عمل آب‌بندی بین مراحل، روی شافت، در دهنه پروانه، پیستون تعادل و همچنین در دو سر انتهایی شافت قبل از آب‌بندهای مکانیکی، به طور متداول و ساده توسط آب‌بندهای شانه‌ای انجام میگیرد. بیشترین استفاده‌ی این نوع آب بندها در کمپرسور هواست.
آب‌بندهای شانه‌ای
آب بندهای شانه‌ای نسبت به دیگر انواع آب بندها دارای دقت کمتری بوده و بنابراین در جاهایی استفاده میشود که نشت اندکی گاز قابل تحمل است.
اساس کار آب بندهای شانه‌ای ایجاد افت فشار زیاد در مسیر جریان بوده و دقت آب بندی به میزان لقی دندانه‌ها، فاصله‌ی دندانه‌ها، عمق شیارها و فشار گاز بستگی دارد. آب بندهای شانه‌ای ممکن است به صورت ثابت و یا دوار نصب شده باشند، لیکن به طور کلی نوع ثابت آن از نظر تعمیرات و نگهداری ساده تر است. در حالی که API نوع ثابت را توصیه میکند، برخی از سازندگان اروپایی از نوع دوار استفاده میکنند. در نوع ثابت تلاش بر آن است که جنس دندانه‌ها از مواد نرمتری انتخاب شود تا هنگام راه‌اندازی، خاموشی ماشین و یا بروز اشکال از خراشیدگی شافت جلوگیری شود.
به منظور افزایش کارایی آب بندی لبه‌های تیز انها بایستی به سمت فشار بالاتر باشد.
طرح ساده آب‌بندهای شانه‌ای به صورت دندانه‌های یکنواخت ساخته میشود (شکل زیر-قسمت راست تصویر).
برای فشارهای بالاتر ممکن است از نوع متداخل استفاده شود که در قسمت سمت چپ شکل بالا ملاحظه میکنید.
برای بالا بردن کاربری این آب‌بندها و برای انواع گازها سازندگان اصلاحاتی روی آنها انجام میدهند. این اصلاحات در طراحی و کاربرد شامل ایجاد مجراهای ورودی جهت تزریق گاز با فشار کمی بالاتر و یا تخلیه گاز نشتی از بخشی از آب بند به سمت مکش کمپرسور یا نقطه مناسب دیگر است. مواردی نیز وجود دارد که به جای تزریق گاز فشرده از مجرای مربوطه، آن را به دستگاه خلاساز متصل میکنند تا هم گاز نشت یافته و هم فشار اتمسفر از طریق این دریچه تخلیه شود.
نکته‌ای که در اینجا بهتر است یاداوری شود این است که نوع دیگری از رینگهای آب بندی وجود دارد و خیلی شبیه شانه‌ای هاست، در حالی که اساس کار متفاوتی دارد. به طوریکه این رینگ (روغن) برگردان از یک رزوه‌ی مارپیچی تشکیل شده که با دوران شافت در داخل آن همانند پمپی عمل میکند که درجهت عکس سیال نشتی را پس زده و از نشت جلوگیری میکند و آن را به سوی سیستم تخلیه میکند (شکل a).
این رینگ ممکن است به همراه آب‌بندهای دیگر مانند رینگهای کربنی مورد استفاده قرار گرفته و از پاشش روغن به رینگ کربنی و از تشکیل لایه‌های کربنی جلوگیری کند (شکل b).
در نوع پیشرفته‌ای از آب بندهای شانه‌ای به جای استفاده از دندانه‌های رایج از طرح لانه زنبوری استفاده میشود. این نوع آب‌بندها دارای خواص بهینه هیدرودینامیکی بوده و در مواردی که امکان پدید آمدن حالت‌های ناپایدار جریان وجود دارد برای جلوگیری از چنین شرایطی از این آب‌بندها استفاده میشود.
