¿Cómo Funciona un Compresor Centrífugo?
Figura 1
Durante el primer siglo de diseño de compresores centrífugos, los cambios fueron evolutivos. Un compresor centrífugo de 1900 se parece mucho a un compresor centrífugo fabricado en el año 2000 en lo que respecta a la ubicación de las etapas de compresión, sellos, rodamientos y conductores. Durante ese siglo, hubo algunas mejoras de diseño definitivas. El modelado por computadora permitió mejoras en el diseño de los impulsores, y los avances en la fabricación proporcionaron la flexibilidad para fabricar realmente esos impulsores. En la tecnología de cojinetes de aceite, los cojinetes de cojinetes basculantes permitieron un mejor rendimiento sobre los cojinetes de cojinetes lisos. En la tecnología de sellos, donde la tecnología de cojinetes de gas realmente tuvo su génesis en los equipos turbo, la tecnología de cojinetes aerodinámicos se utilizó como un sello sin contacto muy efectivo, reemplazando los sellos a base de aceite.
Pero podría venir una revolución tecnológica, impulsada por mejoras en componentes de motores/generadores de alta velocidad, materiales de alta resistencia y alta temperatura y rodamientos/sellos de gas a presión externa. Las ventajas de estos componentes pueden combinarse simbióticamente, lo que permite nuevas arquitecturas de máquinas, velocidades, presiones, temperaturas y eficiencias más altas.
MARCH OF MOTORS
Las mejoras en los motores eléctricos han sido implacables, y cada mejora ha reducido los costos. Los motores/generadores y controladores de accionamiento directo y alta velocidad permiten densidades de potencia, estructuras de costos y confiabilidad mejoradas que pueden ser más efectivas que los motores más grandes y lentos y las cajas de engranajes elevables. Al igual que en otras industrias, como la industria de máquinas herramienta, donde los husillos integrales de motores han eliminado correas, acoplamientos, engranajes y alineaciones relativas, los motores se están acercando al trabajo que se está realizando.
Figura 2
LOS MATERIALES PASAN A SER MONOLÍTICOS
Es probable que en las próximas dos décadas también se produzcan desarrollos favorables en los materiales. Los compuestos de matriz cerámica (CMC) y los materiales compuestos de carbono/carbono, que son materiales de alta temperatura desarrollados originalmente para aplicaciones en boquillas de cohetes y discos de freno para automóviles de Fórmula 1, se abrirán paso en aplicaciones de rotor de alta velocidad.
Los CMC se utilizaron por primera vez en turbinas de gas como palas de turbina de potencia; fueron capaces de superar las limitaciones de temperatura de las palas de metal, lo que permitió temperaturas más altas y una mayor eficiencia de la turbina. Estos son también los primeros días del CO2 súper crítico y el Ciclo de Brayton para la generación de energía. En el futuro, el Ciclo de Brayton, desarrollado en gran parte para los militares debido a su densidad de potencia de 10 veces sobre los ciclos de Rankine, podría convertirse en común. Esto podría conducir a centrales eléctricas alimentadas con gas muy compactas que podrían permitirse cerca de los centros de demanda y encajar con un nuevo modelo de «generación de energía distribuida». Los materiales CMC serán importantes para resolver problemas de erosión en impulsores de alta densidad de energía.
Utilizados como caras de sello de gas seco (DGS), los CMC tienen la resistencia y la estabilidad de temperatura de las caras de carburo de silicio más utilizadas, pero no son frágiles y, por lo tanto, no se romperán catastróficamente. Estos materiales ofrecerían otras mejoras de diseño para rotores y estatores, como la capacidad de aumentar o disminuir la expansión térmica y la conductividad.
Las propiedades aislantes como las de las placas de protección térmica del transbordador espacial serán importantes en los componentes estructurales, ya que el impulso para una mayor eficiencia en la generación de energía conduce a temperaturas cada vez más altas. Debido a que las turbinas y los compresores se vuelven mucho más pequeños a medida que aumentan las velocidades, las cerámicas compuestas también se vuelven prácticas para componentes estructurales, como rotores y estatores.
La tecnología de transporte de gas también podría recoger los avances del material, lo que permite la operación en inmersión en caliente. Esto significa que podría haber rodamientos de gas sin aceite que funcionen en gases de proceso y a temperaturas de proceso, lo que permitiría que los rodamientos se movieran desde los extremos de los ejes a una posición dentro del área sellada, incluso directamente entre o sobre los impulsores. Los rodamientos se pueden colocar en el lugar donde se realiza el trabajo en el compresor. Este sería un cambio revolucionario en la rotordinámica, pero solo el comienzo del cambio de paradigma potencial en el diseño de compresores.
