मेकॅनिकल सील्सचे बल संतुलन करण्याची एक नवीन पद्धत

पंप हे मेकॅनिकल सीलच्या सर्वात मोठ्या वापरकर्त्यांपैकी एक आहेत. नावाप्रमाणेच, मेकॅनिकल सील हे संपर्क-प्रकारचे सील आहेत, जे एरोडायनॅमिक किंवा लॅबिरिंथ नॉन-कॉन्टॅक्ट सीलपेक्षा वेगळे असतात.यांत्रिक सीलयांना संतुलित यांत्रिक सील असेही म्हटले जाते किंवाअसंतुलित यांत्रिक सीलयाचा संबंध प्रक्रियेच्या दाबाचा किती टक्के भाग स्थिर सील फेसच्या मागे जाऊ शकतो याच्याशी आहे. जर सील फेस फिरणाऱ्या फेसवर दाबला गेला नाही (जसे की पुशर-प्रकारच्या सीलमध्ये असते) किंवा ज्या दाबाने सील करायचे आहे त्या दाबावरील प्रक्रिया द्रवाला सील फेसच्या मागे जाऊ दिले नाही, तर प्रक्रियेच्या दाबामुळे सील फेस मागे ढकलला जाऊन उघडेल. सील डिझाइनरला सर्व ऑपरेटिंग परिस्थितींचा विचार करून असे सील डिझाइन करणे आवश्यक आहे, ज्यात आवश्यक बंद करण्याची शक्ती असेल, परंतु ती शक्ती इतकी जास्त नसेल की डायनॅमिक सील फेसवरील युनिट लोडिंगमुळे खूप जास्त उष्णता आणि झीज निर्माण होईल. हा एक नाजूक समतोल आहे जो पंपाची विश्वसनीयता ठरवतो.

डायनॅमिक सील पारंपरिक पद्धतीऐवजी उघडण्याचे बल सक्षम करून पृष्ठभाग तयार करते.
वर वर्णन केल्याप्रमाणे, बंद होण्याच्या शक्तीचे संतुलन साधले जाते. यामुळे आवश्यक असलेली बंद होण्याची शक्ती पूर्णपणे नाहीशी होत नाही, परंतु पंप डिझायनर आणि वापरकर्त्याला सीलच्या पृष्ठभागांवरील भार कमी करण्याची किंवा हलका करण्याची संधी मिळते, आणि त्याच वेळी आवश्यक असलेली बंद होण्याची शक्ती कायम राखली जाते. यामुळे उष्णता आणि झीज कमी होते, तसेच संभाव्य कार्य परिस्थितींचा विस्तार होतो.

कोरडे गॅस सील (डीजीएस)कंप्रेसरमध्ये अनेकदा वापरले जाणारे हे घटक, सीलच्या पृष्ठभागांवर उघडण्यासाठी बल निर्माण करतात. हे बल एअरोडायनॅमिक बेअरिंगच्या तत्त्वावर तयार होते, जिथे बारीक पंपिंग ग्रूव्ह्स सीलच्या उच्च-दाब प्रक्रिया बाजूकडून वायूला फटीमध्ये आणि सीलच्या पृष्ठभागावरून नॉन-कॉन्टॅक्ट फ्लुइड फिल्म बेअरिंगप्रमाणे जाण्यास मदत करतात.

ड्राय गॅस सीलच्या पृष्ठभागाचे एअरोडायनॅमिक बेअरिंग उघडण्याचे बल. रेषेचा उतार हा फटीमधील ताठरपणा दर्शवतो. लक्षात घ्या की ही फट मायक्रॉनमध्ये आहे.
बहुतेक मोठ्या सेंट्रीफ्यूगल कंप्रेसर आणि पंप रोटर्सना आधार देणाऱ्या हायड्रोडायनॅमिक ऑइल बेअरिंग्जमध्ये हीच घटना घडते आणि बेंटलीने दाखवलेल्या रोटर डायनॅमिक एक्सेंट्रिसिटी प्लॉटमध्ये ती दिसून येते. हा परिणाम एक स्थिर बॅक स्टॉप प्रदान करतो आणि हायड्रोडायनॅमिक ऑइल बेअरिंग्ज व डीजीएसच्या यशातील एक महत्त्वाचा घटक आहे. मेकॅनिकल सील्समध्ये बारीक पंपिंग ग्रूव्हज नसतात, जे एरोडायनॅमिक डीजीएसच्या पृष्ठभागावर आढळू शकतात. क्लोजिंग फोर्सवरील भार कमी करण्यासाठी बाह्यतः दाबयुक्त गॅस बेअरिंगच्या तत्त्वांचा वापर करण्याचा एक मार्ग असू शकतो.यांत्रिक सील फेसs.

