W bieżącym roku ukazało się w czasopismach naukowo-technicznych kilkadziesiąt różnych publikacji dotyczących mechanicznych uszczelnień stosowanych w maszynach wirnikowych. Spora liczba prac dotyczy czysto teoretycznych rozważań wzbogaconych różnymi symulacjami z zastosowaniem najnowszych programów komputerowych. Ten sposób rozwiązywania problemów technicznych jest znacznie tańszy niż żmudne i kosztowne testy stanowiskowe i również prowadzi do ciekawych wniosków. Pojawiły się też artykuły dotyczące nowych rozwiązań konstrukcyjnych, wyników badań materiałów stosowanych na pierścienie ślizgowe czy też stanowisk badawczych i opisy oryginalnych metod badawczych. 

W jednej z prac [1] zwrócono uwagę na problemy bezpieczeństwa przemysłowego związanego z obszarem przepływu mediów i poprawnym działaniem pomp, a tym samym ich newralgicznego podzespołu, tj. uszczelnienia mechanicznego. Jak wynika z analizy, około 42% z blisko 1200 wypadków w 2021 r. nastąpiło ze względu na zużycie materiałów uszczelniających, co spowodowało nieprzewidywalne straty ekonomiczne i zanieczyszczenie środowiska. Informacje dotyczące wypadków przemysłowych wywołanych uszkodzeniem uszczelnienia zawarto w tabeli 1.

Około 75% nieszczelności urządzeń mechanicznych jest wywołane zużyciem ciernym materiałów uszczelniających. Wskazuje to, że powyższe zużycie jest jednym z istotnych czynników decydujących o poprawnej pracy całego węzła uszczelniającego, a tym samym maszyny wirnikowej. Dlatego wiele prac badawczych dotyczy doboru odpowiednich materiałów na pierścienie ślizgowe uszczelnień mechanicznych oraz opracowania nowych materiałów, najczęściej kompozytowych. Spotkać można również publikacje poświęcone koncepcjom, nowym rozwiązaniom konstrukcyjnym i wynikom badań uszczelnień bezstykowych, w których nie występują problemy zużycia ściernego lub inne problemy tribologiczne właściwe dla uszczelnień czołowych stykowych. Poniżej opisano jeden z takich przypadków dotyczący uszczelnienia typu self-impact, bazującego na dawnym patencie Tesli.

Zawór Tesli

Warto przywołać w tym miejscu dawny patent Tesli z 1920 r. [2], znany jako zawór Tesli, chociaż nie jest zaworem, tylko odpowiednio ukształtowanym przewodem blokującym przepływ cieczy. Konstrukcję wynalazku przedstawiono na rysunku 1.

Nikola Tesla nazwał swój wynalazek (w dosłownym tłumaczeniu) przewodem zastawkowym lub inaczej przewodem zaworowym, stąd przyjęła się nazwa zawór Tesli, chociaż jest on pozbawiony elementów ruchomych. Zasadę działania zaworu przybliża symulacja przepływu wykonana na modelu opracowanym przy pomocy programu komputerowego SolidWorks i modułu Flow Simulation [3]. 

Z rysunków 1 i 2 wynika, że ciecz przepływa w obu kierunkach, ale w jednym z kierunków natężenie przepływu jest znacznie niższe. Ciecz, wypływając z przewodu zwrotnego (kolor niebieski – rys. 2), blokuje przepływ w przewodzie głównym (kolor żółty i czerwony – rys. 2). W przypadku małych ciśnień i małego natężenia przepływu blokada będzie mała. Wzrost ciśnienia natężenia przepływu zwiększa skuteczność blokady przepływu. 

