Hvordan fungerer en centrifugalkompressor?
Figur 1
i løbet af det første århundrede med centrifugalkompressordesign var ændringer evolutionære. En centrifugalkompressor fra 1900 ligner meget en centrifugalkompressor fremstillet i år 2000 med hensyn til placeringen af kompressionstrin, tætninger, lejer og drivere. I løbet af det århundrede var der nogle endelige designforbedringer. Computermodellering muliggjorde forbedringer i design af løbehjul, og fremskridt inden for fremstilling gav fleksibiliteten til faktisk at fremstille disse løbehjul. I olielejeteknologi muliggjorde vippepadelejer forbedret ydelse i forhold til almindelige journallejer. I tætningsteknologi—hvor gasbærende teknologi virkelig havde sin oprindelse i turboudstyr—blev aerodynamisk lejeteknologi brugt som en meget effektiv berøringsfri tætning, der erstattede oliebaserede tætninger.
men en teknologisk revolution kunne komme, drevet af forbedringer i højhastigheds motor/generator komponenter, høj styrke, høj temperatur materialer og eksternt tryk gas-lejer/sæler. Fordelene ved disse komponenter kan godt kombinere symbiotisk, hvilket giver mulighed for nye maskinarkitekturer, højere hastigheder, tryk, temperaturer og effektivitet.
marts af motorer
forbedringer i elektriske motorer har været ubarmhjertige, hvor hver forbedring reducerer omkostningerne. Direkte drev, højhastighedsmotor / generatorer og controllere muliggør forbedrede effekttætheder, omkostningsstrukturer og pålidelighed, der kan være mere effektive end større, langsommere motorer og step-Up gearkasser. Som i andre industrier, som maskinværktøjsindustrien, hvor integrerede motorspindler har fjernet bælter, koblinger, gear og relative justeringer, kommer motorer tættere på det arbejde, der udføres.
figur 2
materialer går monolitisk
de næste to årtier vil sandsynligvis også muliggøre udvikling i materialer. Keramiske matrikskompositter (CMC ‘ er) og kulstof/kulstofkompositmaterialer, som er materialer med høj temperatur, der oprindeligt er udviklet til applikationer i raketdyser og bremseskiver til Formel 1-biler, finder vej ind i højhastighedsrotorapplikationer.
CMC ‘ er blev først brugt i gasturbiner som kraftturbineblade; de var i stand til at overskride temperaturbegrænsningerne for metalblade, hvilket tillod højere temperaturer og forbedret turbineeffektivitet. Disse er også de tidlige dage af super kritisk CO2 og Brayton cyklus for elproduktion. I fremtiden kunne Brayton-cyklussen, der i vid udstrækning blev udviklet til militæret på grund af dens 10 gange effekttæthed over Rankine-cyklusser, blive almindelig. Dette kan føre til meget kompakte gasfodrede kraftværker, der kunne tillades tæt på efterspørgselscentre og passer til en ny “distribueret elproduktionsmodel”. CMC-materialer vil være vigtige for at løse erosionsproblemer i skovlhjul med høj energitæthed.
anvendes som tørgasforseglingsflader (DGS), CMC ‘ er har styrken og temperaturstabiliteten af de mere almindeligt anvendte siliciumcarbidflader, men er ikke sprøde og vil derfor ikke knuse katastrofalt. Disse materialer vil tilbyde andre designforbedringer for rotorer og statorer, som evnen til at øge eller mindske termisk ekspansion og ledningsevne.
isoleringsegenskaber som dem af space shuttle heat shield fliser vil blive vigtige i strukturelle komponenter, da drevet til højere effektivitet i elproduktion fører til højere og højere temperaturer. Da turbiner og kompressorer bliver så meget mindre, når hastighederne stiger, bliver kompositkeramik praktisk til strukturelle komponenter som rotorer og statorer også.
gasbærende teknologi kunne også hente de materielle fremskridt, hvilket muliggør varmdybet drift. Det betyder, at der kan være oliefri gaslejer, der fungerer på procesgasser og ved procestemperaturer, så lejerne kan bevæge sig fra enderne af akslerne til en position inde i det forseglede område, selv direkte mellem eller på løbehjul. Lejerne kan placeres, hvor arbejdet udføres i kompressoren. Dette ville være en revolutionerende ændring i rotordynamik, men kun begyndelsen på det potentielle paradigmeskift i kompressordesign.
