Hřídelové ucpávky TECHNICKÝ KATALOG GRUNDFOS Hřídelové ucpávky

Transkript

1 TCHNICKÝ KATALO Hřídelové RNDFOS ucpávky

2 Obsah Typové označování Typové označování podle normy N 1276 strana 3 Systém typového označování firmy rundfos strana Mechanické ucpávky obecně Co je to hřídelová ucpávka strana 7 Použití hřídelových ucpávek strana 7 Komponenty hřídelových ucpávek strana 8 yvážená mechanická ucpávka strana 8 Nevyvážená mechanická ucpávka strana 8 yvažování mechanických ucpávek strana 9 Funkční princip mechanické ucpávky strana Tření, opotřebení a průsak strana 11 těsněné O-kroužky strana 12 s těsnicím vlnovcem strana 12 typu cartridge strana 13 ve viskózních kapalinách ve viskózních kapalinách obecně strana 14 doporučené pro viskózní kapaliny strana 14 Materiálové provedení těsnicích ploch ucpávek Kombinace materiálů těsnicích ploch strana 1 Karbid wolframu / karbid wolframu strana 1 Karbid křemíku / karbid křemíku strana 1 hlík / karbid wolframu nebo uhlík / karbid křemíku strana 16 hlík / keramika (oxid hlinitý) strana 16 Karbid wolframu / hybrid strana 16 Karbid křemíku strana 17 Materiál sekundárního těsnění Sekundární ucpávky strana 21 NR strana 21 PDM strana 21 FKM strana 21 FFKM strana 22 FXM strana 22 Přehled čerpaných kapalin strana 22 Typy hřídelových ucpávek rundfos typ A strana 23 rundfos typ strana 24 rundfos typ C strana 26 rundfos typ D strana 27 rundfos typ strana 28 rundfos typ strana rundfos typ H strana 31 rundfos typ K strana 34 rundfos typ R strana 36 spořádání hřídelových ucpávek strana 37 Dvojitá mechanická ucpávka strana 37 (v uspořádání back-to-back) Dvojitá mechanická ucpávka strana 37 (v tandemovém uspořádání) Cartex-D strana 38 Chlazení typu Air-Cooled Top strana 39 (pro vysoké teploty) Typy hřídelových ucpávek Srovnání různých typů hřídelových ucpávek strana 41 olba hřídelových ucpávek olba nejvhodnější hřídelové ucpávky strana 42 Čerpané kapaliny Seznam čerpaných kapalin strana 43 Kyseliny strana 44 Alkálie strana 46 Soli strana 47 oda strana 49 Chladicí kapaliny strana 0 Paliva strana 1 Syntetické a minerální oleje strana 2 Rostlinné oleje strana 3 Rozpouštědla strana 4 Oxidační činidla strana Organické sloučeniny strana 6 Různé kapaliny strana 7 Diagnostika poruch hřídelových ucpávek Návod k provádění diagnostiky poruch hřídelových ucpávek strana 8 Klíč k tabulce diagnostiky poruch hřídelových ucpávek strana 9 Další dokumentace výrobků Zdroje dokumentace výrobků strana WinCAPS strana WebCAPS strana 61 2

3 Typové označování Typové označování podle normy N 1276 Norma N popisuje mechanickou konstrukci hřídelových ucpávek a kombinaci těsnicích materiálů. Norma N 1276 obsahuje: typový klíč materiálový klíč Účel Specifikace určené dodavatelům hřídelových ucpávek rundfos se zpracovávají podle kódového systému typového označování zakotveného v normě N Systém typového označování firmy rundfos Kompletní systém typového označování hřídelových ucpávek dle normy N 1276 tvoří: typový kód materiálový kód Materiálový klíč Materiály jednotlivých hlavních komponentů jsou označeny materiálovým kódem, který je tvořen pěti písmeny. Příklad (1) (2) (3) (4) () Materiál čela otočného elementu ucpávky Materiál stacionárního sedla Materiál sekundárního těsnění Materiál pružin Materiál ostatních komponentů Příklad N 012 S O - Typový kód Materiálový kód Typový klíč Norma N 1276 obsahuje následující typový klíč: Příklad N 012 S O erze: N = normovaná stavební délka K = krátká stavební délka X = jiná stavební délka Typ hřídelové ucpávky: = nevyvážená ucpávka = vyvážená ucpávka Jmenovitý průměr: Průměr (hřídele) v mm Příklad: hřídel 12 mm = 012 Směr otáčení: R = vpravo, (tj. ucpávka se otáčí ve směru pohybu hodinových ručiček při pohledu od sedla) L = vlevo, (tj. ucpávka se otáčí proti směru pohybu hodinových ručiček při pohledu od sedla) S = možnost otáčení v obou směrech Otáčení se zpožděním vůči otáčení sedla : 0 = bez zpoždění 1 = se zpožděním 3

4 Typové označování Standardní kódy materiálových verzí Pol. Kód Materiál (1) a (2) (3) (4) a () A C D F H K M N P R S T J W X Y1 Y2 Z K N P S X M T Y D F M N T Syntetický uhlík Kovy Karbidy Oxidy kovů Plasty lastomery, bez povlaku lastomery s povlakem Neelastomery Různé materiály Ocel Slitiny hlík impregnovaný kovem hlík impregnovaný pryskyřicí Jiný druh uhlíku hlíková ocel Chromová ocel Chromniklová ocel (CrNi) Chromniklmolybdenová ocel (CrNiMo) Kovy potažené karbidem Tvrdý kovový povlak Slitina s vysokým obsahem niklu ronz Šedá litina Legovaná litina Litá chromová ocel Jiné kovy Karbid wolframu, vazba CO Karbid wolframu, vazba Ni Karbid wolframu, vazba CrNiMo Karbid křemíku (SiC) SiC-Si SiC-C-Si, kompozit C-SiC, povrch tvrzený křemíkem Jiné karbidy Oxid hlinitý Oxid chromitý Jiné oxidy kovů PTF, zesílený skelnými vlákny PTF, zesílený uhlíkem Jiné plasty utylkaučuk (IIR) tylenpropylenkaučuk (PPM) Perfluorkaučuk Nitrilkaučuk (NR) Chloroprenkaučuk (CR) Silikonkaučuk (M) Fluorkaučuk (FPM) Jiné elastomery lastomery / potažené PTF rafit PTF Jiné neelastomery Různé materiály pro pružné prvky hlíková ocel Chromová ocel (Cr) Chromniklová ocel (CrNi) Chromniklmolybdenová ocel (CrNiMo) Slitina s vysokým obsahem niklu Slitina mědi a cínu (bronz) Jiné materiály Příklad kompletního typového označení hřídelové ucpávky Příklad N 012 S O - Normovaná stavební délka Nevyvážená Průměr hřídele, 12 mm Možnost otáčení v obou směrech ez zpožďování otáčení vůči stacionárnímu sedlu Těsnicí plocha otočné části = karbid wolframu (WC) Stacionární sedlo = uhlík impregnovaný pryskyřicí Sekundární ucpávka = PDM Ocelová pružina = ocel CrNiMo šechny ostatní komponenty = ocel CrNiMo 4