जर्नलच्या विकेंद्रता गुणोत्तराच्या तुलनेत फ्लुइड-फिल्म बेअरिंगच्या पॅरामीटर्सचे गुणात्मक आलेख. जेव्हा जर्नल बेअरिंगच्या मध्यभागी असते, तेव्हा स्टिफनेस (K) आणि डॅम्पिंग (D) किमान असतात. जसे जर्नल बेअरिंगच्या पृष्ठभागाजवळ येते, तसे स्टिफनेस आणि डॅम्पिंगमध्ये लक्षणीय वाढ होते.

बाह्यतः दाबयुक्त एअरोस्टॅटिक गॅस बेअरिंग्जमध्ये दाबयुक्त वायूचा स्रोत वापरला जातो, तर डायनॅमिक बेअरिंग्जमध्ये गॅप प्रेशर निर्माण करण्यासाठी पृष्ठभागांमधील सापेक्ष गतीचा वापर केला जातो. बाह्यतः दाबयुक्त तंत्रज्ञानाचे किमान दोन मूलभूत फायदे आहेत. पहिला फायदा म्हणजे, गतीची आवश्यकता असलेल्या उथळ पंपिंग ग्रूव्ह्सद्वारे सील गॅपमध्ये वायू ढकलण्याऐवजी, दाबयुक्त वायू नियंत्रित पद्धतीने थेट सीलच्या पृष्ठभागांमध्ये इंजेक्ट केला जाऊ शकतो. यामुळे रोटेशन सुरू होण्यापूर्वी सीलचे पृष्ठभाग वेगळे करणे शक्य होते. जरी पृष्ठभाग एकमेकांमध्ये दाबले गेले असले तरी, जेव्हा त्यांच्यामध्ये थेट दाब इंजेक्ट केला जातो, तेव्हा शून्य घर्षणासह सुरू आणि थांबण्यासाठी ते आपोआप उघडतात. याव्यतिरिक्त, जर सील गरम होत असेल, तर बाह्य दाबाने सीलच्या पृष्ठभागावरील दाब वाढवणे शक्य होते. अशावेळी गॅप दाबाच्या प्रमाणात वाढेल, परंतु शियरमुळे निर्माण होणारी उष्णता गॅपच्या घन फलनाच्या स्वरूपात खाली येईल. यामुळे ऑपरेटरला उष्णता निर्मितीचा सामना करण्यासाठी एक नवीन क्षमता मिळते.

कंप्रेसरमध्ये आणखी एक फायदा असा आहे की, डीजीएस (DGS) प्रमाणे फेसच्या (face) पलीकडे कोणताही प्रवाह होत नाही. त्याऐवजी, सर्वाधिक दाब सीलच्या फेसच्या मध्ये असतो आणि बाह्य दाब वातावरणात जातो किंवा एका बाजूने बाहेर पडून दुसऱ्या बाजूने कंप्रेसरमध्ये जातो. यामुळे प्रक्रिया गॅपच्या (gap) बाहेर राहते आणि विश्वसनीयता वाढते. पंपांमध्ये हा फायदा नसू शकतो, कारण संपीड्य वायूला पंपात जबरदस्तीने ढकलणे अवांछित असू शकते. पंपांच्या आत संपीड्य वायूमुळे कॅव्हिटेशन (cavitation) किंवा एअर हॅमर (air hammer) समस्या निर्माण होऊ शकतात. तथापि, पंपाच्या प्रक्रियेत वायू प्रवाहाचा तोटा टाळून, पंपांसाठी नॉन-कॉन्टॅक्टिंग (non-contacting) किंवा घर्षण-मुक्त (friction-free) सील असणे मनोरंजक ठरेल. शून्य प्रवाह असलेले बाह्यतः दाबयुक्त गॅस बेअरिंग (externally pressured gas bearing) असणे शक्य आहे का?

भरपाई
सर्व बाह्य दाब असलेल्या बेअरिंग्जमध्ये कोणत्या ना कोणत्या प्रकारची भरपाई (कॉम्पेन्सेशन) असते. भरपाई हे एक प्रकारचे बंधन आहे जे दाब राखीव ठेवते. भरपाईचा सर्वात सामान्य प्रकार म्हणजे छिद्रांचा (ऑरिफिस) वापर, परंतु ग्रूव्ह, स्टेप आणि पोरस भरपाई तंत्रे देखील आहेत. भरपाईमुळे बेअरिंग्ज किंवा सीलचे पृष्ठभाग एकमेकांना स्पर्श न करता जवळ फिरू शकतात, कारण ते जितके जवळ येतात, तितका त्यांच्यामधील वायूचा दाब वाढतो, ज्यामुळे ते पृष्ठभाग एकमेकांपासून दूर ढकलले जातात.