figur 3
men først, tilbage til lejerne
i de første år af det enogtyvende århundrede, Bently trykbærende Co. indført eksternt tryk lejer med høj enhed belastning og nul-friktion starter og stopper. Læsere kan være bekendt med Don Bently som den første til at anvende hvirvelstrømsprober i undersøgelsen af roterende udstyr. Disse Sonder tillod ham at” se ” tilstandsformer af fleksible rotorer. Bently Nevada Corp. blev født ud af denne vision.
efter at have solgt Bently Nevada til GE i 2002 grundlagde Bently det Bently trykbærende selskab. Han ønskede at tilbyde løsninger på de grundlæggende problemer, han havde oplevet inden for rotordynamik. “Tryklejeteknologi er bestemt til at være lige så indflydelsesrig som hvirvelstrømssonden i revolutionering af roterende maskiner,” sagde han.
eksternt tryklejer var bestemt lovende og kombinerede fordelene ved olie, folie og magnetiske lejer. En fordel, som Bentley var hurtig til at påpege, er, at indgangstrykket til lejet har et direkte forhold til stivhed og dæmpning. Dette giver mulighed for at indstille lejekoefficienter, mens maskinen er i drift, som med magnetiske lejer.
desværre for Bently brugte han åbningskompensation. Kompensation er begrænsning af strømmen ind i lejespalten og et definerende kendetegn ved hydro-eller aerostatiske lejer. For at få pres for jævnt at fordele i et tyndt lejespalte, når det udsender fra et lille hul, er det ikke let. Når afstanden bliver for lille, strømmer området omkring åbningen til resten af ansigtet, hvilket forårsager sammenbrud af luftfilmen, hvilket resulterer i kontakt.
der er en mere elegant type kompensation. I stedet for begrænsningen af en åbning indføres trykket i spalten gennem et porøst materiale. Gastrykket bløder ud af millioner af små huller på tværs af lejets fulde overflade og virker på tælleroverfladen som enden af en ikke-kontakt hydraulisk cylinder. Grafit og kulstof, naturligt porøst og velkendt for turboindustrier, var de første porøse materialer, der blev anvendt som kompensation i eksternt tryk porøse (EPP) gaslejer. Teknologien tilbyder turbo industries oliefri lejer med nul friktion, der kan tage de store belastninger af olielejer, temperatur ekstremer af folie lejer, og har justerbarhed udefra maskinen som magnetiske lejer.
tætningsafdelingen ved Flydeserve var en af de første, der anerkendte fordelene ved EPP—gaslejer, men—interessant nok-som tætninger, ikke lejer. Det høje tryk, der skabes i luftbærende huller, er en umulig barriere for enhver gas ved et lavere tryk. Tætningerne, der er under udvikling nu, tillader meget pålidelige tørgasforseglinger i flerfasekompression, da intet strømmer over tætningsfladen fra processiden. Fordi gaslejerne er enkle og billige i forhold til DGSs og arbejder ved 0 omdr. / min., vil Flydeserve og andre være i stand til at tilbyde gasbærende tætningsteknologi til mange flere applikationer økonomisk.
så er det en tætning eller er det et leje? Hydrodynamiske tryklejer er segmenteret i puder, så der er forkanter til udvikling af oliekile. Ingen ingeniør ville overveje dette for en tætning på grund af de store radiale huller. Men et EPP-stødflade er et kontinuerligt 360-graders ansigt. Det ligner et DGS-ansigt, og fordi trykket altid er højest i EPP-kløften, er det allerede en forsegling. Så i straight-Through kompressorer med EPP-tryklejet, der virker på drevenden, kan området på trykløberen reagere på trykbelastningerne, samtidig med at det tjener som DGS.
en anden fordel, som Bently ville have været sikker på at påpege, er, at ved at kombinere trykleje, DGS og balancestempel i det samme aksiale rum, bliver rotoren kortere og stivner på en terningfunktion, hvilket dramatisk forbedrer rotordynamikken og reducerer de krævede frirum.
