تاریخچه
در ابتدای قرن نوزدهم، تلاش‌های زیادی برای یافتن جایگزینی مناسب برای پکینگ‌های بافته‌شده‌ی مرسوم در پمپ‌های پیستونی و شفت‌های چرخان انجام شد. نیاز به سیستمی قابل‌اعتمادتر برای انواع ماشین‌آلات چرخانِ انتقال‌دهنده‌ی مایعات احساس می‌شد.
در دهه ۱۹۳۰، گروه James Walker موفق به طراحی یک شفت سیل مکانیکی برای کمپرسورهای تبرید شد. هم‌زمان، شرکت John Crane نخستین شفت سیل مکانیکی مخصوص خودرو را اختراع کرد. در اوایل دهه ۱۹۴۰، این شرکت شفت سیل محوری شفت با پوشش الاستومری را توسعه داد و آن را با ثبت اختراع به بازار معرفی کرد؛ شفت سیلی که
امروزه با نام Type 1 شناخته می‌شود.
امروزه، John Crane همچنان یکی از تولیدکنندگان پیشرو در صنعت شفت سیل است، در کنار شرکت‌هایی مانند Grundfos، Burgmann، Flowserve و سایر برندهای مطرح جهانی.
اولین شفت سیل مکانیکی گراندفوس
نخستین شفت سیل مکانیکی گراندفوس در سال ۱۹۵۲ عرضه شد. این شفت سیل در مدل CP، اولین پمپ عمودی چندمرحله‌ای در جهان، معرفی گردید.
این شفت سیل از نوع O-ring بوده و سطوح آب‌بند آن از تنگستن کاربید ساخته شده بود.
ساختار
شفت سیل از یک بخش چرخان و یک بخش ثابت تشکیل می‌شود. زمانی که این اجزا به‌درستی طراحی و نصب شده باشند، بخش چرخان روی یک لایه نازک سیال روان کننده حرکت می‌کند که ضخامت آن تنها ۰٫۰۰۰۲۵ میلی‌متر است.
اگر لایه روان کننده بیش از حد ضخیم شود، سیال پمپاژ شده نشت خواهد کرد. اگر لایه خیلی نازک باشد، اتلاف ناشی از اصطکاک افزایش یافته و سطوح تماس بیش از حد داغ می‌شوند و منجر به خرابی شفت سیل می‌گردد.
بخش ثابت شفت سیل در محفظه پمپ نصب می‌شود و شامل یک بخش ثابت و یک شفت سیل ثانویه ثابت است. شفت سیل ثانویه از نشتی بین بخش ثابت و بدنه پمپ جلوگیری می‌کند و مانع از چرخش بخش ثابت در بدنه پمپ نیز می‌شود.
سیال پمپاژ شده معمولاً با لبه بیرونی بخش متحرک در تماس است. هنگامی که شفت شروع به چرخش می‌کند، اختلاف فشار بین سیال داخل پمپ و جو اطراف، سیال را وادار می‌کند تا به داخل شکاف آب‌بندی میان دو سطح صاف چرخان نفوذ کند و یک لایه نازک روان‌کار ایجاد می‌شود. فشار در شکاف آب‌بندی کاهش یافته و در نهایت به فشار محیط می‌رسد.
قطعات داخلی شفت سیل که درون پمپ قرار دارند، تحت نیرویی قرار می‌گیرند که ناشی از فشار داخل پمپ است. مؤلفه محوری این نیرو به همراه نیروی فنر، نیروی بستن شفت سیل را تشکیل می‌دهند.
نیروهای وارد بر شفت سیل شفت
قطعات داخلی شفت سیل درون پمپ تحت نیروی محوری ناشی از فشار سیال پمپاژشده قرار دارند. اگر اختلاف فشار بین سیال پمپاژ شده و جو بیش از ۲۰ بار باشد، نیروی بستن به قدری زیاد می‌شود که مانع تشکیل یک لایه روان‌کار هیدرودینامیکی مناسب می‌شود. در نتیجه، سطوح شفت سیل شروع به سایش می‌کنند.
با کاهش سطح تحت فشار هیدرولیکی، نیروی محوری وارد بر شفت سیل شفت نیز کاهش می‌یابد. در نتیجه، نیروی هیدرولیکی وارد بر سطوح شفت سیل اولیه و همچنین نیروی بستن شفت سیل کاهش می‌یابد.
فشار پمپ که بر سطح Ah وارد می‌شود، باعث ایجاد نیروی بستن بر روی شفت سیل می‌گردد. سطح Ah در شفت سیل شفت مکانیکی نامتوازن از سطح As بزرگ‌تر است و نسبت تعادل بزرگ‌تر از ۱ می‌باشد.
فشار تماس در ناحیه سطوح لغزنده از فشار سیال پمپاژشده بیشتر است. در بازه‌های فشار پایین، شفت سیلهای مکانیکی نامتوازن کفایت می‌کنند. سطح Ah در شفت سیل شفت مکانیکی متوازن از سطح As کوچک‌تر است و نسبت تعادل کوچک‌تر از ۱ است. سطح Ah را می‌توان با کاهش قطر شفت کاهش داد.
در بازه‌های فشار بالا یا در سرعت‌های بالا، از شفت سیل مکانیکی متوازن استفاده می‌شود. فشار تماس در ناحیه سطح لغزنده می‌تواند از فشار سیال پمپاژشده کمتر باشد. نسبت تعادل معمولاً حدود ۰٫۸ انتخاب می‌شود.
یکی از عوامل خراب شدن سیل مکانیکی که منجر به نشتی در پمپ می‌شود، نبود یا شکل‌گیری ناکافی لایه روان‌کار اغلب باعث آسیب به سطوح شفت سیل می‌شود. تبخیر سیال پمپاژ شده در شکاف آب‌بندی زمانی رخ می‌دهد که فشار در آن ناحیه کمتر از فشار بخار سیال پمپاژ شده باشد.
حرارت اصطکاکی در سطوح شفت سیل باعث افزایش دمای سیال شده و در نتیجه فشار بخار آن نیز افزایش می‌یابد. این مسئله نقطه شروع تبخیر را به سمت سیال پمپاژشده منتقل می‌کند. در آب سرد، لایه روان‌کار کل شکاف آب‌بندی را پوشش می‌دهد. در یک شفت سیل با عملکرد مناسب، تنها نشتی‌ای که به فضای محیط خارج می‌شود، به صورت بخار است. حتی در آب سرد نیز به دلیل نشتی از شکاف بسیار باریک آب‌بندی (یعنی 0.0002 میلی‌متر)، تبخیر اتفاق می‌افتد.
در هنگام پمپاژ آب با دمای بالاتر از ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد، معمولاً بخشی از سطوح لغزنده آب‌بند در سمت محیط با کمبود لایه روان‌کار مواجه می‌شود که علت این موضوع تبخیر شدن لایه روان‌کار است.
شرکت آبتین طیف گسترده‌ای از پمپ‌های گراندفوس با کاربری‌های مختلف که دارای شفت سیلهای مخصوص و پیکربندی‌های متنوع برای سیالات و شرایط کاری مختلف هستند را ارائه می‌دهد. جهت کسب اطلاعات بیشتر با واحد فنی مهندسی شرکت آبتین در ارتباط باشید.
