• Articles
• admin

Obrázek 1

během prvního století návrhu odstředivého kompresoru byly změny evoluční. Odstředivý kompresor z roku 1900 vypadá velmi podobně jako odstředivý kompresor vyrobený v roce 2000 s ohledem na umístění kompresních stupňů, těsnění, ložisek a řidičů. Během tohoto století došlo k určitým definitivním vylepšením designu. Počítačové modelování umožnilo zlepšení konstrukce oběžných kol, a pokroky ve výrobě poskytly flexibilitu pro skutečnou výrobu těchto oběžných kol. V technologii olejových ložisek umožnila ložiska s naklápěcími podložkami lepší výkon oproti ložiskům s kluznými čepy. V technologii těsnění-kde technologie plynových ložisek skutečně měla svůj původ v turbo zařízení-byla technologie aerodynamických ložisek použita jako velmi účinné bezkontaktní těsnění, nahrazující těsnění na bázi oleje.

ale mohla by přijít technologická revoluce, poháněná vylepšeními vysokorychlostních součástí motoru/generátoru, vysoce pevných, vysokoteplotních materiálů a externě tlakových plynových ložisek/těsnění. Výhody těchto komponent se mohou symbioticky kombinovat, což umožňuje nové architektury strojů, vyšší rychlosti, tlaky, teploty a účinnost.

pochod motorů

zlepšení elektromotorů byla neúprosná, přičemž každé zlepšení snižovalo náklady. Přímý pohon, vysokorychlostní motor / generátory a regulátory umožňují lepší hustotu výkonu, strukturu nákladů a spolehlivost, která může být účinnější než větší, pomalejší motory a stupňovité převodovky. Stejně jako v jiných průmyslových odvětvích, jako je průmysl obráběcích strojů, kde integrální motorová vřetena eliminovala pásy, spojky, ozubená kola, a relativní zarovnání, motory se přibližují k provedené práci.

Obrázek 2

materiály jít monolitické

v příštích dvou desetiletích bude pravděpodobně vidět umožňující vývoj v materiálech také. Keramické maticové kompozity (CMC) a uhlíkové / uhlíkové kompozitní materiály, což jsou vysokoteplotní materiály původně vyvinuté pro aplikace v raketových tryskách a brzdových kotoučích pro automobily Formule 1, si najdou cestu do vysokorychlostních rotorových aplikací.

CMC byly poprvé použity v plynových turbínách jako lopatky výkonových turbín; byly schopny překročit teplotní omezení kovových lopatek, což umožnilo vyšší teploty a lepší účinnost turbín. To jsou také počátky superkritického CO2 a Braytonova cyklu pro výrobu energie. V budoucnu, Braytonův cyklus, vyvinutý převážně pro armádu kvůli jeho 10x hustotě výkonu v rankinových cyklech, by se mohl stát běžným. To by mohlo vést k velmi kompaktním plynovým elektrárnám, které by mohly být povoleny v blízkosti poptávkových Center a zapadají do nového modelu“ distribuované výroby energie“. Materiály CMC budou důležité při řešení problémů s erozí u oběžných kol s vysokou hustotou energie.

Používá se jako suché plynové těsnění (DGS), CMC mají pevnost a teplotní stabilitu běžněji používaných ploch karbidu křemíku, ale nejsou křehké, a proto se katastroficky nerozpadnou. Tyto materiály by nabídly další konstrukční vylepšení rotorů a statorů, jako je schopnost zvýšit nebo snížit tepelnou roztažnost a vodivost.

izolační vlastnosti, jako jsou dlaždice tepelného štítu raketoplánu, se stanou důležitými v konstrukčních součástech, protože pohon pro vyšší účinnost při výrobě energie vede k vyšším a vyšším teplotám. Protože turbíny a kompresory se s rostoucí rychlostí zmenšují, kompozitní keramika se stává praktickou i pro konstrukční prvky, jako jsou rotory a statory.

technologie plynových ložisek by mohla vyzvednout i pokroky materiálu, což by umožnilo provoz ponořený za tepla. To znamená, že na procesních plynech a při procesních teplotách mohou pracovat ložiska bez oleje, což umožňuje ložiskům pohybovat se z konců hřídelí do polohy uvnitř utěsněné oblasti, dokonce přímo mezi oběžnými koly nebo na nich. Ložiska mohou být umístěna tam, kde se práce provádí v kompresoru. To by byla revoluční změna rotordynamiky, ale pouze začátek potenciálního posunu paradigmatu v konstrukci kompresoru.