stadig er den lange aksel gennem kompressionstrinnene det svage led. Der er behov for store frirum mellem statoren og rotoren for at tage højde for udflugter af akslen ved kritiske hastigheder, fremstillingstolerancer og for akselens termiske vækst.
strømning gennem et hul er en kubisk funktion af hullet, så reduktion af køreafstand mellem statorer og løbehjul er en lavhængende frugt til forbedring af kompressoreffektiviteten.
med højhastighedsmotorer integreret direkte i hvert løbehjulstrin, og hvert løbehjul understøttet på sit eget gasleje/tætninger, kunne de spindes ved højere hastigheder som en stiv krop med stramme frirum. Derudover kunne hvert trin roteres uafhængigt ved dets mest effektive omdrejningstal for kompressoren som et system. Dette ville virkelig være begyndelsen på en ny tidsalder inden for centrifugalkompressordesign.
EKSPANDERREVOLUTION
i en ekspander/kompressor (se figur 1) med modstående trin på den samme aksel er det nuværende paradigme at understøtte akslen på olielejer nær midten og nå gennem olietætninger, derefter labyrintforseglinger, og til sidst understøtter akslen impeller, som skal have betydelige aksiale og radiale frirum ved deres omkreds, hvor de udfører det meste af deres arbejde. Dette gøres for at tage højde for rotordynamik og andre bevægelser af akslen, som ikke kan være meget stiv, da aksellængden fra lejer til impeller er et multiplum af dens diameter. Dette design er også kompliceret af behovet for olie, som ændrer viskositeten med temperaturen.
den næste designændring i udvidere kunne eliminere de konventionelle olielejer og erstatte dem med gaslejer, der understøtter pumpehjulene og giver tætning direkte på bagsiden af pumpehjulet (se figur 2). Dette ville muliggøre dramatisk forkortelse af akslen. Lejet / tætningerne kunne fungere på procesgasser, damp eller ved kryogene temperaturer. Omkostningseffektivitet og enkelhed af dette design kunne gøre energigenvinding mere økonomisk.
i figur 3 er der ikke længere en roterende aksel, i stedet er drivhjulets ID udstyret med permanente magneter, og spoler er anbragt i den stationære centerstift og drejer motoren/generatoren indvendigt ud. Høj relativ overfladehastighed var ledende til højspændings dc-generation.
højspændings dc-generering skrider frem og passer med tendensen inden for højspændings -, jævnstrømstransmission (HVDC). Højhastighedsmotorer og generatorer kunne bytte strøm gennem lokale HVDC-mikrogitter med mere fleksibilitet end fysisk at binde ekspansion til kompression gennem en rotor.
dette er en vision om motorer og materialer, der samarbejder med gaslejer og tætninger under tryk for at køre tættere på det arbejde, der udføres, men der er stadig mindst et trin tilbage. Motorer og lejer er stadig separate elementer, der optager separat plads i kompressoren. Det vil sige, indtil det er klar over, at neodymmagneter er porøse og kan laves til et aerostatisk lejeelement. Ja, motoren kunne være lejet, også!
permanente magneter i motorer kunne blive de gasbærende overflader så snart som 2020. Effektiviteten og effekten af en permanent magnetmotor eller generator kunne øges ved at minimere afstanden mellem spolerne og magneterne. Gasbærende teknologi er vejen til pålideligt at reducere denne clearance. Kombinationen af motor og lejer ville skabe samlinger, der er kortere og lettere, end hvis motor-og lejeelementerne forbliver separate komponenter. Dette ville være den første oplevelse med samme krop for den elektriske og mekaniske ingeniør, og det ultimative inden for designingeniørens fortsatte drev for at opnå mere funktionalitet på mindre plads, i det mindste for nu.
om forfatteren
trak Devitt er grundlægger og formand for nye måde luft lejer. Bently lejer, ved ny måde Luftlejer, er rettet mod roterende udstyr, både små, højhastigheds maskiner, hvor de erstatter folie eller rullende element lejer og store turbiner, motorgeneratorer, kompressorer, (hvor de erstatter olie hydrodynamiske eller magnetiske lejer). Besøg Bently lejer i stand 1315 på 2018 Turbomachinery og pumpe symposier.
_______________________________________________________
moderne pumpning i dag, August 2018
har du nyde denne artikel?
Abonner på den gratis digitale udgave af moderne Pumping today magasin!