5 Typové označování Typové označování rundfos Mechanické ucpávky jsou klasifikovány podle typového označení firmy rundfos, které je dáno konstrukcí předmětné mechanické ucpávky. Nejdůležitější konstrukční materiály Následující tabulka obsahuje kódy nejdůležitějších materiálů vybraných na základě výrobního programu firmy rundfos a podle oblastí jejich použití. Pol. Kód Materiál (1) a (2) (3) (4) a () A H (/) C D N S Syntetický uhlík Kovy Karbidy hlík impregnovaný kovem hlík impregnovaný pryskyřicí hlík se zalitým karbidem wolframu (wc) hybrid Jiný druh uhlíku hlíková ocel ronz Litá chromová ocel Karbid wolframu, vazba CrNiMo 1S : hustý, slinutý, jemnozrnný karbid křemíku (SiC) 1P : pórovitý, slinutý, jemnozrnný karbid křemíku (SiC) 1 : samomazný, slinutý, jemnozrnný karbid křemíku (SiC) Oxidy kovů Keramika (oxid hlinitý) F K M P S T X F M T PDM FXM FKM FFKM O-kroužek potažený PTF NR (nitrilkaučuk) (silikonkaučuk) PTF yražený kód Jiné elastomery Chromová (Cr) ocel (N1.7) Chromniklová (CrNi) ocel (N1.41) Chromniklmolybdenová (CrNiMo) ocel (N1.41) Slitina s vysokým obsahem niklu (Hastelloy) Jiné slitiny Kódové označení mechanických ucpávek je vyraženo na typovém štítku čerpadla. ývá umístěno na poslední pozici typového označení čerpadla a je tvořeno čtyřmi písmeny: Příklad (1)A (2) (3) (4) Typové označení rundfos Materiál těsnicí plochy rotační části Materiál stacionárního sedla Materiál sekundárního těsnění První písmeno kódového označení První písmeno kódového označení verze mechanické ucpávky udává typové označení zavedené firmou rundfos. Na prvním místě kódového označení se mohou objevit tyto kódy: Kód A C D F H K M O P R S T X Název Těsnění O-kroužkem s pevným unašečem ucpávky lnovcové těsnění, pryž Těsnění O-kroužkem s pružinou ve funkci unašeče ucpávky Těsnění O-kroužkem, vyvážená ucpávka Těsnění O-kroužkem, typ A, cartridge lnovcové těsnění, typ, cartridge lnovcové těsnění, typ, s redukovanými těsnicími plochami Těsnění O-kroužkem, typ D, cartridge lnovcové těsnění, kov, typ M, cartridge lnovcové těsnění, kov Dvojitá mechanická ucpávka obrácená zády k sobě (back-to- -back) Dvojitá mechanická ucpávka v tandemovém uspořádání Těsnění závěrnou kapalinou, proplachovaná ucpávka Těsnění O-kroužkem, typ A, s redukovanými těsnicími plochami Měkká ucpávka cpávka s plovoucí mezerou Různé Druhé a třetí písmeno kódového označení Druhé a třetí písmeno kódového označení mechanické ucpávky vyraženého na typovém štítku čerpadla udává materiálové provedení těsnicí plochy otočné části ucpávky a pevného sedla ucpávky. Na druhém a třetím místě kódového označení se mohou objevit tyto kódy: Kód A H (/) C D N S Materiál Syntetický uhlík Kovy Karbidy hlík impregnovaný kovem hlík impregnovaný pryskyřicí hlík se zalitým karbidem wolframu (WC) (hybridní) Jiný druh uhlíku Ocel ronz Litá chromová ocel Karbid wolframu (WC), vazba CrNiMo 1S: hustý, slinutý, jemnozrnný karbid křemíku (SiC) 1P: pórovitý, slinutý, jemnozrnný karbid křemíku (SiC) 1: samomazný, slinutý, jemnozrnný karbid křemíku (SiC) Oxidy kovů Keramika (oxid hlinitý)

6 Typové označování Čtvrté písmeno kódového označení ucpávky Čtvrté písmeno kódového označení mechanické ucpávky vyraženého na typovém štítku čerpadla udává materiálové provedení sekundární ucpávky. Na čtvrtém místě kódového označení se mohou objevit tyto kódy: Kód F K M P S T X Materiál PDM FXM FKM FFKM O-kroužek potažený PTF NR (nitrilkaučuk) (silikonkaučuk) PTF Jiné elastomery Příklad kódového označení hřídelové ucpávky na typovém štítku Příklad H yvážená ucpávka těsněná O-kroužkem s pevným unašečem ucpávky (typ cartridge) Těsnicí plocha SiC otočné části ucpávky Pevné sedlo ucpávky SiC Sekundární těsnění PDM Příklad kódového označení kompletního čerpadla na typovém štítku Příklad CRN A -F - - H Typová řada Jmenovitý průtok (m 3 /h) Počet oběžných kol Počet stočených oběžných kol (pokud nějaká jsou) Kód verze čerpadla Kód trubní přípojky Kód materiálového provedení čerpadla Kód materiálového provedení komponentů těsnicích prvků Kód hřídelové ucpávky 1) 1) Z kódu hřídelové ucpávky je patrno, že čerpadlo je vybaveno mechanickou ucpávkou typu H těsněnou O-kroužkem, typ cartridge, rotační těsnicí plocha SiC, pevné sedlo SiC a sekundární ucpávka PDM. 6

7 R TM R37 - R339 TM všeobecně Co je to hřídelová ucpávka Hřídelová ucpávka slouží v čerpadlech jako zábrana průniku kapalin nebo k vymezení prostoru pod tlakem. Použití hřídelových ucpávek Hřídelové mechanické ucpávky slouží k zamezení úniku média z hydraulické části čerpadla. Čerpadla se zapouzdřeným rotorem nemají žádné hřídelové ucpávky, a čerpaná kapalina zde může volně vniknout do motoru. Rotační hřídelové ucpávky Rotační hřídelové ucpávky se používají v případech, kdy se dva komponenty čerpadel vůči sobě navzájem pohybují. Tyto ucpávky zahrnují mimo jiné mechanické ucpávky a měkké ucpávky (ucpávková komora, popř. simmering). Rotační hřídelové ucpávky jsou vystaveny otáčivému pohybu za provozu vytvářejí zatížený mazací film mezi těsnicími plochami rotační a pevné části hřídelové ucpávky. ližší informace najdete v kapitole Funkční princip hřídelové ucpávky. Níže uvedené fotografie ukazují příklady čerpadel s rotačními hřídelovými ucpávkami. Rotační hřídelová ucpávka je umístěna v mezeře mezi rotujícím hřídelem čerpadla a pevným tělesem čerpadla a motoru. hydraulická síla síla pružiny mazací film ucpávka (typ cartridge) oběžná kola motor hlava čerpadla základová část Obr. 3 Rotační hřídelová ucpávka provozní praxi nevykazuje žádná ucpávka absolutní těsnost. Průsak ucpávkou je ovlivňován takovými faktory jako schopnost čerpané kapaliny pronikat ucpávkou, měnící se hydrodynamický tlak v mezeře mezi těsnicími plochami ucpávky, charakteristika povrchu komponentů ucpávky a hydraulická přítlačná síla. Podstatné je, aby statické i rotační ucpávky nebyly odolné pouze vůči účinkům kapaliny, u níž mají zajišťovat těsnění. cpávky musejí být rovněž dimenzovány tak, aby se bez problémů vyrovnaly se všemi vlivy působícími za provozu čerpadla. olba druhu hřídelové ucpávky závisí na: kapalině, vůči níž má hřídelová ucpávka těsnit vlastnostech kapaliny mechanických, chemických a tepelných vlivech, které budou na ucpávku působit Obr. 1 Hřídelová ucpávka v čerpadle CR (čerpadlo in-line) motor těleso čerpadla hřídelová ucpávka Obr. 2 Hřídelová ucpávka v čerpadle N (čerpadlo s axiálním vstupem) 7