obrázek 3

ale nejprve, zpět k ložiskům

v prvních letech jednadvacátého století, Bently tlakové ložisko Co. zavedená externě tlaková ložiska s vysokým zatížením jednotky a startem a zastavením s nulovým třením. Čtenáři mohou být obeznámeni s Donem Bentlym jako prvním, kdo použil sondy s vířivými proudy při studiu rotačních zařízení. Tyto sondy mu umožnily“ vidět “ tvary pružných rotorů. Bently Nevada Corp. se zrodila z této vize.

po prodeji Bently Nevada společnosti GE v roce 2002 založil Bently tlakovou ložiskovou společnost. Chtěl nabídnout řešení základních problémů, které zažil v rotordynamice. „Technologie tlakových ložisek má být stejně vlivná jako sonda s vířivými proudy v revoluci rotujících strojů,“ řekl.

externě tlaková ložiska byla jistě slibná a kombinovala výhody olejových, fóliových a magnetických ložisek. Výhodou, na kterou Bentley rychle upozornil, je, že vstupní tlak na ložisko má přímý vztah k tuhosti a tlumení. To dává schopnost naladit ložiskové koeficienty, když je stroj v provozu, jako u magnetických ložisek.

bohužel pro Benty používal kompenzaci clony. Kompenzace je omezení průtoku do ložiskové mezery a definující charakteristika vodních nebo aerostatických ložisek. Chcete-li získat tlak na rovnoměrné rozložení v tenké ložiskové mezeře, když se vydává z malého otvoru, není snadné. Když je mezera příliš malá, oblast kolem otvoru tlumivky proudí do zbytku obličeje, což způsobuje zhroucení vzduchového filmu, což má za následek kontakt.

existuje elegantnější Typ kompenzace. Namísto omezení otvoru se tlak zavádí do mezery porézním materiálem. Tlak plynu vyteká z milionů malých otvorů po celé ploše ložiska a působí na protipovodňový povrch jako konec bezkontaktního hydraulického válce. Grafit a uhlík, přirozeně porézní a známé turbo průmyslu, byly první porézní materiály používané jako kompenzace v externě tlakových porézních (EPP) plynových ložisek. Tato technologie nabízí ložiska bez oleje turbo industries s nulovým třením, která mohou nést vysoké zatížení olejových ložisek, teplotní extrémy fóliových ložisek a mají nastavitelnost zvenčí stroje, jako jsou magnetická ložiska.

divize těsnění ve Flowserve byla jednou z prvních, která rozpoznala výhody plynových ložisek EPP, ale—zajímavě-jako těsnění, nikoli ložiska. Vysoký tlak vytvořený ve vzduchových ložiskových mezerách je nemožnou bariérou pro jakýkoli plyn při nižším tlaku. Těsnění ve vývoji nyní, umožní velmi spolehlivé suché plynové těsnění ve vícefázové kompresi, protože nic teče přes tvář těsnění ze strany procesu. Vzhledem k tomu, že plynová ložiska jsou jednoduchá a levná ve srovnání s DGSs a pracují při 0 ot / min, Flowserve a další budou schopni nabídnout technologii těsnění plynových ložisek do mnoha dalších aplikací ekonomicky.

takže je to těsnění nebo je to ložisko? Hydrodynamická axiální ložiska jsou rozdělena do destiček, takže existují náběžné hrany pro vývoj olejového klínu. Žádný inženýr by to nepovažoval za těsnění kvůli velkým radiálním mezerám. Ale EPP tahová plocha je souvislá 360 stupňová Plocha. Vypadá to jako tvář DGS, a protože tlak je vždy nejvyšší v mezeře EPP, je to již těsnění. Takže v přímých kompresorech s axiálním ložiskem EPP působícím na konec pohonu, oblast na tahovém běžci mohla reagovat na axiální zatížení a zároveň sloužit jako DGS.

další výhodou, na kterou by Bently jistě poukázal, je to, že kombinací axiálního ložiska, DGS a vyrovnávacího pístu ve stejném axiálním prostoru se rotor zkracuje a ztuhne na funkci krychle, což dramaticky zlepšuje dynamiku rotoru a snižuje požadované vůle.

přesto je dlouhá hřídel přes kompresní stupně slabým článkem. Mezi statorem a rotorem jsou zapotřebí velké vůle, aby se zohlednily výlety hřídele při kritických rychlostech, výrobních tolerancích a tepelném růstu hřídele.

