sans contact.garnitures mécaniquessont également caractérisées comme garniture mécanique équilibrée oujoint mécanique déséquilibréCela concerne le pourcentage, le cas échéant, de la pression de process pouvant s'exercer derrière la face d'étanchéité fixe. Si la face d'étanchéité n'est pas plaquée contre la face tournante (comme dans un joint à poussoir) ou si le fluide de process à la pression requise ne peut pas s'infiltrer derrière la face d'étanchéité, la pression de process repousserait la face d'étanchéité et provoquerait l'ouverture du joint. Le concepteur du joint doit prendre en compte toutes les conditions de fonctionnement afin de concevoir un joint présentant la force de fermeture requise, mais pas une force excessive susceptible d'entraîner une surchauffe et une usure prématurée au niveau de la face d'étanchéité dynamique. Cet équilibre délicat est déterminant pour la fiabilité de la pompe.
Les joints d'étanchéité dynamiques permettent une force d'ouverture plutôt que la méthode conventionnelle de
L'équilibrage de la force de fermeture, tel que décrit précédemment, ne supprime pas la force de fermeture requise, mais offre au concepteur et à l'utilisateur de la pompe une option supplémentaire : la possibilité de délester les faces d'étanchéité tout en maintenant la force de fermeture nécessaire. Ceci permet de réduire la chaleur et l'usure tout en élargissant les conditions de fonctionnement possibles.
Joints d'étanchéité à gaz sec (DGS)Ces joints, souvent utilisés dans les compresseurs, exercent une force d'ouverture sur les faces d'étanchéité. Cette force est générée par un principe de palier aérodynamique : de fines rainures de pompage favorisent la pénétration du gaz, provenant du côté haute pression du joint, dans l'espace entre les faces d'étanchéité et sur la face du joint, formant ainsi un palier à film fluide sans contact.
Force d'ouverture aérodynamique d'un joint d'étanchéité à gaz sec. La pente de la courbe représente la rigidité au niveau de l'entrefer. L'entrefer est exprimé en microns.
Le même phénomène se produit dans les paliers hydrodynamiques à huile qui supportent la plupart des grands compresseurs centrifuges et rotors de pompes, et est visible sur les graphiques d'excentricité dynamique du rotor présentés par Bently. Cet effet assure une butée stable et constitue un élément important du succès des paliers hydrodynamiques à huile et des paliers à gaz dynamiques (DGS). Les garnitures mécaniques ne possèdent pas les fines rainures de pompage que l'on trouve sur la face d'un palier à gaz dynamique aérodynamique. Il serait peut-être possible d'utiliser les principes des paliers à gaz pressurisés extérieurement pour réduire la force de fermeture.face de joint mécaniques.
Graphiques qualitatifs des paramètres des paliers à film fluide en fonction du rapport d'excentricité du tourillon. La rigidité (K) et l'amortissement (D) sont minimaux lorsque le tourillon est au centre du palier. À mesure que le tourillon se rapproche de la surface du palier, la rigidité et l'amortissement augmentent considérablement.
Les paliers à gaz aérostatiques pressurisés de l'extérieur utilisent une source de gaz sous pression, tandis que les paliers dynamiques exploitent le mouvement relatif entre les surfaces pour générer une pression dans l'entrefer. La technologie de pressurisation externe présente au moins deux avantages fondamentaux. Premièrement, le gaz sous pression peut être injecté directement entre les faces d'étanchéité de manière contrôlée, plutôt que d'être injecté dans l'entrefer par des rainures de pompage peu profondes nécessitant un mouvement. Ceci permet de séparer les faces d'étanchéité avant le démarrage de la rotation. Même si les faces sont serrées, elles s'écartent pour des démarrages et des arrêts sans frottement grâce à l'injection directe de pression entre elles. De plus, si le joint chauffe, la pression externe permet d'augmenter la pression exercée sur sa face. L'entrefer augmente alors proportionnellement à la pression, mais la chaleur due au cisaillement est proportionnelle au cube de l'entrefer. Ceci offre à l'opérateur une nouvelle possibilité de limiter la génération de chaleur.
Un autre avantage des compresseurs réside dans l'absence de flux à travers la face d'étanchéité, contrairement aux paliers à gaz directs (DGS). La pression maximale se situe entre les faces d'étanchéité, et la pression externe s'évacue dans l'atmosphère ou est évacuée d'un côté, puis vers le compresseur de l'autre. Ceci améliore la fiabilité en maintenant le fluide hors de l'espace entre les faces d'étanchéité. Dans les pompes, cet avantage est moins pertinent, car l'introduction d'un gaz compressible peut s'avérer problématique. La présence de gaz compressibles à l'intérieur des pompes peut provoquer des phénomènes de cavitation ou de coup de bélier. Il serait toutefois intéressant de disposer d'un joint sans contact ou sans frottement pour les pompes, sans l'inconvénient d'un flux de gaz dans le processus de pompage. Serait-il possible de concevoir un palier à gaz pressurisé extérieurement sans flux de gaz ?
Compensation
Tous les paliers pressurisés extérieurement comportent un système de compensation. La compensation est une forme de restriction qui retient la pression. La méthode la plus courante consiste à utiliser des orifices, mais il existe également des techniques de compensation par rainures, à gradins ou poreuses. La compensation permet aux paliers ou aux faces d'étanchéité de fonctionner à proximité l'une de l'autre sans se toucher, car plus ils sont proches, plus la pression du gaz entre eux augmente, repoussant ainsi les faces.