8 všeobecně Komponenty hřídelových ucpávek pružina unašeč ucpávky s pojistným kroužkem pevné těsnění K zajištění odpovídajícího přítlačného tlaku mezi styčnými těsnicími plochami primární ucpávky je třeba volit mezi dvěma různými typy mechanických ucpávek. Jedná se zde o vyvážené mechanické ucpávky a nevyvážené mechanické ucpávky zarážka pružiny Obr. 4 Komponenty mechanických ucpávek Klíč : Mechanická hřídelová ucpávka Rotační část Pevná část Sekundární ucpávka rotační část Název Pružina našeč ucpávky s pojistným kroužkem Zarážka pružiny Sekundární ucpávka Čelo ucpávky čelo ucpávky Pevná ucpávka (sekundární ucpávka) Sedlo (primární ucpávka) těsnicí plochy pevná část sedlo TM TM yvážená mechanická ucpávka Níže uvedený náčrtek znázorňuje vyváženou mechanickou ucpávku a síly působící na styčné těsnicí plochy ucpávky. Obr. 6 Zóny působení sil vyvážené mechanické ucpávky Nevyvážená mechanická ucpávka A Níže uvedený náčrtek znázorňuje nevyváženou mechanickou ucpávku a síly působící na styčné těsnicí plochy ucpávky. A Obr. 7 Zóny působení sil nevyvážené mechanické ucpávky TM TM Obr. Hlavní součásti mechanické ucpávky Mechanická ucpávka se skládá z rotační části pevné části Rotační část mechanické ucpávky tvoří čelo ucpávky (primární ucpávka), unašeč s pojistným kroužkem, sekundární ucpávka a pružina se zarážkou. Pevná část mechanické ucpávky je tvořena sedlem (primární ucpávka) a pevným těsnicím elementem (sekundární ucpávka). Shora uvedené komponenty mají rozhodující význam pro správnou funkci hřídelové ucpávky čerpadla. Komponenty primární ucpávky se liší od ostatních elementů tím, že jsou vystaveny silnému tlaku pružiny a současně také tlaku čerpané kapaliny, který vzniká v tělese hřídelové ucpávky při otáčivém pohybu styčných těsnicích ploch vůči sobě. Pružina udržuje svou mechanickou silou ucpávku v jednom kompaktním celku. 8

9 všeobecně yvažování mechanických ucpávek ýpočtové vzorce zorec pro výpočet vyvažovacího koeficientu K: K = A zorec pro výpočet přítlačné síly (F C ): F C = (A x P) F S [N] zorec pro výpočet otevírací síly (FO): F O = x P [N] 2 zorec pro výpočet efektivní přítlačné síly (F C, eff. ): ýpočet vyvažovacího koeficientu K: K = 1 K = 1,2 ýpočet sil působících na hřídelovou ucpávku: ýpočet přítlačné síly (F C ): F C = (1 x 0,8) 4 F C = 189 [N] ýpočet otevírací síly (FO): F O = x ( 0,8 ) F O = [N] 2 F C, eff. = F C - F O [N] ýpočet efektivní přítlačné síly (F C, eff. ): zorec pro výpočet efektivního tlaku na sedlo (P eff. ): P eff. = F Klíč k symbolům: [N] Symbol Název Poznámka A Plocha v mm 2 iz náčrtek vyvážené a nevyvážené hřídelové ucpávky, strana 8. Plocha v mm 2 iz náčrtek vyvážené a nevyvážené hřídelové ucpávky, strana 8. P Tlak kolem hřídelové ucpávky v N/mm 2 Síla pružiny v N F s C, eff. Příklad výpočtu, nevyvážená hřídelová ucpávka, rundfos typ Obr. 8 Hřídelová ucpávka rundfos, typ Údaje : A 1 mm 2 mm 2 FS 4 N P 0,8 N/mm 2 TM F C, eff = F C, eff. = 129 [N] ýpočet efektivního zatížení sedla (P eff ): P eff. = 129 P eff. = 0,86 [N/mm 2 ] Příklad výpočtu, vyvážená mechanická ucpávka, rundfos typ H Obr. 9 Hřídelová ucpávka rundfos, typ H Údaje : A mm 2 mm 2 F S 4 N P 0,8 N/mm 2 ýpočet vyvažovacího koeficientu K: K = K = 1,0 ýpočet sil působících na hřídelovou ucpávku: ýpočet přítlačné síly (F C ): F C = ( x 0,8) 4 F C = 16 [N] TM ýpočet otevírací síly (FO): F O = x ( 0,8 ) 2 F O = [N] 9

10 všeobecně ýpočet efektivní přítlačné síly (F C, eff. ): F C, eff. = 16 - F C, eff. = [N] ýpočet efektivního zatížení sedla (Peff.): P eff. = P eff. = 0,70 [N/mm 2 ] Příklad výpočtu, vyvážená mechanická ucpávka, rundfos typ K Údaje : A 1 mm 2 mm 2 FS 4 N P 0,8 N/mm 2 ýpočet vyvažovacího koeficientu K: K = 1 K = 0,8 ýpočet sil působících na hřídelovou ucpávku: ýpočet přítlačné síly (F C ): F C = (1 x 0,8) 4 ýpočet otevírací síly (F O ): F O = x ( 0,8 ) 2 F C = 141 [N] F O = [N] ýpočet efektivní přítlačné síly (F C, eff. ): F C, eff = F C, eff. = 81 [N] ýpočet efektivního zatížení sedla (Peff): P eff. = 81 P eff. = 0,4 [N/mm 2 ] závislosti na průměru a materiálovém provedení sedla jsou nevyvážené mechanické ucpávky vhodné pro aplikace s provozním tlakem do 2 barů. Pro nevyvážené mechanické ucpávky pak platí následující vztah: K = A > 1 [-] Klíč k symbolům K poměr ploch A hydraulicky zatížená plocha v mm 2 styčná plocha v mm 2 Funkční princip mechanické ucpávky Správná funkčnost mechanické ucpávky závisí na vytvoření patřičného mazacího filmu mezi styčnými těsnicími plochami, na který se za provozu čerpadla přenáší zatížení. Mazací film je tvořen čerpanou kapalinou nebo kapalinou přiváděnou z cizího zdroje. Mazací film nesoucí zatížení tvoří tyto dvě složky: hydrostatický film hydrodynamický film Hydrostatický mazací film se vytváří jedním z následujících dvou způsobů: za provozu čerpadla je čerpaná kapalina vtlačována do mezery mezi oběma styčnými těsnicími plochami mechanické ucpávky za provozu čerpadla je kapalina přiváděná z cizího zdroje vtlačována do mezery mezi oběma styčnými těsnicími plochami mechanické ucpávky Hydrodynamický mazací film se vytváří tlakem vznikajícím při otáčení hřídele čerpadla. Tloušťka mazacího filmu je závislá na otáčkách čerpadla, teplotě a viskozitě čerpané kapaliny a na axiálním tahu ucpávky. Axiální stlačování mechanické ucpávky omezuje průsak čerpané kapaliny do okolního prostředí. Těsnicí kapalina, která se nachází v těsnicí mezeře ucpávky, se neustále obměňuje v důsledku yvážené mechanické ucpávky jsou naproti tomu vhodné pro provozní tlaky až barů. Jejich použití v těchto vysokotlakých provozních podmínkách je možné díky menšímu zatížení těsnicích ploch ucpávky daném vybráním na hřídeli nebo na ochranném pouzdře hřídele, které zmenšuje vnější a vnitřní průměr styčné těsnicí plochy rotační části ucpávky. Účelem zde je zmenšit velikost ploch vystavených působení hydraulického tlaku v tělese ucpávky, aniž by se změnila velikost plochy mezi styčnými těsnicími plochami ucpávky. Menší zatížení těsnicích ploch snižuje množství vyvíjeného tepla a tím i tření a mechanické opotřebení hřídelové ucpávky. To má ve svém důsledku příznivý dopad na celkovou výši nákladů na provoz ucpávky. Pro vyvážené mechanické ucpávky platí tento vztah: K = A < 1 [-] odpařování kapaliny do okolní atmosféry krouživého pohybu kapaliny hydraulická síla síla pružiny mazací film Obr. Mechanická ucpávka za provozu TM