průtok mezerou je krychlovou funkcí mezery, takže snížení jízdních vzdáleností mezi statory a oběžnými koly je nízko zavěšené ovoce pro zlepšení účinnosti kompresoru.

s vysokorychlostními motory integrovanými přímo do každého stupně oběžného kola a každým oběžným kolem podepřeným vlastním plynovým ložiskem / těsněním by se mohly otáčet při vyšších rychlostech jako tuhé těleso s těsnými vůlemi. Dodatečně, každý stupeň lze otáčet nezávisle na svých nejúčinnějších otáčkách za minutu pro kompresor jako systém. To by skutečně bylo úsvitem nového věku v konstrukci odstředivých kompresorů.

otáčky expandéru

v expandéru/kompresoru (viz obrázek 1) s protilehlými stupni na stejném hřídeli je současným paradigmatem podpora hřídele na olejových ložiscích poblíž středu, dosahující olejovými těsněními, poté labyrintovými těsněními a nakonec hřídel podporuje oběžná kola, která musí mít významné axiální a radiální vůle na svých obvodech, kde vykonávají většinu své práce. To se provádí za účelem zohlednění rotordynamiky a dalších pohybů hřídele, které nemohou být velmi tuhé, protože délka hřídele od ložisek po oběžná kola je násobkem jeho průměru. Tato konstrukce je také komplikována potřebou oleje, který mění viskozitu s teplotou.

další konstrukční změna expandérů by mohla odstranit konvenční olejová ložiska a nahradit je plynovými ložisky, která podporují oběžná kola a zajišťují utěsnění přímo na zadní straně oběžného kola (viz obrázek 2). To by umožnilo dramaticky zkrátit hřídel. Ložisko / těsnění může pracovat na procesních plynech, páře nebo při kryogenních teplotách. Nákladová efektivita a jednoduchost tohoto návrhu by mohly zvýšit úsporu energie.

na obrázku 3 již není otočný hřídel, místo toho je ID oběžného kola vybaveno permanentními magnety a cívky jsou uspořádány ve stacionárním středovém kolíku a otáčejí motor/generátor naruby. Vysoká relativní rychlost povrchu byla vodivá pro vysokonapěťové stejnosměrné generování.

vysokonapěťová stejnosměrná generace postupuje a odpovídá trendu přenosu vysokého napětí, stejnosměrného proudu (HVDC). Vysokorychlostní motory a generátory by mohly vyměňovat energii prostřednictvím místních mikro sítí HVDC s větší flexibilitou než fyzické vázání expanze na kompresi rotorem.

Toto je vize motorů a materiálů spolupracujících s tlakovými plynovými ložisky a těsněními, aby se přiblížily k provedené práci, ale stále zbývá alespoň jeden krok. Motory a ložiska jsou stále samostatnými prvky, které zabírají samostatný prostor v kompresoru. To znamená, že dokud se neuvědomí, že Neodymové magnety jsou porézní a mohou být vyrobeny do aerostatického ložiskového prvku. Ano, motor by mohl být také ložiskem!

permanentní magnety v motorech by se mohly stát plynovými ložiskovými plochami již v roce 2020. Účinnost a výkon motoru nebo generátoru s permanentním magnetem lze zvýšit minimalizací vzdálenosti mezi cívkami a magnety. Technologie plynových ložisek je způsob, jak spolehlivě snížit tuto vůli. Kombinace motoru a ložisek by vytvořila sestavy, které jsou kratší a lehčí, než kdyby motor a ložiskové prvky zůstaly samostatnými součástmi. To by byla první zkušenost se stejným tělem pro Elektrotechnika a strojního inženýra, a konečný v pokračující snaze konstruktéra dosáhnout více funkčnosti v menším prostoru, alespoň prozatím.

o autorovi

Drew Devitt je zakladatelem a předsedou společnosti New Way Air Bearings. Ložiska Bently, novým způsobem vzduchová ložiska, jsou zaměřena na rotační zařízení, a to jak malé, vysokorychlostní stroje, kde nahrazují ložiska fólie nebo valivých prvků, tak velké turbíny, generátory motorů, kompresory (kde nahrazují olejová hydrodynamická nebo magnetická ložiska). Navštivte Bently Bearings v kabině 1315 na sympoziu 2018 Turbomachinery and Pump Symposia.

_______________________________________________________
moderní čerpání dnes, srpen 2018
líbilo se vám tento článek?
přihlaste se k bezplatnému digitálnímu vydání časopisu Modern Pumping Today!