Konstrukcja nie zawiera żadnych ruchomych elementów, nie wymaga wkładu energii i wykorzystuje strukturę przestrzenną jedynie do wypychania lub tłumienia przepływu płynu. Różnica pomiędzy przepływem do przodu (od prawej do lewej, tj. od króćca 5 do 4 – rys. 1) i przepływem wstecznym (od lewej do prawej, tj. od króćca 4 do 5 – rys. 1) jest znacząca. Podczas przepływu do przodu płyn może przepływać bez przeszkód od prawej do lewej, omijając wszystkie bariery w postaci przewodów zwrotnych. Ponadto efekt przyspieszenia płynu można osiągnąć dzięki efektowi ciśnienia przepływu. Jednakże przy przepływie wstecznym płyn przedostaje się przez przewód zwrotny w górę/w dół każdego kanału, powodując blokadę uderzeniową na przecięciu przewodu zwrotnego i przewodu głównego – poziomego. Im większa liczba przewodów zwrotnych, tym mocniejszy opór płynu przed przepływem do przodu. 

W oparciu o wynalazek Nikoli Tesli opracowano moduł samouszczelniający.

Uszczelnienie typu „self-impact” – moduł samouszczelniający

W pracy [4] zaproponowano konstrukcję modułu samouszczelniającego, którą przedstawia rysunek 3.

Konstrukcja uszczelnienia jest prosta, składa się ono z tylko trzech elementów: pierścienia zewnętrznego (3), podwieszonego wspornika (4) i pierścienia wewnętrznego (6). Pierścień wewnętrzny obraca się jednocześnie z wałem (1). W zestawie nie znajdują się żadne inne dodatkowe ruchome elementy. Pierścień zewnętrzny może bezpośrednio opierać się na pokrywie uszczelniającej lub obudowie maszyny wirnikowej, a podwieszony wspornik można zamocować w pierścieniu wewnętrznym lub pierścieniu zewnętrznym za pomocą wbudowanych śrub i dwustronnych kołków. Podobnie jak w przypadku dwuwymiarowego zaworu Tesli, na etapie uszczelnienia wykorzystywana jest przestrzeń złożona z podwieszonego wspornika oraz odpowiednich pierścieni wewnętrznych i zewnętrznych. Końce wylotowe i wlotowe znajdują się po stronie atmosferycznej i wysokociśnieniowej czynnika uszczelnianego. Zasadę działania modułu samouszczelniającego przedstawia rysunek 4.

Pojedynczy stopień uszczelnienia pokazano na rysunku 4a, gdzie R jest promieniem skrętu, l drogą przepływu i a kątem przekserowania. Ponadto R, l i a są wzajemnie ograniczone. W modelu każdy stopień uszczelnienia ma ten sam rozmiar, a wloty wysokiego i niskiego ciśnienia znajdują się odpowiednio po lewej i prawej stronie. Wiele stopni uszczelnienia jest połączonych, tworząc moduł samouszczelniający, jak pokazano na rysunku 4b. Większa różnica ciśnień wymaga większej liczby stopni uszczelnienia i większego rozmiaru modułu uszczelniającego. Nieco inny model modułu samouszczelniającego, działający w oparciu o tę samą zasadę, przedstawia rysunek 5.

Aby osiągnąć efektywne rozmieszczenie stopni uszczelnienia, zaproponowano konstrukcję kaskadową (rys. 5). Znacznie poprawiono tu dokładność pozycjonowania i montażu każdego elementu oraz rozmieszczenie stopni uszczelnienia osiowego i promieniowego. Wygodny jest także specyficzny proces montażu: podobnie jak w przypadku łożysk tocznych, pierścień dynamiczny i kolumna zawieszenia mogą być montowane zewnętrznie jako całość. Kolumny zawieszenia w różnych pozycjach (różniących się kolorem) umieszcza się na pierścieniu ruchomym lub statycznym, po czym można połączyć pierścień statyczny i ruchomy. Pierścień dynamiczny łączony jest z wałem za pomocą wpustów, śrub ustalających itp., a pierścień statyczny – z korpusem maszyny wirnikowej. W pracy [4] opisano bardzo szczegółowo projekt prototypu i badania symulacyjne.