11 všeobecně Tření, opotřebení a průsak Styčné těsnicí plochy mechanické ucpávky jsou mazány čerpanou kapalinou. Lepší mazání zde znamená menší tření a větší průsak. Opačně pak je menší průsak dán horším mazáním a tím i větším třením. K větší energetické spotřebě ( ztrátě energie ) hřídelové ucpávky přispívají následující faktory: Odstředivé síly vznikající otáčením rotačních částí za provozu čerpadla. nergetická spotřeba se prudce zvyšuje spolu s rostoucími otáčkami (s třetí mocninou). Tření styčných těsnicích ploch. Tření mezi oběma styčnými těsnicími plochami se skládá ze složek tření tenkého mazacího filmu kapaliny a tření mezi body styku obou těsnicích ploch ucpávky. nergetická spotřeba je závislá na konstrukci ucpávky, podmínkách mazání a materiálovém provedení těsnicích kroužků ucpávky. Níže uvedený graf ukazuje typický příklad energetické spotřeby hřídelové ucpávky pracující se studenou vodou. Tento graf udává energetickou ztrátu na jednotlivé faktory energetické spotřeby jako funkci otáček čerpadla. nergetická ztráta [W] otáčky [min -1 ] Obr. 11 nergetická spotřeba hřídelové ucpávky pumping čerpání friction tření Podle tohoto grafu může být energetická ztráta daná otáčením rotačních částí čerpadla za provozu při vysokých otáčkách značná. To se týká např. hřídelových ucpávek s unašečem. Tak např. při otáčkách vyšších než min-1 může být výhodné použití hřídelových ucpávek, u nichž jsou pružina a unašeč umístěny v pevné části ucpávky. Tloušťka vrstvičky mazacího filmu v těsnicí mezeře ucpávky závisí na: viskozitě kapaliny otáčkách těsnicích kroužků hřídelové ucpávky přítlačné síle hřídelové ucpávky tlakové diferenci v těsnicí mezeře hřídelové ucpávky charakteristice povrchu styčných těsnicích ploch hřídelové ucpávky TM TM iskozita vody se snižuje spolu s teplotou, což způsobuje ztenčování tloušťky mazacího filmu. Jestliže teplota přesáhne hodnotu C, zhoršují se podstatně podmínky mazání, neboť značná část styčné těsnicí plochy je pak mazána pouze vodní párou. Tření a opotřebení těsnicích kroužků hřídelové ucpávky se tak zvyšuje spolu s rostoucí teplotou. Nadměrnému opotřebení těsnicích ploch lze zabránit vyvážením hřídelové ucpávky, čímž se zmenší přítlačná síla a sníží diferenční tlak. Míra opotřebení (poměrná) Teplota Obr. 12 Stupně opotřebení pro různé vyvažovací poměry Tloušťka vrstvičky mazacího filmu v těsnicí mezeře je citlivá na rovinnost styčných těsnicích ploch hřídelové ucpávky. Již nerovnost v řádu 0,001 mm způsobuje průsak ucpávky. Níže uvedený graf ukazuje závislost velikosti průsaku hřídelové ucpávky pracující s vodou na rovinnosti povrchu těsnicích kroužků. Průsak [ml/h] Rovinnost [mikrometrů] Obr. 13 Rovinnost jako funkce průsaku Při porušení rovinnosti o 0,001 mm se u tvrdého těsnicího kroužku (karbid wolframu WC nebo keramika) zvyšuje průsak hřídelové ucpávky v době typického záběhu čerpadla trvajícího několik týdnů. případě, že je povrchová nerovnost těsnicích kroužků menší, je doba zapracování hřídelové ucpávky podstatně kratší. elikost průsaku hřídelové ucpávky je také značně závislá na drsnosti jejích styčných těsnicích ploch. Zde hraje důležitou roli jak stupeň drsnosti, tak i směr zdrsnění povrchu. TM TM

12 všeobecně raf na obr. 14 ukazuje jak se velikost průsaku liší v závislosti na směru zdrsnění povrchu styčných těsnicích ploch hřídelové ucpávky. Šipky udávají směr otáčení těsnicích kroužků. Podle níže uvedeného grafu může být kapalina tvořící mazací film přečerpávána na stranu čerpané kapaliny nebo na stranu atmosférického tlaku v závislosti na směru zdrsnění povrchu těsnicích ploch hřídelové ucpávky. Průsak [ml/h] 4. o-kroužek TM Obr. 1 Hřídelová ucpávka těsněná O-kroužky Drsnost [Ra] Obr. 14 elikost průsaku hřídelové ucpávky Typická konfigurace povrchu těsnicích kroužků představuje statistické rozvrstvení rýh ve všech směrech, které se získá lapováním. Zářivě hladkého povrchu s malou drsností lze dosáhnout rovněž lapováním. Pokud však jsou oba těsnicí kroužky z tvrdého materiálu, musí mít jeden z nich matovanou povrchovou úpravu, aby bylo vyloučeno případné slepení obou těsnicích kroužků při delším odstavení čerpadla z provozu. Doba zapracování styčné těsnicí plochy s matovaným povrchem lapovaným na hodnotu Ra = 0,2 může činit několik dnů. ponorných čerpadel, u nichž má hřídelová ucpávka bránit vnikání vody do izolační olejové komory, má za normálních okolností diferenční tlak a tím i velikost průsaku hřídelovou ucpávkou relativně malou hodnotu. době zapracování hřídelové ucpávky se za normálních provozních podmínek dává do olejové komory čerpadla jen několik mm 3 oleje. těsněné O-kroužky hřídelové ucpávce těsněné O-kroužky obstarává těsnění mezi otáčejícím se hřídelem čerpadla a styčnou těsnicí plochou rotační části hřídelové ucpávky O-kroužek. Tento O-kroužek musí volně klouzat v axiálním směru v důsledku změn teploty a stupně opotřebení. Nesprávná poloha pevného sedla hřídelové ucpávky může mít za následek drhnutí a potažmo pak zbytečné opotřebení O-kroužku a hřídele čerpadla. O-kroužky se vyrábějí z různých druhů technické pryže jako např. NR, PDM a FKM k použití podle uvažovaných provozních podmínek. ýhody a nevýhody ýhody: cpávka je vhodná pro horkovodní a vysokotlaké provozní aplikace Nevýhody: sazeniny tvořící se na hřídeli jako rez apod., mohou bránit v axiálním pohybu ucpávky. s těsnicím vlnovcem Společným znakem vlnovcových mechanických ucpávek je, že jsou vybaveny pryžovým nebo kovovým těsnicím vlnovcem, který představuje dynamický těsnicí prvek mezi rotačním kroužkem hřídelové ucpávky a hřídelem. s pryžovým těsnicím vlnovcem Těsnicí vlnovec tohoto typu mechanické ucpávky se vyrábí z různých druhů technické pryže jako např. NR, PDM a FKM k použití v závislosti na daných provozních podmínkách. Konstrukce pryžových vlnovců využívá dva různé principy, na jejichž základě rozlišujeme: skládací vlnovce a svinovací vlnovce Obr. 16 Hřídelová ucpávka s pryžovým těsnicím vlnovcem ýhody a nevýhody ýhody: skládací pryžový vlnovec cpávka není citlivá na usazeniny na hřídeli jako např. rez apod. cpávka je vhodná pro čerpání kapalin obsahujících pevné mechanické nečistoty Nevýhody: cpávka není vhodná pro horkovodní a vysokotlaké provozní aplikace. TM

