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Figure 1

Au cours du premier siècle de la conception des compresseurs centrifuges, les changements ont été évolutifs. Un compresseur centrifuge de 1900 ressemble beaucoup à un compresseur centrifuge fabriqué en l’an 2000 en ce qui concerne l’emplacement des étages de compression, des joints, des roulements et des pilotes. Au cours de ce siècle, il y a eu quelques améliorations de conception définitives. La modélisation informatique a permis d’améliorer la conception des roues, et les progrès de la fabrication ont fourni la flexibilité nécessaire pour fabriquer réellement ces roues. Dans la technologie des roulements à huile, les roulements à coussinets inclinables ont permis d’améliorer les performances par rapport aux paliers lisses. Dans la technologie des joints – où la technologie des roulements à gaz a vraiment fait son apparition dans les équipements turbo – la technologie des roulements aérodynamiques a été utilisée comme joint sans contact très efficace, remplaçant les joints à base d’huile.

Mais une révolution technologique pourrait être à venir, entraînée par des améliorations des composants du moteur / générateur à grande vitesse, des matériaux à haute résistance et à haute température et des roulements / joints à gaz sous pression externe. Les avantages de ces composants pourraient bien se combiner symbiotiquement, permettant de nouvelles architectures de machines, des vitesses, des pressions, des températures et des rendements plus élevés.

MARCHE DES MOTEURS

Les améliorations des moteurs électriques ont été incessantes, chaque amélioration réduisant les coûts. Les moteurs / générateurs à entraînement direct et à grande vitesse et les contrôleurs permettent d’améliorer les densités de puissance, les structures de coûts et la fiabilité, ce qui peut être plus efficace que les moteurs plus gros et plus lents et les boîtes de vitesses accélérées. Comme dans d’autres industries, comme l’industrie des machines-outils où les broches de moteur intégrées ont éliminé les courroies, les accouplements, les engrenages et les alignements relatifs, les moteurs se rapprochent du travail effectué.

Figure 2

LES matériaux DEVIENNENT MONOLITHIQUES

Les deux prochaines décennies verront probablement également des développements favorables dans les matériaux. Les composites à matrice céramique (CMC) et les matériaux composites carbone / carbone, qui sont des matériaux à haute température développés à l’origine pour des applications dans les buses de fusée et les disques de frein pour les voitures de Formule 1, trouveront leur place dans les applications de rotor à grande vitesse.

Les CMC ont d’abord été utilisés dans les turbines à gaz comme aubes de turbine de puissance; ils étaient capables de dépasser les limites de température des aubes métalliques, permettant des températures plus élevées et des rendements de turbine améliorés. Ce sont également les premiers jours du CO2 super critique et du cycle de Brayton pour la production d’électricité. À l’avenir, le cycle de Brayton, développé en grande partie pour l’armée en raison de sa densité de puissance 10x par rapport aux cycles de Rankine, pourrait devenir courant. Cela pourrait conduire à des centrales électriques alimentées au gaz très compactes qui pourraient être autorisées à proximité des centres de demande et s’adapter à un nouveau modèle de « production d’énergie distribuée ». Les matériaux CMC seront importants pour résoudre les problèmes d’érosion dans les roues à haute densité d’énergie.

Utilisés comme faces d’étanchéité à gaz sec (DGS), les CMC ont la résistance et la stabilité en température des faces en carbure de silicium les plus couramment utilisées, mais ne sont pas fragiles et ne se briseront donc pas de manière catastrophique. Ces matériaux offriraient d’autres améliorations de conception pour les rotors et les stators, comme la capacité d’augmenter ou de diminuer la dilatation thermique et la conductivité.

Les propriétés isolantes telles que celles des tuiles de bouclier thermique de la navette spatiale deviendront importantes dans les composants structurels car l’entraînement pour des rendements plus élevés dans la production d’énergie entraîne des températures de plus en plus élevées. Comme les turbines et les compresseurs deviennent tellement plus petits que les vitesses augmentent, les céramiques composites deviennent également pratiques pour les composants structurels tels que les rotors et les stators.

La technologie des paliers à gaz pourrait également prendre en compte les progrès des matériaux, permettant un fonctionnement en immersion à chaud. Cela signifie qu’il pourrait y avoir des roulements à gaz sans huile fonctionnant sur les gaz de processus et à des températures de processus, permettant aux roulements de se déplacer des extrémités des arbres à une position à l’intérieur de la zone scellée, même directement entre ou sur les roues. Les roulements peuvent être positionnés là où le travail est effectué dans le compresseur. Ce serait un changement révolutionnaire dans la rotordynamique, mais seulement le début du changement de paradigme potentiel dans la conception des compresseurs.