Figura 3
PERO PRIMERO, de VUELTA A LOS RODAMIENTOS
En los primeros años del siglo xxi, Bently Presurizado Bearing Co. se introdujeron rodamientos presurizados externamente con alta carga unitaria y arranques y paradas de cero fricción. Los lectores pueden estar familiarizados con Don Bently como el primero en aplicar sondas de corrientes de foucault en el estudio de equipos rotativos. Estas sondas le permitieron «ver» formas de modo de rotores flexibles. Bently Nevada Corp nació fuera de esta visión.
Después de vender Bently Nevada a GE en 2002, Bently fundó la Empresa de rodamientos a presión Bently. Quería ofrecer soluciones a los problemas fundamentales que había experimentado en rotordinámica. «La tecnología de rodamientos presurizados está destinada a ser tan influyente como la sonda de corrientes de foucault en la revolución de la maquinaria giratoria», dijo.
Los rodamientos presurizados externamente eran ciertamente prometedores, combinando las ventajas del aceite, la lámina y los rodamientos magnéticos. Una ventaja que Bentley se apresuró a señalar es que la presión de entrada en el rodamiento tiene una relación directa con la rigidez y la amortiguación. Esto permite ajustar los coeficientes de los rodamientos mientras la máquina está en funcionamiento, como ocurre con los rodamientos magnéticos.
Desafortunadamente para Bently, estaba usando compensación de orificios. La compensación es la restricción del flujo en el hueco del rodamiento y una característica definitoria de los rodamientos hidráulicos o aerostáticos. Conseguir que la presión se distribuya uniformemente en un espacio de rodamiento delgado cuando se emite desde un orificio pequeño no es fácil. Cuando el espacio se hace demasiado pequeño, el área alrededor del orificio se ahoga y fluye hacia el resto de la cara, causando el colapso de la película de aire, lo que resulta en contacto.
Hay un tipo de compensación más elegante. En lugar de la restricción de un orificio, la presión se introduce en el hueco a través de un material poroso. La presión del gas se desangra de millones de pequeños orificios en toda la cara del rodamiento y actúa sobre la superficie del mostrador como el extremo de un cilindro hidráulico sin contacto. El grafito y el carbono, naturalmente porosos y familiares para las industrias turbo, fueron los primeros materiales porosos empleados como compensación en rodamientos de gas porosos a presión externa (EPP). La tecnología ofrece rodamientos sin aceite de turbo industries con cero fricción que pueden soportar las altas cargas de los rodamientos de aceite, las temperaturas extremas de los rodamientos de lámina y tienen capacidad de ajuste desde el exterior de la máquina, como los rodamientos magnéticos.
La división de sellos de Flowserve fue una de las primeras en reconocer las ventajas de los rodamientos de gas EPP, pero, curiosamente, como sellos, no rodamientos. La alta presión creada en los huecos de los cojinetes de aire es una barrera imposible para cualquier gas a una presión más baja. Los sellos en desarrollo ahora, permitirán sellos de gas seco muy confiables en compresión multifásica, ya que nada fluye a través de la cara del sello desde el lado del proceso. Debido a que los cojinetes de gas son simples y de bajo costo en comparación con los DGSs y funcionan a 0 RPM, Flowserve y otros podrán ofrecer tecnología de sellado de cojinetes de gas en muchas más aplicaciones de manera económica.
Entonces, ¿es un sello o es un rodamiento? Los rodamientos axiales hidrodinámicos están segmentados en almohadillas para que haya bordes de ataque para el desarrollo de cuñas de aceite. Ningún ingeniero consideraría esto como un sello debido a los grandes huecos radiales. Pero una cara de empuje EPP es una cara continua de 360 grados. Parece una cara de DGS, y debido a que la presión siempre es más alta en el hueco de EPP, ya es un sello. Por lo tanto, en los compresores rectos con el cojinete de empuje EPP que actúa en el extremo de transmisión, el área en el corredor de empuje podría reaccionar a las cargas de empuje, al tiempo que sirve como un DGS.
Otra ventaja que Bently seguramente habría señalado es que al combinar el cojinete de empuje, el DGS y el pistón de equilibrio en el mismo espacio axial, el rotor se acorta y se endurece en una función de cubo, mejorando drásticamente la dinámica del rotor y reduciendo los espacios libres requeridos.