13 všeobecně s kovovým vlnovcem obyčejné mechanické ucpávky vyvíjí přítlačnou sílu nutnou k sevření styčných těsnicích ploch ucpávky pružina. mechanických ucpávek s těsnicím kovovým vlnovcem je pružina nahrazena tímto vlnovcem, který dává přibližně stejně velkou přítlačnou sílu. typu cartridge Kovový vlnovec působí současně jako dynamický těsnicí prvek mezi rotačním kroužkem hřídelové ucpávky a hřídelem čerpadla a jako přítlačná pružina. lnovce mají určitý počet zvlnění, které jim dávají požadovanou pružicí sílu. Tato zvlnění jsou provedena z korozivzdorné oceli k použití podle daných provozních podmínek. Obr. 18 Hřídelová ucpávka typu cartridge TM hřídelové ucpávce typu cartridge tvoří všechny součásti jeden kompaktní celek na pouzdře hřídele, který je vhodný pro okamžitou montáž mezi hřídel čerpadla a hřídel motoru. Obr. 17 Hřídelová ucpávka s kovovým vlnovcem ýhody a nevýhody ýhody: kovový vlnovec TM cpávka není citlivá na usazeniny, jako je např. rez, vodní kámen apod., na hřídeli čerpadla cpávka je vhodná pro horkovodní a vysokotlaké provozní aplikace. Hřídelová ucpávka typu cartridge má mnoho výhod oproti klasickým hřídelovým ucpávkám. Jsou to zejména tyto výhody: snadná a rychlá instalace konstrukce chránící styčné těsnicí plochy předpjatá pružina bezpečná manipulace vyvážení rundfos nabízí hřídelové ucpávky typu cartridge v provedení s těsnicím O-kroužkem nebo vlnovcem. cpávka má dlouhou životnost díky své malé opotřebitelnosti a malé potřebě vyvažování (nízké provozní náklady). Nevýhody: Možnost poruchy hřídelové ucpávky v důsledku únavy materiálu, jestliže čerpací agregát není správně vyrovnán. K únavě materiálu může dojít následkem nadměrných teplot nebo tlaků. 13

14 ve viskózních kapalinách ve viskózních kapalinách obecně ezmeme-li do úvahy základní principy mechanické ucpávky, zdá se být zcela logické, že kapalina s vysokou viskozitou bude vytvářet silnější vrstvičku mazacího filmu s lepšími mazacími vlastnostmi. Při čerpání viskózních kapalin však mohou nastat následující problémy: Jestliže má při teplotě místnosti čerpaná kapalina tlak par nižší než voda, nebude se odpařovat, ale bude se shromažďovat kolem hřídelové ucpávky. Tento problém je možno odstranit použitím dvojité mechanické ucpávky. ližší informace jsou uvedeny na str. 37. Jestliže čerpaná kapalina obsahuje rozpouštědla, budou se tato rozpouštědla odpařovat a ponechávat kapalinu s vyšší viskozitou v hřídelové ucpávce. Tato kapalina se pak může srážet a vytvářet povlak na těsnicích plochách ucpávky a způsobovat tak průsak nebo opotřebení ucpávky abrazí. Tento problém lze eliminovat použitím ucpávky s těsnicími plochami karbid/karbid nebo dvojité mechanické ucpávky. ližší informace jsou uvedeny na str. 1 a 37. Chladiva, jako např. glykoly, obvykle obsahují různá aditiva (korozní inhibitory), která se mohou srážet a krystalizovat na těsnicích plochách hřídelové ucpávky a způsobovat její abrazivní opotřebení. Proto se pro čerpání všech druhů chladicích kapalin doporučuje používat hřídelových ucpávek s těsnicími plochami karbid/karbid. ližší informace jsou uvedeny na str. 1. doporučené pro viskózní kapaliny Materiálové provedení těsnicích ploch Pro čerpání viskózních kapalin doporučujeme používat hřídelové ucpávky s těsnicími plochami karbid/karbid. Hřídelové ucpávky rundfos s karbidovými těsnicími plochami mají tyto plochy buď z karbidu křemíku (kód ) nebo z karbidu wolframu (kód ). Styčné těsnicí plochy impregnované uhlíkem (kód A nebo ) se nedoporučují s ohledem na jejich malou odolnost proti vydírajícím nečistotám. Povrchový tlak K zajištění minimálního srážení kapaliny je důležité zajistit vysoký povrchový tlak mezi styčnými těsnicími plochami, Toho lze dosáhnout redukcí plošné velikosti těsnicích ploch (ucpávky R nebo ) nebo vybavením ucpávky předpjatou pružinou. hřídelových ucpávek s vysokým povrchovým tlakem mají styčné těsnicí plochy značně hladší povrch než je tomu u obyčejných hřídelových ucpávek. Doporučené kódy hřídelových ucpávek pro viskózní kapaliny Popis cpávky typu A těsnění O-kroužky s pevným unašečem ucpávky cpávky typu vlnovcové těsnění s pevným unašečem ucpávky cpávky typu D těsnění O-kroužky, vyvážené cpávky typu těsnění O-kroužky, typ A, cartridge cpávky typu vlnovcové těsnění, typ, s redukovanými těsnicími plochami cpávky typu H těsnění O-kroužky, typ D, cartridge cpávky typu R těsnění O-kroužky, typ A, s redukovanými těsnicími plochami Kód hřídelové ucpávky A A A A D D H H H H R R 14

15 Materiály těsnicích ploch ucpávek Kombinace materiálů těsnicích ploch olba správného materiálového provedení těsnicích ploch je rozhodující pro funkčnost a délku životnosti mechanické ucpávky. Dále uvádíme popis možných materiálových variant. Hlučnost vzniká v důsledku špatného mazání v ucpávkách používaných pro čerpání kapalin s nízkou viskozitou. iskozita vody klesá spolu s rostoucí teplotou. Znamená to, že při rostoucí teplotě se mazací podmínky zhoršují. Redukce otáček čerpadla má v tomto směru stejný účinek. Jestliže teplota čerpané kapaliny dosáhne nebo překročí bod varu, kapalina se z části těsnicí plochy hřídelové ucpávky čerpadla odpaří, což se projeví zhoršením mazání. Jestliže dojde k překročení určitého mezního tlaku a teploty, může hřídelová ucpávka vykazovat provozní hlučnost. Hlučný provoz mechanické ucpávky je indikátorem špatných provozních podmínek ucpávky, které v delším časovém horizontu způsobují její opotřebení. Použitelnost dané hřídelové ucpávky závisí na jejím průměru a konstrukci. grafech tlaku a teploty platných pro různé typy hřídelových ucpávek jsou uvedeny oblasti, ve kterých může docházet k hlučnému provozu ucpávky. hřídelových ucpávek s materiálovými kombinacemi těsnicích ploch WC/WC může doba zapracování, po kterou se projevuje provozní hlučnost, trvat 3-4 týdny, ačkoliv v prvních 3 4 dnech obvykle bývá provoz ucpávky tichý. Karbid křemíku / karbid křemíku Jako alternativa k provedení WC/WC se hřídelové ucpávky s těsnicími plochami karbid křemíku / karbid křemíku (SiC/SiC) používají tam, kde je požadována větší odolnost proti korozi. Za účelem rozlišení se rozdílné materiálové varianty označují takto: 1S, hutný slinutý jemnozrnný SiC Jemnozrnný SiC slinutý přímou metodou; má malou poréznost (pod 3%) a specifickou hmotnost vyšší než 3,11 g/cm 3. Obr. 19 ztah mezi provozním rozsahem a otáčkami Podmínky mazání těsnicích ploch závisejí na stupni jejich opotřebení v průběhu zapracování hřídelové ucpávky a na materiálovém provedení jejích těsnicích ploch. Karbid wolframu / karbid wolframu Slinutý karbid je označení druhu tvrdokovu na bázi tvrdé fáze karbidu wolframu (WC) a fáze obvykle měkčího kovového pojiva. Správný technický termín je slinutý karbid wolframu, avšak v technické praxi se hojně používá názvu karbid wolframu, přičemž slinutý se zde rozumí automaticky. WC s kobaltovou (Co) vazbou je odolný proti korozi ve vodě pouze tehdy, jestliže konstrukce čerpadla obsahuje některý základní kov jako např. litinu. WC s vazbou chrom-nikl-molybden vykazuje odolnost proti korozi v souladu s požadavky normy N/DIN Slinutý WC bez pojiva má největší odolnost proti korozi, avšak není naproti tomu odolný vůči médiím typu chlornanu. Materiálové kombinace se vyznačují těmito vlastnostmi: maximální odolnost proti opotřebení robustnost, odolné i v případě neopatrné manipulace špatné vlastnost pro případ provozu bez kapaliny. takovém případě se za několik málo minut teplota zvýší až na několik set stupňů Celsia, což má za následek poškození těsnicích O-kroužků TM Již několik let se tato materiálová varianta SiC používá u hřídelových ucpávek jako standard. Mezní tlaky a teploty se u této varianty pohybují těsně pod mezními hodnotami platnými pro materiálové provedení WC/WC. 1P, porézní slinutý jemnozrnný SiC arianta k hutnému, slinutému SiC. Tato materiálová verze SiC vykazuje velké, kruhové uzavřené póry. Stupeň poréznosti u ní činí -1% a velikost pórů je -0 µm. Měrná hmotnost se pohybuje v rozsahu 2,7 3 g/cm 3. Mezní tlak a teplota je vyšší než u materiálového provedení WC/WC. Při čerpání teplé vody tak vykazuje hřídelová ucpávka s těsnicími plochami v materiálovém provedení 1P / 1 P nižší provozní hlučnost než ucpávka WC/WC. Hlučný provoz hřídelové ucpávky s těsnicími plochami z SiC se však dá očekávat ve 3-4 dnech v době zapracovávání ucpávky. 1, samomazný slinutý SiC Na trhu je k dostání několik materiálových variant SiC obsahujících suchá mazadla. této příručce se označení 2 vztahuje na materiál SiC, který je vhodný pro čerpání destilované nebo demineralizované vody jako protiklad ke shora uvedeným materiálovým variantám. Mezní hodnoty tlaku a teploty u varianty 1 / 1 jsou podobné jako u varianty 1P / 1P. Suchá mazadla, tj. grafit, snižují tření v případě provozu bez kapaliny, což hraje rozhodující roli pro trvanlivost hřídelové ucpávky při provozu nasucho. 1