Figure 3

MAIS D’ABORD, REVENONS AUX ROULEMENTS

Dans les premières années du XXIe siècle, le Roulement à pression coudée Co. roulements à pression externe introduits avec une charge unitaire élevée et des démarrages et des arrêts sans frottement. Les lecteurs connaissent peut-être Don Bently comme le premier à appliquer des sondes à courants de Foucault dans l’étude des équipements rotatifs. Ces sondes lui ont permis de « voir » les formes de mode des rotors flexibles. Bently Nevada Corp. est née de cette vision.

Après avoir vendu Bently Nevada à GE en 2002, Bently a fondé la Bently Pressurised Bearing Company. Il voulait offrir des solutions aux problèmes fondamentaux qu’il avait rencontrés en rotordynamique. « La technologie des roulements sous pression est destinée à être aussi influente que la sonde à courants de Foucault pour révolutionner les machines rotatives », a-t-il déclaré.

Les roulements à pression externe étaient certainement prometteurs, combinant les avantages des roulements à huile, à feuille et magnétiques. Un avantage que Bentley n’a pas tardé à souligner est que la pression d’entrée sur le roulement a une relation directe avec la rigidité et l’amortissement. Cela donne la possibilité d’ajuster les coefficients de roulement pendant que la machine est en fonctionnement, comme avec les roulements magnétiques.

Malheureusement pour Bently, il utilisait une compensation d’orifice. La compensation est une restriction de l’écoulement dans l’espace de roulement et une caractéristique déterminante des roulements hydro ou aérostatiques. Il n’est pas facile de répartir uniformément la pression dans un mince espace de roulement lorsqu’elle provient d’un petit trou. Lorsque l’espace devient trop petit, la zone autour de l’orifice s’étouffe vers le reste de la face, provoquant l’effondrement du film d’air, ce qui entraîne un contact.

Il existe un type de compensation plus élégant. Au lieu de la restriction d’un orifice, la pression est introduite dans l’espace à travers un matériau poreux. La pression du gaz s’écoule de millions de petits trous sur toute la face du roulement et agit sur la surface de comptoir comme l’extrémité d’un vérin hydraulique sans contact. Le graphite et le carbone, naturellement poreux et familiers aux industries du turbo, ont été les premiers matériaux poreux utilisés comme compensation dans les roulements à gaz poreux sous pression externe (PPE). La technologie offre des roulements sans huile de turbo industries avec un frottement nul qui peuvent supporter les charges élevées des roulements à huile, les températures extrêmes des roulements à feuille et peuvent être ajustés de l’extérieur de la machine, comme les roulements magnétiques.

La division des joints de Flowserve a été l’une des premières à reconnaître les avantages des roulements à gaz en PPE, mais — fait intéressant — en tant que joints, pas de roulements. La haute pression créée dans les interstices des paliers d’air est une barrière impossible pour tout gaz à une pression plus basse. Les joints en cours de développement permettront des joints à gaz sec très fiables en compression polyphasique, car rien ne traverse la face du joint du côté du processus. Parce que les paliers à gaz sont simples et peu coûteux par rapport aux DGSS et fonctionnent à 0 tr / min, Flowserve et d’autres seront en mesure d’offrir une technologie de joint de palier à gaz dans de nombreuses autres applications économiquement.

Est-ce donc un joint ou un roulement? Les paliers de butée hydrodynamiques sont segmentés en plaquettes, de sorte qu’il y a des bords d’attaque pour le développement de la cale d’huile. Aucun ingénieur ne considérerait cela comme un joint en raison des grands espaces radiaux. Mais une face de poussée EPP est une face continue à 360 degrés. Cela ressemble à un visage de DGS, et comme la pression est toujours la plus élevée dans l’espace EPP, c’est déjà un joint. Ainsi, dans les compresseurs droits avec le palier de butée EPP agissant sur l’extrémité d’entraînement, la zone sur la glissière de poussée pourrait réagir aux charges de poussée, tout en servant de DG.

Un autre avantage que Bently aurait certainement souligné est qu’en combinant le palier de butée, le DGS et le piston d’équilibrage dans le même espace axial, le rotor se raccourcit et se raidit sur une fonction de cube, améliorant considérablement la dynamique du rotor et réduisant les jeux requis.

Pourtant, le long arbre traversant les étages de compression est le maillon faible. Des jeux importants sont nécessaires entre le stator et le rotor pour tenir compte des excursions de l’arbre à des vitesses critiques, des tolérances de fabrication et de la croissance thermique de l’arbre.