Przykład diagnostyki uszczelnienia czołowego stykowego

Oprócz próby opracowania różnych konstrukcji uszczelnień mechanicznych stykowych zwiększających ich trwałość i poprawiających bezpieczeństwo pracy poszukuje się różnych metod diagnozowania uszczelnień w czasie eksploatacji tak, aby w odpowiednim czasie zapobiec awarii. Jedną z metod nieniszczących diagnostyki są badania akustyczne/ultradźwiękowe, stosowane do wykrywania wad materiałowych lub monitorowania zachodzących zmian mechanicznych w konstrukcji podczas eksploatacji. Przetworniki piezoelektryczne, które służą do generowania fal mechanicznych wewnątrz próbki, mają często zbyt duże rozmiary. Wymiary ograniczają zastosowanie przetworników piezoelektrycznych w niektórych zastosowaniach, w których rozmiar przetwornika jest ograniczony ze względu na ograniczoną przestrzeń instalacyjną i gdy wymagane jest wzbudzenie o niskiej częstotliwości, np. w przypadku monitorowania uszczelnień mechanicznych. W pracy [5] zaproponowano zastosowanie nowego przetwornika elektromagnetyczno-akustycznego montowanego na pierścieniu stacjonarnym uszczelnienia. Zasadę jego działania w warunkach eksploatacji pokazano na rysunku 6. 

Schematycznie przedstawione na rysunku 6 uszczelnienie mechaniczne składa się z pierścienia nieruchomego i pierścienia obrotowego, przymocowanego do obracającego się wału. Powierzchnie uszczelniające tworzą szczelinę uszczelniającą. Do celów monitorowania mechanicznego nadajnik i odbiornik akustyczny są przymocowane z tyłu nieruchomego pierścienia. Nadajnik akustyczny wykorzystuje falę mechaniczną wewnątrz nieruchomego pierścienia. Fala ta następnie rozchodzi się w nieruchomym pierścieniu i jest mierzona przez odbiornik akustyczny. Fot. 1 przedstawia przetworniki elektromagnetyczno-akustyczne rozmieszczone na obwodzie pierścienia ślizgowego.

W pracy [5] dokładnie opisano wyniki testów przeprowadzonych z zastosowaniem przedstawionych powyżej przetworników elektromagnetyczno-akustycznych. Wyniki tych testów pozwalają na zdiagnozowanie stanu zużycia pierścienia poprzez odpowiednią interpretację otrzymanych wyników. Może być to jedna z metod zapobiegających awariom uszczelnień, zwłaszcza przeznaczonym np. do mediów agresywnych.

***

Wybrane i opisane w tym artykule przypadki zapobiegania awariom uszczelnień mechanicznych wskazują na podejmowane prace w dwóch obszarach, tj. nowych rozwiązań konstrukcyjnych i odpowiednich metod diagnozowania pracy uszczelnień podczas eksploatacji.
 

Artykuł ukazał się w magazynie Kierunek Pompy 2/2023, jego autorem jest: dr hab. inż. Jerzy Bochnia, prof. Politechniki Świętokrzyskiej w Kielcach

 

Literatura

1.    Yang G., Zhang H., Zhang L.: Study of frictional wear properties of materials for mechanical seals, Applied Mathematics and Nonlinear Sciences, Sciendo, 2023, https://doi.org/10.2478/amns.2023.1.00058 
2.    Tesla N.: Walwuar Condu, Patent US 1329559, 1920.
3.    Zając M.: Zawór Tesli – SOLIDWORKS Flow Simulation i przepływowa dioda, https://solidmania.com/zawor-tesli-solidworks-flow-simulation-i-przeplywowa-dioda/ , 2021.
4.    Wang Y., He Y., Xie X., Huang Z., Xu H., Hu Q., Ma C.: Design and Simulation of a New Near Zero-Wear Non-Contact Self-Impact Seal Based on the Tesla Valve Structure. Lubricants, 2023, 11, 102. https://doi.org/10.3390/lubricants11030102 .
5.    Siegl A., Leithner S., Schweighofer B., Wegleiter H.: Excitation of Mechanical Resonances in the Stationary Ring of a Mechanical Seal by a Continuously Operated Electromagnetic Acoustic Transducer, Sensors, 2023, 23, 1015. https://doi.org/10.3390/s23021015.