Uszczelnienie hydrostatyczne
Uszczelnienie hydrostatyczne to bezkontaktowe uszczelnienie mechaniczne , które działa w równowadze sił. W przeciwieństwie do tradycyjnych uszczelnień hydrodynamicznych , Uszczelnienia hydrostatyczne mają dwie różne strefy ciśnienia, które są używane do ustanowienia zrównoważonej strefy ciśnienia między dwiema powierzchniami uszczelnienia. System dwóch ciśnień sprawia, że uszczelnienie jest wyjątkowe, ponieważ typowe uszczelnienia mechaniczne mają jedną strefę ciśnienia, która powoduje wzrost ciśnienia, który ostatecznie powoduje awarię uszczelnienia. Po osiągnięciu równowagi ciśnienia na powierzchni uszczelnienia, między dwiema powierzchniami uszczelnienia uwalniany jest nieściśliwy płyn. Płyn tworzy film wokół powierzchni uszczelnienia, który działa jak smar oraz jako medium dla substancji przepływającej przez uszczelnienie. Uszczelnienia hydrostatyczne były stosowane w przemyśle lotniczym; jednakże były one bardzo rzadko wykorzystywane komercyjnie, ponieważ przeprowadzono niewiele badań na temat fok.
Ciśnienie i działanie
Po przyłożeniu ciśnienia i połączeniu uszczelki, pomiędzy dwiema powierzchniami uszczelnienia uwalniana jest lepka ciecz i tworzy się cienka warstwa, która pomaga w utworzeniu hermetycznego uszczelnienia. Jeśli ciśnienie wewnątrz uszczelki wzrośnie i pomiędzy płytami czołowymi pojawi się nadciśnienie, dwie powierzchnie rozsuną się i uszczelka zacznie się otwierać. Przeciwnie, jeśli ciśnienie spada i nie ma wystarczającego ciśnienia w uszczelnieniu, dwie powierzchnie uszczelniające zbliżają się i zaczyna się formować uszczelnienie hydrostatyczne. Natężenie przepływu w systemie można również kontrolować z dużą dokładnością, ograniczając wielkość ciśnienia wewnątrz uszczelnienia. Strefy nacisku można zmienić, aby stworzyć równowagę w systemie, która pozwoliłaby na zmniejszenie wycieków w całym systemie.
Pieczęć Twarzy
Strefa podwójnego ciśnienia uszczelek pomaga utrzymać strefę stałego ciśnienia w systemie. Stałe ciśnienie stabilizuje uszczelnienie i nie pozwala na kontakt dwóch powierzchni uszczelnienia. Na obu powierzchniach uszczelnienia znajdują się rowki kontrolne, które stabilizują każdą powierzchnię w osiowym . Najmniejszy ruch osiowy spowoduje zetknięcie się dwóch powierzchni uszczelnienia i rozpoczęcie erozji uszczelnienia.
Tylna płyta czołowa składa się z małego otworu, w którym znajduje się układ wtryskowy, który doprowadza nieściśliwe płyny do układu. Gdy płyn znajdzie się wewnątrz uszczelki, tworzy cienką warstwę wokół całego układu wewnętrznego. Po utworzeniu filmu płyny wypływają następnie z uszczelnienia na tylną płytę czołową, która chłodzi układ i zapobiega gromadzeniu się nadmiaru ciepła. Ten cykl płynu jest stale powtarzany podczas działania uszczelnienia.
Aplikacje
Uszczelnienia hydrostatyczne zostały po raz pierwszy opracowane na początku lat 60. XX wieku w celu kontrolowania uszczelnień sprężarek powietrza w przemyśle lotniczym. Ostatnio uszczelnienia hydrostatyczne były stosowane tylko w przemyśle sprężarek, ponieważ uszczelnienia hydrodynamiczne mają znacznie większe zastosowanie. Uszczelnienie hydrostatyczne ma również ogromny potencjał w przemyśle chemicznym, ponieważ może być wykorzystywane do transportu i uszczelniania chemikaliów . Jednak przemysł chemiczny ustanowił bardzo surowe przepisy i uszczelnienie nie może być używane do niektórych chemikaliów ze względu na ciągłe wycieki uszczelnienia.