16 Materiály těsnicích ploch ucpávek Charakteristické vlastnosti SiC/SiC Materiálová kombinace SiC/SiC má tyto charakteristické vlastnosti : velká křehkost vyžadující opatrnou manipulaci extrémně velkou odolnost vůči opotřebení extrémně dobrou odolnost proti korozi. SiC ( 1S, 1 P a 1 ) bez ohledu na druh čerpané kapaliny. ýjimkou je zde však voda s velmi malou vodivostí, jako např. demineralizovaná voda, která je agresivní vůči materiálovým variantám SiC 1S, 1P, zatímco varianta 1 je odolná i proti tomuto médiu. Obecně mají tyto materiálové kombinace špatné vlastnosti pro provoz čerpadla nasucho (stejně jako WC/WC); avšak varianta 1 / 1 snese po určitou omezenou dobu provoz na sucho díky grafitu obsaženému v základním materiálu. hlík/karbid wolframu nebo karbid křemíku s jednou těsnicí plochou z uhlíku vykazují tyto charakteristické vlastnosti: velká křehkost vyžadující opatrnou manipulaci opotřebitelnost při čerpání kapalin obsahujících pevné mechanické nečistoty dobrá odolnost proti korozi dobré vlastnosti při provozu nasucho (krátkodobý provoz nasucho). Díky samomazné vlastnosti uhlíku je tato hřídelová ucpávka vhodná pro použití za špatných mazacích podmínek (vysoké teploty), kdy se u ní neprojevuje provozní hlučnost. Takové podmínky však budou způsobovat opotřebení uhlíkové těsnicí plochy, což ve svém důsledku povede ke kratší životnosti ucpávky. Míra opotřebení zde bude záviset na tlaku, teplotě, druhu čerpané kapaliny, jakož i na průměru a konstrukci hřídelové ucpávky. Při nízkých otáčkách se snižuje kvalita mazání mezi těsnicími plochami ucpávky. To pak má za následek možnost zvýšeného opotřebení. Za normálních okolností však tento případ nenastává, neboť rozsah pohybu těsnicích ploch je omezený. hlík impregnovaný kovem (A) má sice omezenou odolnost proti korozi, ale vyznačuje se vyšší mechanickou pevností, lepší tepelnou vodivostí a tím i menší náchylností k opotřebení. Snížená mechanická pevnost, ale zato větší odolnost proti korozi to jsou vlastnosti syntetického uhlíku impregnovaného pryskyřicí (), který tak lze použít v širokém rozsahu provozních aplikací. Tento materiál je vhodný též pro pitnou vodu. Použití hřídelových ucpávek v materiálové verzi uhlík/ SiC v horkovodních aplikacích může mít za následek silné opotřebení SiC v závislosti na jakosti použitého uhlíku a čerpané vody. Toto opotřebení se vztahuje především na materiálové provedení 1S /uhlík. Použití verze 1P, 1 nebo kombinace uhlík/wc dává mnohem menší opotřebení. Materiálové kombinace uhlík/wc, uhlík/ 1P, nebo uhlík/ 1 se proto doporučují pro horkovodní systémy. hlík / keramika (oxid hlinitý) Dobrá univerzální hřídelová ucpávka pro nepříliš náročné provozní aplikace, která vykazuje následující vlastnosti: křehkost vyžadující opatrnou manipulaci opotřebitelnost při čerpání kapalin obsahujících pevné mechanické nečistoty omezená odolnost proti korozi, < ph < 9 v závislosti na druhu keramiky relativně dobré vlastnosti při provozu nasucho; např. v případě náhlého vniknutí vody do ucpávky zahřáté po běhu čerpadla nasucho apod. uhlík dává této ucpávce vlastnosti podobné těm, které má ucpávka v provedení uhlík/wc; rozsahy tlaku a teploty jsou však u ní omezené Karbid wolframu / hybrid Při využití příznivých vlastností těsnicích ploch WC/WC a uhlík/wc má kombinace WC/hybrid následující charakteristické vlastnosti: extrémní odolnost proti opotřebení odolnost proti neopatrnému zacházení některé vlastnosti vhodné pro (krátkodobý) provoz nasucho odolnost proti korozi rovnající se N 1.41, což odpovídá antikorozním vlastnostem čerpadla CRN; u některých kapalin a rozpouštědel je tato odolnost omezena provozní omezení co se týká tlaku a teploty jsou stejná jako u alternativy WC/WC s ohledem na riziko zablokování; překročení těchto mezních hodnot může způsobit poškození hybridu Některá aditiva na bázi glykolu používaná v nemrznoucích kapalinách mohou způsobovat srážení, zejména při vysokých teplotách. takových případech je podle možnosti nutno použít hřídelovou ucpávku WC/WC. 16