Aún así, el eje largo a través de las etapas de compresión es el eslabón débil. Se necesitan grandes espacios entre el estator y el rotor para tener en cuenta las desviaciones del eje a velocidades críticas, las tolerancias de fabricación y el crecimiento térmico del eje.
El flujo a través de un espacio es una función cúbica del espacio, por lo que reducir las holguras entre los estatores y los impulsores es un fruto de baja suspensión para mejorar la eficiencia del compresor.
Con motores de alta velocidad integrados directamente en cada etapa del impulsor, y cada impulsor apoyado en su propio cojinete de gas / sellos, podrían girarse a velocidades más altas como un cuerpo rígido con espacios reducidos. Además, cada etapa se podía girar de forma independiente a sus RPM más eficientes para el compresor como sistema. Este sería realmente el comienzo de una nueva era en el diseño de compresores centrífugos.
REVOLUCIÓN DEL EXPANSOR
En un expansor / compresor (ver figura 1) con etapas opuestas en el mismo eje, el paradigma actual es apoyar el eje sobre cojinetes de aceite cerca del centro, llegando a través de sellos de aceite, luego sellos laberínticos y, finalmente, los impulsores de soporte del eje, que necesitan tener holguras axiales y radiales significativas en sus perímetros donde están haciendo la mayor parte de su trabajo. Esto se hace para tener en cuenta la rotordinámica y otros movimientos del eje, que no pueden ser muy rígidos, ya que la longitud del eje desde los cojinetes hasta los impulsores es un múltiplo de su diámetro. Este diseño también se complica por la necesidad de aceite, que cambia la viscosidad con la temperatura.
El siguiente cambio de diseño en los expansores podría eliminar los rodamientos de aceite convencionales y reemplazarlos por rodamientos de gas que soportan los impulsores y proporcionan sellado directamente en la parte posterior del impulsor (consulte la figura 2). Esto permitiría acortar drásticamente el eje. Los cojinetes / sellos podrían funcionar en gases de proceso, vapor o a temperaturas criogénicas. La rentabilidad y la simplicidad de este diseño podrían hacer que la recuperación de energía fuera más económica.
En la figura 3, ya no hay un eje giratorio, sino que el ID del impulsor está equipado con imanes permanentes y las bobinas están dispuestas en el pasador central estacionario, girando el motor/generador de adentro hacia afuera. La alta velocidad relativa de la superficie conducía a la generación de CC de alto voltaje.
La generación de CC de alto voltaje está avanzando y se ajusta a la tendencia de la transmisión de corriente continua de alto voltaje (HVDC). Los motores y generadores de alta velocidad podrían intercambiar energía a través de microredes HVDC locales con más flexibilidad que vincular físicamente la expansión a la compresión a través de un rotor.
Esta es una visión de motores y materiales que cooperan con cojinetes y sellos de gas presurizados para conducir más cerca del trabajo que se está realizando, pero aún queda al menos un paso. Los motores y los rodamientos siguen siendo elementos separados, ocupando espacio separado en el compresor. Es decir, hasta que se da cuenta de que los imanes de neodimio son porosos y se pueden convertir en un elemento de soporte aerostático. ¡Sí, el motor también podría ser el cojinete!
Los imanes permanentes en los motores podrían convertirse en las superficies de soporte de gas tan pronto como 2020. La eficiencia y la potencia de un motor o generador de imanes permanentes se podrían aumentar al minimizar la distancia entre las bobinas y los imanes. La tecnología de cojinetes de gas es la forma de reducir de forma fiable esta holgura. La combinación de motor y rodamientos crearía conjuntos más cortos y ligeros que si los elementos del motor y del rodamiento permanecieran como componentes separados. Esta sería la primera experiencia con el mismo cuerpo para el ingeniero eléctrico y el mecánico, y lo último en el impulso continuo del ingeniero de diseño para lograr más funcionalidad en menos espacio, al menos por ahora.
SOBRE EL AUTOR
Drew Devitt es el fundador y presidente de New Way Air Bearings. Los rodamientos inclinados, por New Way Air Bearings, están dirigidos a equipos rotativos, tanto máquinas pequeñas de alta velocidad donde reemplazan rodamientos de aluminio o elementos rodantes como turbinas grandes, generadores de motores, compresores (donde reemplazan rodamientos hidrodinámicos o magnéticos de aceite). Visite los rodamientos inclinados en el stand 1315 en los Simposios de Turbomaquinaria y Bombas de 2018.
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MODERNA de BOMBEO de HOY, agosto de 2018
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