उदाहरणार्थ, फ्लॅट ओरिफिस कॉम्पन्सेटेड गॅस बेअरिंगखाली (आकृती ३), सरासरी
गॅपमधील दाब हा बेअरिंगवरील एकूण भाराला फेसच्या क्षेत्रफळाने भागल्यावर मिळणाऱ्या मूल्याएवढा असतो, याला युनिट लोडिंग म्हणतात. जर या स्रोत वायूचा दाब ६० पाउंड प्रति चौरस इंच (psi) असेल आणि फेसचे क्षेत्रफळ १० चौरस इंच असेल व त्यावर ३०० पाउंड भार असेल, तर बेअरिंग गॅपमध्ये सरासरी ३० psi दाब असेल. साधारणपणे, गॅप सुमारे ०.०००३ इंच असतो, आणि गॅप खूप लहान असल्यामुळे, प्रवाह फक्त सुमारे ०.२ स्टँडर्ड क्यूबिक फूट प्रति मिनिट (scfm) असेल. गॅपच्या अगदी आधी एक ओरिफिस रेस्ट्रिक्टर असल्यामुळे, जो राखीव दाब रोखून धरतो, जर भार ४०० पाउंडपर्यंत वाढला, तर बेअरिंग गॅप सुमारे ०.०००२ इंचपर्यंत कमी होतो, ज्यामुळे गॅपमधून होणारा प्रवाह ०.१ scfm ने कमी होतो. दुसऱ्या रेस्ट्रिक्शनमधील ही वाढ ओरिफिस रेस्ट्रिक्टरला पुरेसा प्रवाह देते, ज्यामुळे गॅपमधील सरासरी दाब ४० psi पर्यंत वाढू शकतो आणि वाढलेला भार पेलता येतो.

कोऑर्डिनेट मेजरिंग मशीन (CMM) मध्ये आढळणाऱ्या एका सामान्य ओरिफिस एअर बेअरिंगचे हे बाजूकडील छेदचित्र आहे. जर एखाद्या न्यूमॅटिक प्रणालीला "कॉम्पेन्सेटेड बेअरिंग" मानायचे असेल, तर बेअरिंग गॅप रेस्ट्रिक्शनच्या आधी एक रेस्ट्रिक्शन असणे आवश्यक आहे.
छिद्र विरुद्ध सच्छिद्र भरपाई
ओरिफिस कॉम्पेन्सेशन हा कॉम्पेन्सेशनचा सर्वात जास्त वापरला जाणारा प्रकार आहे. एका सामान्य ओरिफिसच्या छिद्राचा व्यास ०.०१० इंच असू शकतो, परंतु ते काही चौरस इंच क्षेत्रफळाला वायू पुरवत असल्यामुळे, ते स्वतःच्या क्षेत्रफळापेक्षा कित्येक पटींनी जास्त क्षेत्रफळाला वायू पुरवत असते, त्यामुळे वायूचा वेग जास्त असू शकतो. अनेकदा, ओरिफिसच्या आकाराची झीज टाळण्यासाठी आणि त्यामुळे बेअरिंगच्या कार्यक्षमतेत होणारे बदल टाळण्यासाठी, ओरिफिस माणिक किंवा नीलम रत्नांमधून अचूकपणे कापले जातात. दुसरी समस्या अशी आहे की, ०.०००२ इंचांपेक्षा कमी अंतरावर, ओरिफिसच्या सभोवतालचे क्षेत्रफळ उर्वरित फेसकडे होणारा प्रवाह रोखू लागते, आणि याच वेळी गॅस फिल्म कोसळते. लिफ्ट ऑफच्या वेळीही असेच घडते, कारण लिफ्ट सुरू करण्यासाठी फक्त ओरिफिसचे क्षेत्रफळ आणि काही ग्रूव्ह्सच उपलब्ध असतात. बाह्यतः दाबयुक्त बेअरिंग्ज सीलच्या आराखड्यांमध्ये न दिसण्यामागे हे एक मुख्य कारण आहे.