17 Materiály těsnicích ploch ucpávek Karbid křemíku Keramický karbid křemíku (SiC) se vyrábí již několik let. xistují tři hlavní druhy SiC: Formy s reakční vazbou a formy slinuté v tekuté fázi mají v alkalické vodě omezenou odolnost proti korozi vzhledem k obsahu volného křemíku. Zušlechtěný uhlík se vyrábí z grafitu a lze jej také nanášet ve formě tenké vrstvičky na povrch normálního uhlíku. Nejobvyklejší formou SiC pro těsnicí kroužky je karbid křemíku slinutý přímou metodou. Karbid křemíku slinutý přímou metodou Karbid křemíku slinutý přímou metodou se vyznačuje typickou malou porézností v rozsahu pod 2%, existuje však také jeho porézní forma. Póry jsou zde navzájem oddělené, nespojité a rozptýlené určitým řízeným způsobem po celé ploše materiálu. Sférické póry působí jako rezervoáry kapaliny nebo mazadla a napomáhají tak setrvávání mazacího filmu na kluzném povrchu komponentů. Mazací mechanismus založený na poréznosti propůjčuje poréznímu SiC lepší mazací vlastnosti v horkovodních provozních aplikacích než jaké zde mají klasické karbidy s reakční vazbou a slinuté karbidy. Prodloužené slinování nebo přidávání různých plnidel může vést k vytváření různých variant těchto standardních forem SiC. Plnidla mohou být přidávána za účelem dosažení lepší vodivosti, větší tuhosti nebo menšího tření. hlík nebo grafit zde mohou být používány jako suché mazadlo ke zmenšení tření. Nižšího tření může být při použití grafitu dosaženo pouze při výskytu patřičných nečistot, protože sám grafit má velký třecí efekt. Aby mohl být grafit s úspěchem použit jako mazadlo, musí být optimalizována vazba mezi SiC a grafitem, jakož i druh a množství použitého grafitu. pracující ucpávce musí dojít k rozetření a vetření grafitu do těsnicí plochy, aby bylo dosaženo požadovaného nižšího tření, a rovněž musí být možné odstranění určitého množství grafitu z mazaného prostoru. Funkční popis hřídelových ucpávek při použití různých variant SiC yhodnocování vhodnosti materiálů pro těsnicí plochy hřídelových ucpávek vyžaduje důkladné odzkoušení při aplikaci mnoha různých zkušebních podmínek. Materiály těsnicích ploch SiC, mohou být testovány při následujících zkušebních podmínkách: provoz v horkovodních provozních aplikacích provoz nasucho provoz s vodou obsahující vydírající částice provoz s vodou obsahující glykol provoz s demineralizovanou vodou testy na zadření Shora uvedené zkoušky jsou podrobně popsány počínaje stranou 18. Za posledních 1 let vyzkoušela firma rundfos téměř 0 různých materiálových variant SiC a zařadila je do skupin podle jejich vlastností. arianta S je běžná hutná forma slinutého SiC s porézností menší než 2%. Tato varianta má špatné vlastnosti v horké vodě a vyznačuje se vysokým stupněm suchého tření. Obr. Hutný SiC, 1S, slinutý přímou metodou P je slinutý SiC s diskrétními, nespojitými póry. Tato poréznost dává materiálu lepší vlastnosti pro horkou vodu, avšak suché tření má vysokou hodnotu. Do této skupiny je zařazen také SiC obsahující grafit, který má vlastnosti nevhodné pro provoz bez kapaliny stejně tak jako pro čerpání demineralizované vody. Obr. 21 Porézní SiC, 1P, slinutý přímou metodou je hutný slinutý SiC s bimodulární velikostí zrna a s póry tvořenými uhlíkem/grafitem nebo jinými modifikátory malého tření. Má dobré vlastnosti v horké a v demineralizované vodě a vyznačuje se nízkým stupněm suchého tření. Obr. 22 Porézní SiC, 1, slinutý přímou metodou TM TM TM

18 Materiály těsnicích ploch ucpávek lastnosti v horké vodě Mazání těsnicích ploch hřídelové ucpávky v horké vodě je jen malé vzhledem k nízké viskozitě vody při vysokých teplotách a odpařování kapaliny v těsnicí mezeře. Mezní teploty a tlakové rozsahy se zakládají na zkouškách, při kterých jsou měřeny takové faktory jako je tření, krouticí moment a průsak. Při překročení těchto mezních hodnot lze u hřídelové ucpávky očekávat hlučný provoz a opotřebení v důsledku únavy materiálu. Níže uvedený graf ukazuje mezní hodnoty u různých skupin SiC a karbidu wolframu pro hřídelovou ucpávku rundfos typu A 16 mm při otáčkách min -1. Při nižších otáčkách se tyto mezní hodnoty posouvají směrem k nižším teplotám. [bar] 2 1 WC/WC S P [ C] Obr. 23 Mezní hodnoty pro ustálené tření hřídelové ucpávky ližší informace o materiálových variantách SiC ( S, P, ) jsou uvedeny na str. 1. Zkoušky v horké vodě se provádějí s vodou z vodovodu. Za těchto podmínek jsou těsnicí plochy hřídelové ucpávky vystaveny velmi malému opotřebení ve stabilní oblasti, zatímco určité opotřebení lze očekávat nad mezní hodnotou pro ustálený provoz. Níže uvedený obrázek ukazuje míru opotřebení jako funkci teploty. H ( ) H S H ( ) [ C] Obr. 24 Míra opotřebení těsnicích ploch Provoz nasucho Mechanické ucpávky, které pracují zcela bez kapaliny, mohou být zcela zničeny již během jedné minuty, jestliže je velké tření mezi jejich těsnicími plochami. Teplo uvolňované v těsnicí ploše zvýší teplotu hřídelové ucpávky nad 0 C a pryžové komponenty ucpávky shoří., TM TM elikost tření SiC proti SiC závisí na plnidlech přidaných do SiC a na způsobu, jakým jsou tato plnidla vázána na mřížku SiC. Relativní vlhkost ovlivňuje koeficient tření u materiálů typu SiC, i když tento fakt má v praxi jen malý vliv na mechanickou ucpávku, protože její teplota se za provozu rychle zvýší nad hodnotu C, při níž již vlhkost nemá žádný význam. Teploty naměřené na pevném sedle vybraných typů hřídelových ucpávek pracujících nasucho ukazuje Obr. 2. [ C] S P (with graphite) [sec] Obr. 2 lastnosti hřídelových ucpávek pracujících nasucho Z Obr. 2 vyplývá, že hřídelové ucpávky typu SiC S / SiC S a SiC P / SiC P vykazují při provozu nasucho špatné vlastnosti, které jsou podobné jako vlastnosti WC/WC. Dvě varianty SiC /SiC mají při provozu nasucho lepší vlastnosti. Tyto vlastnosti se mohou mírně měnit i v rámci téže varianty SiC. Přestože zde uvedená varianta SiC P obsahuje grafit, nelze ji s ohledem na její špatné vlastnosti při provozu nasucho klasifikovat jako SiC. oda s obsahem vydírajících částic SiC je tvrdý materiál a vliv vydírajících částic se proto na něm příliš neprojevuje. Opotřebení těsnicích ploch způsobené vydírajícími částicemi se vyskytuje jen vzácně u hřídelových ucpávek s oběma těsnicími plochami SiC. Těsnicí mezera v mechanické ucpávce bývá obvykle užší než 0,3 mikronu. Teoreticky to znamená, že se do kontaktu s těsnicími plochami mohou dostat pouze částice menší než 0,3 mikronu. praxi však nebývá okraj těsnicí plochy dokonale ostrý. Znamená to, že do styku s těsnicími plochami mohou přijít částice o velikosti několika mikronů. Za normálních okolností způsobí takové částice na tvrdém povrchu těsnicí plochy pouze porušení lesku. Jestliže však jednu těsnicí plochu tvoří uhlíkový kroužek, bude se okraj těsnicí plochy opotřebovávat a možňovat tak vnikání větších vydírajících částic do těsnicí mezery a tím jejich kontakt s těsnicími plochami. Takovéto větší vydírající částice se mohou zachytit na uhlíkové těsnicí ploše a způsobovat tak opotřebení protilehlé těsnicí plochy. TM