آب‌بندهای انتهای شافت
تمام کمپرسورهای سانتریفیوژ و توربوکمپرسور می باید جهت جلوگیری از نشت گاز یا حداقل‌سازی آن در محلی که شافت از پوسته به بیرون میزند، آب بندی شوند. عواملی که در این آب‌بندی و اجزای آن دخالت دارند شامل فشار، درجه حرارت، خواص روان کنندگی، سایندگی، خورندگی شیمیایی، سمی بودن و قابلیت اشتعال سیال موردنظر و همچنین سرعت دورانی شافت می باشد. به طور کلی آب‌بندهای انتهایی شافت شامل دو گروه هستند:
۱. آب‌بندهای محدودکننده (رینگهای کربنی با لقی یا کلیرانس اندک)
۲. آب‌بندهای دقیق
آب‌بندهای محدودکننده
گروه اول که به آنها بدون تماس یا آب‌بندهای لق نیز گفته میشود، شامل آب‌بندهای شانه‌ای و غلافی است. آب‌بندهای شانه‌ای در بخش آب‌بندی میان مراحل مورد بحث قرار گرفت اما نوع غلافی یا مجموعه‌ای از رینگها دارای دقت آب بندی بالاتری نسبت به شانه‌ای ها هستند. هرکدام از رینگها ممکن است از چند کمان تشکیل شده و توسط فنری کنار هم نگهداشته شوند و یا به صورت یکپارچه درون یک رینگ فلزی قرار گرفته باشند. رینگهای کربنی به علت خاصیت روغن‌کاری و عدم ایجاد آسیب به شافت در صورت تماس، بیشتر رایج هستند و تا دماهای ۳۶۰ درجه سانتیگراد را تحمل میکنند؛ در مواقعی نیز رینگهای فولادی با پوش بابیت، رینگهای برنزی، آلیاژهای آلومینیوم و نقره بکار برده میشوند.
این رینگها همچنین ممکن است ثابت در محفظه‌ی خود و یا شناور باشند؛ این بدان معناست که در امتداد شعاع امکان حرکت و قابلیت هم‌مرکزی با شافت را داشته باشند.
این نوع آب‌بندها برای گازهای نسبتا کثیف و شافت‌های با دور بالا مناسبترند. شکل زیر نمونه‌هایی از دو نوع ثابت و شناور را نشان میدهد:
ممکن است مجراهایی برای تزریق گاز یا تخلیه گاز نشتی همانند نوع شانه‌ای در این آب بندها و در پوسته پیش‌بینی شده باشد.
آب‌بندهای دقیق یا کامل
این آب‌بندها میتواند به طور کامل از نشت گاز به بیرون و یا ورود سیال آب بندی به داخل جریان گاز جلوگیری کند. اینک به نمونه‌هایی از این آب‌بندها میپردازیم که در ماشین‌های دواری چون توربوکمپرسور و کمپرسور اسکرو رایج است.
آب‌بندی با فیلم مایع
یکی از آب بندهای دسته‌ی دوم یا همان آب بندهای دقیق، آب بندی به کمک فیلم روغن (مایع) است. که برای فشارهای بالا مناسب است. چنین آب بندی را در کمپرسور اسکرو بسیار بیشتر از کمپرسور سانترفیوژ مشاهده میکنیم و این از آن روست که میدانیم کمپرسور اسکرو به مراتب بازه‌ی فشار عملیاتی بالاتری دارد.
این طرح دارای برتری هایی چون سادگی و کاهش اجزای دوار در تماس و همچنین نیاز کمتر به تعمیرات و نگهداری است. قابلیت استفاده برای فشارهای بالا و اطمینان بسیار بالا در آب بندی حتی در صورت خرابی رینگها نیز از دیگر مزایای آن است که هزینه‌ی آن تنها استفاده‌ی بیشتر روغن کمپرسور است.