Generacje uszczelnień hydrostatycznych
Pierwsza generacja
Pierwsze uszczelnienie hydrostatyczne zostało opracowane w celu zastąpienia obecnych uszczelnień hydrodynamicznych ; poprzednie uszczelnienia hydrodynamiczne były kosztowne w produkcji i żmudne w montażu. Uszczelnienia hydrostatyczne pierwszej generacji wykorzystywały system dwóch ciśnień w celu ustalenia równowagi na powierzchni uszczelnienia. Powierzchnia uszczelnienia została opracowana do pracy w wysokiego ciśnienia , jednak powierzchnia uszczelnienia zaczęła się wypaczać i niszczeć podczas testów obciążeniowych . Kiedyś amoniak (płyn użyty w pierwszym uszczelnieniu hydrostatycznym), dwie powierzchnie uszczelnienia zetkną się ze sobą i rozpoczną proces erozji. Następnie przetestowano zimną wodę jako płyn nieściśliwy, ma ona dwukrotnie większą lepkość niż amoniak, co dało korzystne wyniki. Ponieważ zimna woda miała dwukrotnie większą lepkość niż amoniak, woda uniemożliwiała kontakt uszczelnień ze sobą, powodując w ten sposób prawidłowe działanie systemu.
Pierwsza generacja: problemy
- Warunki wysokiego ciśnienia
- przetwarza płyn w cyklu ciągłym, może mieć płyny stojące, które powodują blokadę
- Twarze fok zaczęły ulegać erozji w pewnych okolicznościach
Drugie pokolenie
Drugie uszczelnienie hydrostatyczne było próbą rozwiązania problemów z uszczelnieniami hydrostatycznymi pierwszej generacji: erozja uszczelek, wzrost ciśnienia i zastój płynów. Uszczelnienia hydrostatyczne drugiej generacji miały przeprojektowaną powierzchnię uszczelniającą; dodano nowe rowki kontrolne twarzy, aby pomóc ustabilizować uszczelnienia w ekstremalnych warunkach. Przed rowkami kontrolnymi powierzchni czołowe uszczelnienia nie były wyważone i zaczynały się poruszać w warunkach wysokiego ciśnienia . Z powodu ruchu powierzchnie uszczelnienia byłyby niewspółosiowe, gdy uszczelki się poruszały, co powodowało pogorszenie powierzchni uszczelnienia, w wyniku czego uszczelnienie nie nadawało się do użytku.
Druga generacja: aktualizacje
- próba naprawienia wypaczenia spowodowanego błędem systemu
- dodano rowki kontrolne, aby zapobiec erozji powierzchni uszczelniających
- rozwiązano wszelkie obszary, w których płyn pozostaje w stagnacji i powoduje blokadę
Powstające problemy
Uszczelnienia hydrostatyczne powinny wytrzymać wiele lat bez jakiegokolwiek pogorszenia się ich komponentów ze względu na ich ogólną strukturę. Nie powinno być żadnego kontaktu między dwiema powierzchniami uszczelnienia, w przeciwnym razie stan uszczelnienia zacznie się pogarszać. Obecne uszczelnienia hydrodynamiczne zaczynają się z czasem pogarszać, ponieważ obie powierzchnie zawsze stykają się ze sobą.
Ponadto każda niewspółosiowość powierzchni uszczelnień spowoduje ich tarcie, co spowoduje zmianę powierzchni uszczelnienia i ostatecznie spowoduje, że całe uszczelnienie stanie się strukturalnie niestabilne. Izchak Etsion, naukowiec z Centrum Badawczego Lewisa , przeprowadził eksperyment, aby sprawdzić, co dzieje się z uszczelnieniem hydrostatycznym, gdy jego powierzchnie czołowe są źle ustawione. Etsion odkrył, że wysokie ciśnienie skierowane na zewnętrzną powierzchnię uszczelnienia spowodowałoby niestabilność statyczną, podczas gdy wysokie ciśnienie na wewnętrzną powierzchnię uszczelnienia spowodowałoby, że uszczelka stałaby się bardziej stabilna. Ponadto osiowy niewspółosiowość spowodowałaby również przesunięcie poziomego wału w kierunku pionowym; ta niewspółosiowość spowodowałaby wadliwe uszczelnienie, jeśli siła przywracająca nie byłaby wystarczająco duża, aby skorygować przesunięcie elementów.
Przeciek
Konstrukcja uszczelnienia rodzi problem przecieków w systemie. Ponieważ zawsze istnieje niewielka szczelina między dwiema częściami, zawsze istnieje problem wycieku, jednak struktura systemu pozwala na bardzo dokładną kontrolę wycieku.
Innym problemem związanym z uszczelnieniami hydrostatycznymi jest to, że nadmierny wyciek może ostatecznie doprowadzić do erozji struktury uszczelnienia. Ze względu na obracające się osiowo uszczelnienie czołowe, wszelkie nadmierne wycieki będą miały dużą prędkość płynu , co może powodować erozję płyt czołowych, ostatecznie prowadząc do wadliwego uszczelnienia.