L’écoulement à travers un espace est une fonction en cubes de l’espace, de sorte que la réduction des jeux de fonctionnement entre les stators et les roues à aubes est un fruit à faible suspension pour améliorer l’efficacité du compresseur.

Avec des moteurs à grande vitesse intégrés directement dans chaque étage de roue et chaque roue supportée sur son propre palier / joint à gaz, ils pouvaient être tournés à des vitesses plus élevées en tant que corps rigide avec des jeux serrés. De plus, chaque étage pouvait être tourné indépendamment à son régime le plus efficace pour le compresseur en tant que système. Ce serait vraiment l’aube d’une nouvelle ère dans la conception des compresseurs centrifuges.

RÉVOLUTION DE L’EXTENSEUR

Dans un extenseur / compresseur (voir figure 1) avec des étages opposés sur le même arbre, le paradigme actuel consiste à soutenir l’arbre sur des paliers à huile près du centre, en passant par des joints d’huile, puis des joints à labyrinthe, puis enfin l’arbre supporte des roues à aubes, qui doivent avoir des jeux axiaux et radiaux importants à leurs périmètres où elles effectuent la majeure partie de leur travail. Ceci est fait pour tenir compte de la rotordynamique et d’autres mouvements de l’arbre, qui ne peuvent pas être très rigides, car la longueur de l’arbre des roulements aux roues est un multiple de son diamètre. Cette conception est également compliquée par le besoin d’huile, qui change de viscosité avec la température.

Le prochain changement de conception des détendeurs pourrait éliminer les roulements à huile conventionnels et les remplacer par des roulements à gaz qui supportent les roues et assurent l’étanchéité directement à l’arrière de la roue (voir figure 2). Cela permettrait de raccourcir considérablement l’arbre. Les roulements/ joints peuvent fonctionner sur des gaz de processus, de la vapeur ou à des températures cryogéniques. La rentabilité et la simplicité de cette conception pourraient rendre la récupération d’énergie plus économique.

Sur la figure 3, il n’y a plus d’arbre rotatif, mais l’ID de la turbine est équipé d’aimants permanents et des bobines sont disposées dans la broche centrale fixe, tournant le moteur / générateur à l’envers. La vitesse de surface relative élevée était conductrice de la génération de courant continu à haute tension.

La production de courant continu haute tension progresse et s’inscrit dans la tendance de la transmission haute tension à courant continu (HVDC). Les moteurs et les générateurs à grande vitesse pourraient échanger de l’énergie via des micro-réseaux HVDC locaux avec plus de flexibilité que de lier physiquement l’expansion à la compression via un rotor.

Il s’agit d’une vision de moteurs et de matériaux coopérant avec des paliers et des joints à gaz sous pression pour se rapprocher du travail en cours, mais il reste encore au moins une étape à franchir. Les moteurs et les roulements sont toujours des éléments séparés, occupant un espace séparé dans le compresseur. C’est-à-dire jusqu’à ce qu’il soit réalisé que les aimants en néodyme sont poreux et peuvent être transformés en un élément porteur aérostatique. Oui, le moteur pourrait aussi être le roulement!

Les aimants permanents des moteurs pourraient devenir les surfaces porteuses de gaz dès 2020. L’efficacité et la puissance d’un moteur ou d’un générateur à aimant permanent pourraient être augmentées en minimisant la distance entre les bobines et les aimants. La technologie des roulements à gaz est le moyen de réduire de manière fiable ce jeu. La combinaison du moteur et des roulements créerait des ensembles plus courts et plus légers que si les éléments du moteur et des roulements restaient des composants séparés. Ce serait la première expérience dans un même corps pour l’ingénieur électrique et l’ingénieur mécanique, et le summum de la volonté continue de l’ingénieur de conception d’atteindre plus de fonctionnalités dans moins d’espace, du moins pour l’instant.

À PROPOS DE L’AUTEUR

Drew Devitt est le fondateur et président de New Way Air Bearings. Les roulements coudés, par New Way Air Bearings, sont destinés aux équipements rotatifs, à la fois aux petites machines à grande vitesse où ils remplacent les roulements à feuille ou à élément roulant et aux grandes turbines, motogénérateurs, compresseurs (où ils remplacent les roulements hydrodynamiques ou magnétiques à huile). Visitez Bently Bearings au stand 1315 lors des Symposiums sur les turbomachines et les pompes 2018.

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POMPAGE MODERNE AUJOURD’HUI, Août 2018
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