À titre d'exemple, sous un palier à gaz compensé par un orifice plat (Image 3), la moyenne
La pression dans l'entrefer est égale à la charge totale sur le palier divisée par la surface de la face d'appui ; il s'agit d'une charge unitaire. Si la pression du gaz source est de 60 livres par pouce carré (psi), que la surface de la face d'appui est de 10 pouces carrés et que la charge est de 300 livres, la pression moyenne dans l'entrefer sera de 30 psi. Typiquement, l'entrefer est d'environ 0,0003 pouce, et du fait de sa faible épaisseur, le débit n'est que d'environ 0,2 pied cube standard par minute (scfm). Un restricteur à orifice, situé juste avant l'entrefer, maintient la pression en réserve. Si la charge augmente à 400 livres, l'entrefer est réduit à environ 0,0002 pouce, limitant le débit à 0,1 scfm. Cette augmentation du débit au niveau du restricteur à orifice permet à la pression moyenne dans l'entrefer d'atteindre 40 psi et de supporter la charge accrue.
Voici une vue en coupe d'un palier à air à orifice typique d'une machine à mesurer tridimensionnelle (MMT). Pour qu'un système pneumatique soit considéré comme un « palier compensé », il doit comporter une restriction en amont de la restriction d'entrefer.
Compensation de l'orifice vs. de la porosité
La compensation par orifice est la méthode la plus courante. Un orifice typique peut avoir un diamètre de 0,25 mm (0,010 pouce), mais comme il alimente une surface de quelques centimètres carrés (quelques pouces carrés), il alimente en réalité une surface plusieurs ordres de grandeur supérieure à la sienne, ce qui permet d'atteindre une vitesse de gaz élevée. Souvent, les orifices sont taillés avec précision dans des rubis ou des saphirs afin d'éviter l'érosion et, par conséquent, toute modification des performances du palier. Un autre problème réside dans le fait que pour des jeux inférieurs à 0,05 mm (0,0002 pouce), la zone autour de l'orifice commence à restreindre le flux vers le reste de la surface, ce qui entraîne l'effondrement du film de gaz. Le même phénomène se produit au décollement, car seule la surface de l'orifice et les éventuelles rainures sont disponibles pour initier le décollement. C'est l'une des principales raisons pour lesquelles les paliers pressurisés extérieurement ne sont pas représentés dans les plans d'étanchéité.
Ce n'est pas le cas pour le palier compensé poreux, dont la rigidité continue de
l'augmentation se produit lorsque la charge augmente et que l'écart se réduit, comme c'est le cas avec le DGS (Image 1) et
Paliers hydrodynamiques à huile. Dans le cas des paliers poreux pressurisés, le palier est en équilibre lorsque le produit de la pression d'entrée par la surface est égal à la charge totale appliquée. Ce cas tribologique est intéressant car il n'y a ni portance ni entrefer. Le débit est nul, mais la force hydrostatique de l'air comprimé contre la surface opposée, sous la face du palier, compense la charge totale et aboutit à un coefficient de frottement quasi nul, même si les faces sont toujours en contact.
Par exemple, si la face d'un joint en graphite a une surface 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, une force de 100 livres serait nécessaire pour amorcer le mouvement. Cependant, avec une source de pression externe de 100 psi appliquée à travers le graphite poreux jusqu'à sa face, la force requise pour amorcer le mouvement serait pratiquement nulle. Ceci, malgré le fait qu'une force de fermeture de 1 000 livres comprime toujours les deux faces et que celles-ci sont en contact physique.
Une catégorie de matériaux pour paliers lisses, tels que le graphite, les carbones et les céramiques (alumine et carbure de silicium), est bien connue dans l'industrie des turbocompresseurs. Naturellement poreux, ils peuvent être utilisés comme paliers à film fluide sans contact, sous pression externe. Un fonctionnement hybride est mis en œuvre : la pression externe compense la pression de contact ou la force de fermeture du joint, en l'influençant sur la tribologie des surfaces de contact. L'opérateur de la pompe dispose ainsi d'une marge de manœuvre pour ajuster le fonctionnement, notamment dans les applications complexes et à haute vitesse, tout en utilisant des garnitures mécaniques.
Ce principe s'applique également aux balais, collecteurs, excitateurs ou à tout conducteur de contact utilisé pour la transmission de données ou de courants électriques sur des objets en rotation. Lorsque la vitesse de rotation des rotors augmente et que le faux-rond s'accroît, le maintien de ces dispositifs en contact avec l'arbre devient difficile, et il est souvent nécessaire d'augmenter la pression du ressort les maintenant contre l'arbre. Malheureusement, notamment en cas de fonctionnement à haute vitesse, cette augmentation de la force de contact engendre également une augmentation de la chaleur et de l'usure. Le même principe hybride appliqué aux faces d'étanchéité mécanique, décrit précédemment, peut également être appliqué ici, lorsqu'un contact physique est requis pour la conductivité électrique entre les pièces fixes et rotatives. La pression externe peut être utilisée, à l'instar de celle d'un vérin hydraulique, pour réduire le frottement à l'interface dynamique tout en augmentant la force du ressort ou la force de fermeture nécessaire au maintien du balai ou de la face d'étanchéité en contact avec l'arbre rotatif.
Date de publication : 21 octobre 2023