همچنان که در شکل بالا و نمونه‌ی کمپرسور سانترفیوژ روغن‌کاری شده مشاهده میشود، این آب بند دارای دو یا چند غلاف با لایه‌ی بابیت است که حرکت دورانی نداشته و فقط میتواند در امتداد شعاع با جابجایی شافت خود را تنظیم کند. روغن تزریق شده در فشار کمی بالاتر از فار گاز مرجع از طریق لقی یا کلیرانس غلاف‌ها به طرف تخلیه‌های درونی و بیرونی جاری میشود.
روغن عبوری از رینگ درونی از نشت گاز به طرف بیرون جلوگیری میکند. بخش بیشتر روغن تزریق شده از لقی رینگ خارجی عبور کرده و با تحمل افت فشار به حد اتمسفر به مخزن روغن تخلیه میشود.
در مواردی ممکن است از آب‌بندهای شانه‌ای برای جلوگیری از مخلوط شدن روغن آب بندی تخلیه شده با روغن روانکننده استفاده شود.
در نگارش این متن از کتاب کاربرد مهندسی کمپرسور نگارش بایرام گلریز بهره جسته شده است.
آب بندهای مکانیکی
در آب بندهای مکانیکی برخلاف دیگر انواع یادشده تا بدینجا که سطح آب بندی در آنها موازی محور شافت بود، روانکاری عمود بر محور شافت است. اصولا در هر آب بند مکانیکی چهار نقطه بایستی آب بندی شود: شکل.
این چهار نقطه عبارتند از: ۱. محل اتصال محفظه آب بندی به پوسته ۲. مابین رینگ دوار و شافت ۳. مابین رینگ ثابت و محفظه آب بندی ۴. سطوح دینامیکی (محل تماس سطح رینگ ثابت و دوار)
و همچنین اجزای اصلی در هر آب بند مکانیکی را میتوان به ترتیب مقابل دسته بندی کرد: رینگ آب بندی دوار – رینگ آب بندی ثابت – فنر – رینگهای استفاده شده ثابت میان اتصالات
آب بندهای مکانیکی ممکن است از نظر فشار هیدرولیکی اعمال شده به سطح رینگ دوار به صورت متعادل، نامتعادل و نسبتا متعادل ساخته شده و مورد استفاده قرار گیرد.
در آب بند کاملا متعادل تنها نیروی اعمال شده به سطح آب بندی نیروی فنر است شکل زیر مدل‌های ساده ای از این سه نوع طراحی را نشان میدهد.
فشار محفظه آب بندی در انتخاب نوع متعادل و یا غیرمتعادل تعیین کننده است. به طوریکه تا فشار ۷ بار میتوان از نوع نامتعادل و برای بالاتر از‌ان بایستی از آب بندهای متعادل استفاده شود.
سیر تا پیاز کمپرسور ZH 350 اطلس کوپکو توربوکمپرسور یا کمپرسور سانتریفیوژ؟
نوع فنر با توجه به فضای موجود، مشخصه‌های لازم برای بارگذاری و نوع سیال انتخاب میشود. در سال‌های اخیر از نیروی مغناطیسی نیز برای ایجاد تماس موثر بین سطوح رینگهای آب بندی استفاده شده است. مزیت این رینگ مغناطیسی سبک بودن، جمع و جور بودن، ایجاد تماس یکنواخت، سهولت نصب و قابلیت استفاده برای سیالات گوناگون یاد شده است. نمای ساده ای از این طرح در شکل زیر ملاحظه میشود:
در شکل بعدی نوع کاملی از آب بندی مکانیکی نشان داده شده است. این نوع آب بند در آغاز دهه ۵۰ میلادی و برای کمپرسور سانترفیوژ متداول شد. مهمترین مزیت آن توانایی برای آب بندی در صورت توقف ماشین و یا قطع روغن آب بندی بوده و دامنه‌ی کاربرد آن برای فشارهای متوسط تا ۳۲ بار است.