पोरस कॉम्पेन्सेटेड बेअरिंगच्या बाबतीत असे होत नाही, उलट कडकपणा कायम राहतो
भार वाढल्याने आणि अंतर कमी झाल्याने वाढते, अगदी DGS च्या बाबतीत जसे (चित्र १) आहे आणि
हायड्रोडायनामिक ऑइल बेअरिंग्ज. बाह्यतः दाब दिलेल्या सच्छिद्र बेअरिंग्जच्या बाबतीत, जेव्हा येणारा दाब आणि क्षेत्रफळ यांचा गुणाकार बेअरिंगवरील एकूण भाराएवढा असतो, तेव्हा बेअरिंग संतुलित बल स्थितीत असते. ही एक मनोरंजक घर्षणशास्त्रीय स्थिती आहे, कारण यात शून्य लिफ्ट किंवा हवेची पोकळी असते. हवेचा प्रवाह शून्य असतो, परंतु बेअरिंगच्या पृष्ठभागाखालील विरुद्ध पृष्ठभागावर हवेच्या दाबामुळे निर्माण होणारे हायड्रोस्टॅटिक बल एकूण भाराला हलके करते आणि परिणामी घर्षण गुणांक जवळजवळ शून्य होतो—जरी पृष्ठभाग एकमेकांच्या संपर्कात असले तरीही.

उदाहरणार्थ, जर ग्रॅफाइट सीलच्या पृष्ठभागाचे क्षेत्रफळ १० चौरस इंच असेल आणि त्यावर १,००० पाउंड दाब निर्माण होत असेल, तसेच ग्रॅफाइटचा घर्षण गुणांक ०.१ असेल, तर हालचाल सुरू करण्यासाठी १०० पाउंड बलाची आवश्यकता असेल. परंतु, सच्छिद्र ग्रॅफाइटमधून त्याच्या पृष्ठभागापर्यंत १०० पीएसआयचा बाह्य दाब पोहोचवल्यास, हालचाल सुरू करण्यासाठी अक्षरशः शून्य बलाची आवश्यकता असेल. हे असूनही की, दोन्ही पृष्ठभागांना एकत्र दाबणारे १,००० पाउंड दाब अजूनही अस्तित्वात आहे आणि ते पृष्ठभाग भौतिकरित्या संपर्कात आहेत.

ग्राफाईट, कार्बन आणि ॲल्युमिना व सिलिकॉन-कार्बाइडसारखे सिरॅमिक्स यांसारख्या साध्या बेअरिंग सामग्रीचा एक वर्ग, जो टर्बो उद्योगांमध्ये परिचित आहे आणि नैसर्गिकरित्या सच्छिद्र असतो, त्यामुळे त्यांचा वापर बाह्य दाब असलेल्या, संपर्करहित फ्लुइड फिल्म बेअरिंग म्हणून केला जाऊ शकतो. यामध्ये एक संकरित कार्यप्रणाली आहे, जिथे बाह्य दाबाचा वापर करून, सीलच्या संपर्कात येणाऱ्या पृष्ठभागांवर होणाऱ्या घर्षणशास्त्रातून (ट्रायबोलॉजी) सीलचा संपर्क दाब किंवा बंद होणारी शक्ती कमी केली जाते. यामुळे, मेकॅनिकल सील वापरताना समस्याप्रधान अनुप्रयोग आणि उच्च वेगाच्या कार्यांना हाताळण्यासाठी पंप ऑपरेटरला पंपाच्या बाहेर काहीतरी समायोजित करण्याची संधी मिळते.

हे तत्त्व ब्रशेस, कम्युटेटर्स, एक्सायटर्स किंवा फिरणाऱ्या वस्तूंवरून डेटा किंवा विद्युत प्रवाह नेण्यासाठी वापरल्या जाणाऱ्या कोणत्याही संपर्क वाहकाला देखील लागू होते. जसे रोटर्स अधिक वेगाने फिरतात आणि रन-आउट वाढतो, तसे या उपकरणांना शाफ्टच्या संपर्कात ठेवणे कठीण होऊ शकते आणि त्यांना शाफ्टवर दाबून ठेवणाऱ्या स्प्रिंगचा दाब वाढवणे अनेकदा आवश्यक असते. दुर्दैवाने, विशेषतः उच्च-गतीच्या कार्यामध्ये, संपर्क बलातील या वाढीमुळे उष्णता आणि झीज देखील वाढते. वर वर्णन केलेले, मेकॅनिकल सीलच्या पृष्ठभागांना लागू होणारे तेच संकरित तत्त्व येथे देखील लागू केले जाऊ शकते, जिथे स्थिर आणि फिरणाऱ्या भागांमध्ये विद्युत वाहकतेसाठी भौतिक संपर्काची आवश्यकता असते. बाह्य दाब हायड्रॉलिक सिलेंडरच्या दाबाप्रमाणे वापरला जाऊ शकतो, ज्यामुळे गतिशील इंटरफेसवरील घर्षण कमी होते आणि त्याच वेळी ब्रश किंवा सीलचा पृष्ठभाग फिरणाऱ्या शाफ्टच्या संपर्कात ठेवण्यासाठी आवश्यक असलेले स्प्रिंग बल किंवा बंद करण्याचे बल वाढवता येते.