Les pompes comptent parmi les principaux utilisateurs de garnitures mécaniques. Comme leur nom l'indique, les garnitures mécaniques sont des joints à contact, à distinguer des joints aérodynamiques ou à labyrinthe sans contact.joints mécaniquessont également caractérisés comme garniture mécanique équilibrée ougarniture mécanique déséquilibréeIl s'agit du pourcentage, le cas échéant, de la pression de procédé pouvant s'échapper derrière la face fixe de la garniture. Si la face de la garniture n'est pas poussée contre la face rotative (comme dans le cas d'une garniture à poussoir) ou si le fluide de procédé à la pression requise ne peut pas s'échapper derrière la face de la garniture, la pression de procédé la repoussera et l'ouvrira. Le concepteur de la garniture doit prendre en compte toutes les conditions de fonctionnement pour concevoir une garniture offrant la force de fermeture requise, sans toutefois que la charge unitaire sur la face dynamique ne génère trop de chaleur et d'usure. Il s'agit d'un équilibre délicat qui garantit la fiabilité d'une pompe.
les faces d'étanchéité dynamiques permettent une force d'ouverture plutôt que la manière conventionnelle de
Équilibrer la force de fermeture, comme décrit ci-dessus. Cela ne supprime pas la force de fermeture requise, mais offre au concepteur et à l'utilisateur de la pompe un autre levier de manœuvre en permettant de soulager les surfaces d'étanchéité, tout en maintenant la force de fermeture nécessaire. Cela réduit l'échauffement et l'usure tout en élargissant les conditions de fonctionnement possibles.
Joints à gaz sec (DGS), souvent utilisés dans les compresseurs, exercent une force d'ouverture sur les faces d'étanchéité. Cette force est créée par un principe de palier aérodynamique, où de fines rainures de pompage favorisent la pénétration du gaz du côté procédé haute pression du joint dans l'espace et sur toute la surface du joint, formant ainsi un palier à film fluide sans contact.
Force d'ouverture du palier aérodynamique d'une face de joint à gaz sec. La pente de la droite représente la rigidité au niveau d'un jeu. Notez que ce jeu est exprimé en microns.
Le même phénomène se produit dans les paliers à huile hydrodynamiques qui supportent la plupart des grands compresseurs centrifuges et rotors de pompes, et est observé dans les courbes d'excentricité dynamique du rotor présentées par Bently. Cet effet assure une butée arrière stable et constitue un élément important du succès des paliers à huile hydrodynamiques et des DGS. Les garnitures mécaniques ne présentent pas les fines rainures de pompage que l'on peut trouver sur une face aérodynamique de DGS. Il pourrait être possible d'utiliser les principes des paliers à gaz sous pression externe pour alléger la force de fermeture duface de garniture 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 à pression externe utilisent une source de gaz sous pression, tandis que les paliers dynamiques utilisent le mouvement relatif entre les surfaces pour générer une pression d'espacement. 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 de le forcer à pénétrer dans l'espacement par 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 serrées l'une contre l'autre, elles s'ouvrent automatiquement pour des démarrages et des arrêts sans frottement lorsque la pression est injectée directement entre elles. De plus, si le joint chauffe, il est possible d'augmenter la pression externe sur la face du joint. L'espacement augmente alors proportionnellement à la pression, mais la chaleur de cisaillement est proportionnelle au cube de l'espacement. Cela offre à l'opérateur un nouveau moyen de limiter la production de chaleur.
Les compresseurs présentent un autre avantage : contrairement aux DGS, ils ne présentent pas d'écoulement transversal. La pression maximale se situe entre les faces d'étanchéité, et la pression externe s'écoule dans l'atmosphère ou s'échappe d'un côté et pénètre dans le compresseur de l'autre. Cela améliore la fiabilité en maintenant le processus hors de l'espace. Pour les pompes, cet avantage peut être limité, car forcer un gaz compressible dans la pompe peut être indésirable. Les gaz compressibles à l'intérieur des pompes peuvent provoquer des problèmes de cavitation ou de coup de bélier. Il serait cependant intéressant de disposer d'un joint sans contact ou sans frottement pour les pompes, sans l'inconvénient d'un écoulement 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 à pression externe disposent d'une forme de compensation. La compensation est une forme de restriction qui maintient la pression en réserve. La forme la plus courante de compensation est l'utilisation d'orifices, mais il existe également des techniques de compensation par rainures, par gradins et par pores. La compensation permet aux roulements ou aux faces d'étanchéité de fonctionner à proximité l'une de l'autre sans se toucher, car plus elles se rapprochent, plus la pression du gaz entre elles augmente, ce qui les repousse.