زمانی که کمپرسور متوقف میشود و داخل آن تحت فشار است، عمل آب بندی توسط فشار گاز، در حالی که فشار روغن نیز قطع شده است صورت میگیرد. در شرایط کارکرد دائم فشار روغن در حدود ۳۰ تا ۳۵ psi یا ۲ تا ۲/۵ بار بالاتر از فشار گازی است که باید آب بندی شود. معمولا مقادیری از این روغن (۲ تا ۸ گالن در روز) از طرفین رینگ ساندویچی (رینگ کربنی مابین رینگ ثابت و دوار) نشت کرده به عنوان روغن آلوده شده برای بازیافت تخلیه میشود. قبخش دیگر روغن تحت فشار از طریق خط برگشت به مخزن تخلیه میشود. سرعت دورانی رینگ کربنی بین صفر تا دوری برابر با دور شافت تغییر میکند.
روغن تخلیه شده از سمت بیرون آب بند (روغن تمیز) ممکن است به همراه روغن برگشتی یاتاقان‌های کمپرسور وبه صورت جداگانه به مخزن روغن برگردد که در این صورت به منظور خالص نگهداشتن روغن یاتاقان‌ها استفاده از آب بندهای شانه‌ای و تزریق گاز آب بندی سبب بزرگ شده دهنه‌ی یاتاقان‌ها و پایین آمدن دورهای بحرانی میشود.
آب‌بندی کمپرسور با فیلم گاز (آب بند خودکار)
با توجه به نقص‌ها و مشکلات زیادی که آب بندهای معمولی به همرا متعلقات خود از جمله سیستم روغن آب بندی بروز داده و سبب توقف‌های زیادی در عملیات و تولید میگردند، انگیزه‌ی کاربرد آب‌بندهای خودکار یا فیلم گاز بوجود آمده و در دهه‌ی ۸۰ میلادی به طور موفقیت آمیزی وارد صنعت آب‌بندی در کمپرسور سانتریفیوژ شد. اساس کار آب بندی بر مبنای استفاده از فیلم گاز مابین دو رینگ همانند یاتاقان‌های گازی است. شیارهای شکل زیر ایجاد شده روی رینگ دوار تولید فشار هیدرودینامیکی مابین دو رینگ کرده و نتیجه تعامل فشار هیدروستاتیک (فشار گاز تزریق شده از خروجی کمپرسور یا منبع مستقل دیگر) فشار هیدرودینامیک تعادلی میان دو رینگ را بوجود آورده و آنها را بدون تماس با یکدیگر نگاه میدارد و همچنین از نشت گاز به بیرون جلوگیری میکند.
با توجه به مشخصات فرآیندی، سمی بودن، یا قابلیت اشتعال گاز این آب بندها ممکن است به تنهایی یا به صورت دوتایی مورد استفاده قرار گیرد.
شکل‌های زیر نیز به ترتیب آب‌بند تنها و منفرد و مجموعه‌ی دوتایی پشت سرهم را نشان میدهد. در این آب بندها نیروی فنر سبب فشرده شدن دور رینگ ثابت و دوار به هم در زمان توقف کمپرسور شده و در نتیجه از نشت گاز جلوگیری میشود.
گاز ورودی برای آب بندی از خروجی کمپرسور گرفته شده و بعد از فیلتراسیون با دقت یک دهم نانومتر به محل تماس دورینگ اعمال میشود. به جز مقدار اندکی که وارد کلیرانس مابین دورینگ میشود، بخش عمده‌ی جریان گاز از طریق آب بندهای شانه‌ای به درون کمپرسور برمیگردد. مزیت این آب بندی عدم بکارگیری روغن برای آب بندی و خنک‌کاری و بنابراین خلوص گاز و در مورد کمپرسور هوا، خشک ماندن هوای فشرده حاصله است. این روش آب بندی امکان آب‌بندی تا فشار ۱۵۰۰ psi یا ۱۰۰ بار را دارا بوده و هزینه تعمیرات پایینی دارد.