19 Materiály těsnicích ploch ucpávek Průsak (poměrný) S P [h] TM Malá přítlačná síla elká přítlačná síla TM Obr. 26 Kumulativní opotřebení těsnicích kroužků při čerpání kapaliny s obsahem písku ppm Nedoporučuje se používat těsnicí plochy z porézního SiC proti uhlíkové těsnicí ploše při čerpání vody s vysokým obsahem nerozpustných látek. Abrazivní opotřebení lze pozorovat u hřídelových ucpávek s tvrdými těsnicími plochami v korozních kapalinách. Opotřebení těsnicích ploch SiC může nastat v demineralizované vodě v důsledku koroze na ohraničení zrn. K opotřebení těsnicích ploch může docházet v horké vodě. Toto opotřebení může mít podobu abrazivního opotřebení, protože zrna SiC jsou vytrhávána v důsledku tepelné únavy SiC. Tento druh opotřebení je možno pozorovat pouze v oblasti nad mezními hodnotami tlaku a teploty pro ustálené tření. oda s obsahem glykolu oda obsahující glykol může být příčinou problémů s průsakem hřídelových ucpávek. Tyto problémy jsou často způsobovány různými aditivy jako jsou korozní inhibitory, antioxydanty, alkálie atd. Některá aditiva, např. křemičitany, mohou v těsnicí ploše krystalizovat do formy tvrdých částic. Tvrdé krystaly křemičitanů nebo fosfátů pak způsobují opotřebení hřídelových ucpávek, které mají jednu těsnicí plochu z uhlíku. Organická pojiva vytvářející tenké vrstvičky, tzv. inhibitory, lnou ke všem plochám, které jsou ve styku s čerpanou kapalinou, včetně hlavní činné části těsnicí plochy. Mnohé inhibitory tak mohou na těsnicí ploše vytvářet adhezní vrstvičku a způsobovat průsak hřídelové ucpávky. s oběma těsnicími plochami z WC nebo SiC mají lepší samočisticí vlastnosti proti vzniku usazenin než hřídelové ucpávky s uhlíkovou těsnicí plochou. elká přítlačná síla a malý plošný rozměr těsnicí plochy snižují riziko vytváření usazenin. yly provedeny srovnávací zkoušky materiálových variant těsnicích ploch s použitím vody obsahující glykol s vysokým obsahem aditiv. ýsledky těchto zkoušek uvádí níže uvedený graf. Obr. 27 Průsak hřídelových ucpávek ve vodě s obsahem glykolu Drsnost povrchu je důležitý faktor pro průsak. Přednost se dává hladké povrchové úpravě. Na druhé straně však příliš hladký povrch může způsobovat problémy související se zadřením těsnicích ploch. zhledem k tomu je žádoucí mít těsnicí plochy s určitým stupněm drsnosti a předejít tak zadření těsnicích kroužků hřídelové ucpávky. Proto mívají hřídelové ucpávky alespoň jednu těsnicí plochu upravenou lapováním. Po namontování hřídelové ucpávky bude průsak kapaliny vysoký až do vyhlazení těsnicích ploch. konečném důsledku se hřídelové ucpávky s jednou těsnicí plochou z uhlíku ve fázi zapracování často vyznačují malým průsakem, neboť tato fáze bývá kratší než je tomu u hřídelové ucpávky, jejíž obě těsnicí plochy jsou zhotoveny z tvrdého materiálu. s velkou přítlačnou silou vykazují kratší dobu zapracování díky tenčímu mazacímu filmu. Demineralizovaná voda Chemicky čistá voda může být agresivní vůči mnoha keramickým materiálům. Co se týká slinutého SiC, může chemicky čistá voda napadat ohraničení zrn obsahující sintrovací aditiva. Korozi lze na těsnicí ploše pozorovat pouze v kontaktních místech s drsným povrchem, kde mohou vznikat vysoké teploty. Řízeným procesem slinování lze získat materiálové varianty SiC, které jsou odolné vůči účinkům chemicky čisté vody. yly provedeny zkoušky různých variant SiC v demineralizované vodě při C. Jejich výsledky u standardních slinutých SiC ukazuje níže uvedený graf. materiálových variant, které nejsou citlivé na demineralizovanou vodu, nebyla za zkušebních hodin pozorována žádná závada. Do skupiny lze zařadit pouze varianty odolné vůči účinkům demineralizované vody. 19

20 Materiály těsnicích ploch ucpávek Poruchy [%] [h] Obr. 28 Závady hřídelových ucpávek SiC v demineralizované vodě Zadření těsnicích ploch ucpávek při skladování elmi hladké a ploché těsnicí plochy k sobě snadno přilnou. extrémních případech k sobě přilnou tak těsně, že se hřídel motoru čerpadla nemůže otáčet. K adhezi těsnicích ploch přispívají různé mechanismy. Fyzikální adheze Jestliže jsou k sobě těsně přitlačeny dva ploché a hladké povrchy, vznikne mezi nimi vakuum. akuum vytváří axiální sílu, což znamená, že síla, jíž je zapotřebí k oddělení těchto dvou povrchů musí být velká, zatímco smyková síla nutná k rotaci těchto povrchů je menší. elikost smykové síly při zapnutí čerpadla je stejná jako velikost síly nutné k zajištění velmi nízkých otáček. Koeficienty tření při nízkých otáčkách pro různé materiálové varianty ukazuje níže uvedený graf. Počáteční tření ve vodě Koeficient tření WC/Carbon SiC-/SiC- WC/SiC WC/WC 0 0 [ C] Obr. 29 Počáteční tření ve vodě TM TM Chemická adheze Zadření těsnicích ploch ucpávek při skladování šechny povrchy vystavené atmosférickým vlivům jsou pokryty vrstvičkou oxidu. yváženost této vrstvičky se může měnit, jestliže je předmětný povrch v těsném kontaktu s jiným povrchem nebo jestliže je vystaven účinkům čerpané kapaliny. Tato změna rovnováhy může zahrnovat také chemické vazby na oxidy přenášené z jiných povrchů. Čím je vrstvička oxidu k okolnímu prostředí inertnější, tím slabší budou tyto vazby k protilehlému povrchu. Jestliže se jedná o kapalinu, která je agresivní vůči materiálu těsnicích ploch ucpávky, mohou obě tyto těsnicí plochy korodovat a vytvářet extrémně velké adhezní síly. K prevenci takovýchto adhezních mechanismů se pro těsnicí plochy preferuje použití vysoce inertních nestejných materiálů. Chemická adheze při působení adhezních činidel Jestliže obsahuje čerpaná kapalina ionty, které se mohou na povrchu těsnicích ploch srážet, pak může tento kondenzát působit mezi těsnicími plochami hřídelové ucpávky jako lepidlo. Tento adhezní mechanismus může nastat v tvrdé vodě a lze jej redukovat použitím jedné těsnicí plochy tvořené uhlíkovým kroužkem. Rovněž použití tvrdých materiálů těsnicích ploch obsahujících tuhá mazadla povede k redukci přilnavosti, jelikož suché mazadlo se na povrchu těsnicí plochy rozetře do tenké vrstvičky, což vyvolá potřebu jen malých smykových sil. Závěr Citlivost hřídelové ucpávky na vydírající částice je při použití obou těsnicích kroužků z tvrdého materiálu, např. SiC/SiC, malá. Tření SiC proti SiC v horké vodě se snižuje díky poréznosti materiálu těsnicích ploch. Obecně vzato je odolnost slinutého SiC proti korozi dobrá s výjimkou chemicky čisté vody, avšak v případě použití dlouhozrnného SiC lze dosáhnout rovněž odolnosti vůči účinkům chemicky čisté vody. Suché tření SiC je možno omezit použitím těsnicích ploch z materiálu, jehož póry budou naplněny tuhým mazadlem. Mechanické ucpávky s vylepšenými materiálovými variantami těsnicích ploch SiC jsou tak vhodné pro mnoho různých provozních aplikací, kde zvyšují spolehlivost čerpadla.