À titre d'exemple, sous un palier à gaz compensé à orifice plat (image 3), la valeur moyenne
La pression dans l'entrefer sera égale à la charge totale sur le roulement divisée par la surface de la face : il s'agit de la charge unitaire. Si la pression du gaz source est de 60 livres par pouce carré (psi), que la surface de la face a une surface de 10 pouces carrés et que la charge est de 300 livres, la pression moyenne dans l'entrefer du roulement sera de 30 psi. En général, l'entrefer est d'environ 0,0003 pouce, et comme il est si faible, le débit ne sera que d'environ 0,2 pied cube standard par minute (scfm). Grâce à un restricteur d'orifice situé juste avant l'entrefer, qui maintient la pression en réserve, si la charge atteint 400 livres, l'entrefer du roulement est réduit à environ 0,0002 pouce, limitant le débit à travers l'entrefer 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'entrefer d'atteindre 40 psi et de supporter la charge accrue.
Voici une vue latérale 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 être équipé d'une restriction en amont de la restriction de l'espacement du palier.
Compensation orifice vs. poreuse
La compensation par orifice est la forme de compensation la plus répandue. Un orifice typique peut avoir un diamètre de trou de 0,010 pouce, mais comme il alimente une surface de quelques pouces carrés, il alimente une surface plusieurs ordres de grandeur supérieure à lui-même, ce qui peut entraîner une vitesse élevée du gaz. Souvent, les orifices sont taillés avec précision dans du rubis ou du saphir afin d'éviter l'érosion de la taille de l'orifice et donc des modifications des performances du palier. Un autre problème est qu'à des espaces inférieurs à 0,0002 pouce, la zone autour de l'orifice commence à obstruer l'écoulement vers le reste de la face, ce qui provoque l'effondrement du film de gaz. Le même phénomène se produit lors du décollage, car seules la surface de l'orifice et les éventuelles rainures sont disponibles pour initier le décollage. C'est l'une des principales raisons pour lesquelles les paliers à pression externe ne sont pas présents dans les plans d'étanchéité.
Ce n'est pas le cas pour le palier compensé poreux, au contraire la rigidité continue à
augmentent à mesure que la charge augmente et que l'écart est réduit, comme dans le cas du DGS (Image 1) et
Paliers à huile hydrodynamiques. Dans le cas de paliers poreux à pression externe, le palier est en mode de force équilibrée lorsque la pression d'entrée multipliée par la surface est égale à la charge totale sur le palier. Il s'agit d'un cas tribologique intéressant, car la portance et l'entrefer sont nuls. Le débit est nul, mais la force hydrostatique de la pression de l'air exercée sur la surface d'appui sous la face du palier allège toujours la charge totale et produit un coefficient de frottement quasi nul, même si les faces restent en contact.
Par exemple, si une face de 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, il faudrait une force de 100 livres pour initier le mouvement. Mais avec une source de pression externe de 100 psi transmise à travers le graphite poreux jusqu'à sa face, la force nécessaire pour initier le mouvement serait pratiquement nulle. Et ce, malgré le fait qu'une force de fermeture de 1 000 livres comprime toujours les deux faces l'une contre l'autre et qu'elles 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, est connue dans l'industrie des turbomachines. Naturellement poreux, ils peuvent être utilisés comme paliers à pression externe, c'est-à-dire à film fluide sans contact. Il existe une fonction hybride où la pression externe est utilisée pour atténuer la pression de contact ou la force de fermeture du joint, due à la tribologie des faces en contact. L'opérateur de la pompe peut ainsi effectuer des réglages externes pour gérer les applications difficiles et les opérations à grande vitesse avec des garnitures mécaniques.
Ce principe s'applique également aux balais, commutateurs, excitateurs ou tout conducteur de contact pouvant être utilisé pour acheminer des données ou des courants électriques vers ou depuis des objets en rotation. À mesure que les rotors tournent plus vite et que leur usure 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 les maintenant contre l'arbre. Malheureusement, surtout en cas de fonctionnement à grande vitesse, cette augmentation de la force de contact entraîne également un échauffement et une usure accrus. Le même principe hybride appliqué aux faces des garnitures mécaniques décrit précédemment peut également être appliqué ici, où un contact physique est nécessaire à la conductivité électrique entre les pièces fixes et rotatives. La pression externe peut être utilisée, comme 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 pour maintenir le balai ou la face du joint en contact avec l'arbre en rotation.
Date de publication : 21 octobre 2023