• Articles
• admin

1.ábra

a centrifugális kompresszor kialakításának első századában a változások evolúciós jellegűek voltak. Az 1900-as centrifugális kompresszor nagyon hasonlít a 2000-ben gyártott centrifugális kompresszorra a tömörítési szakaszok, tömítések, csapágyak és meghajtók helyét illetően. Abban az évszázadban volt néhány végleges tervezési fejlesztés. A számítógépes modellezés lehetővé tette a járókerekek tervezésének javítását, a gyártás fejlődése pedig rugalmasságot biztosított a járókerekek tényleges előállításához. Az olajcsapágy-technológiában a billenőbetétes csapágyak jobb teljesítményt tettek lehetővé a sima csapágyakkal szemben. A tömítési technológiában-ahol a gázcsapágy-technológia valóban a turbó berendezésekben keletkezett-az aerodinamikai csapágytechnológiát nagyon hatékony érintésmentes tömítésként alkalmazták, olaj alapú tömítések cseréje.

de technológiai forradalom jöhet, amelyet a nagy sebességű motor/generátor alkatrészek, a nagy szilárdságú, magas hőmérsékletű anyagok és a külső nyomás alatt álló gázcsapágyak/tömítések fejlesztése hajthat végre. Ezeknek az alkatrészeknek az előnyei szimbiotikusan kombinálódhatnak, lehetővé téve az új géparchitektúrákat, a nagyobb sebességet, nyomást, hőmérsékletet és hatékonyságot.

a motorok márciusa

az elektromos motorok fejlesztése könyörtelen volt, minden egyes fejlesztés csökkenti a költségeket. A közvetlen meghajtású, nagy sebességű motorok/generátorok és vezérlők jobb teljesítménysűrűséget, költségszerkezetet és megbízhatóságot tesznek lehetővé, amelyek hatékonyabbak lehetnek, mint a nagyobb, lassabb motorok és a fokozatosabb sebességváltók. Mint más iparágakban, például a szerszámgépiparban, ahol az integrált motororsók megszüntették az öveket, a tengelykapcsolókat, a fogaskerekeket és a relatív igazításokat, a motorok egyre közelebb kerülnek az elvégzett munkához.

2. ábra

az anyagok monolitikusak

a következő két évtizedben valószínűleg lehetővé válik az anyagok fejlesztése is. A kerámia mátrix kompozitok (CMC-k) és a szén/szén kompozit anyagok, amelyek magas hőmérsékletű anyagok, amelyeket eredetileg a Forma-1-es autók rakétafúvókáiban és féktárcsáiban fejlesztettek ki, nagy sebességű rotoros alkalmazásokba kerülnek.

a CMC-ket először gázturbinákban használták turbinalapátként; képesek voltak meghaladni a fémlapátok hőmérsékleti korlátait, lehetővé téve a magasabb hőmérsékletet és a jobb turbina hatékonyságot. Ezek a szuperkritikus CO2 és a Brayton-ciklus első napjai az energiatermeléshez. A jövőben a Brayton-ciklus, amelyet nagyrészt a katonaság számára fejlesztettek ki a Rankine-ciklusok feletti 10-szeres teljesítménysűrűsége miatt, általánossá válhat. Ez nagyon kompakt gázüzemű erőműveket eredményezhet, amelyek engedélyezhetők a keresleti központok közelében, és illeszkedhetnek egy új “elosztott energiatermelő” modellhez. A CMC anyagok fontosak lesznek a nagy energiasűrűségű járókerekek eróziós problémáinak megoldásában.

száraz gáztömítésként (DGS) használt CMC-k a leggyakrabban használt szilícium-karbid felületek szilárdságával és hőmérsékleti stabilitásával rendelkeznek, de nem törékenyek, így katasztrofálisan nem törnek össze. Ezek az anyagok más tervezési fejlesztéseket kínálnak a rotorok és az állórészek számára, mint például a hőtágulás és a vezetőképesség növelése vagy csökkentése.

az olyan szigetelő tulajdonságok, mint a space shuttle hővédő burkolólapjai, fontosak lesznek a szerkezeti elemekben, mivel az energiatermelés nagyobb hatékonysága egyre magasabb hőmérsékletet eredményez. Mivel a turbinák és kompresszorok a sebesség növekedésével sokkal kisebbek lesznek, a kompozit Kerámiák praktikussá válnak a szerkezeti elemek, például a rotorok és az állórészek számára is.

a Gázhordozó technológia fel tudta venni az anyag fejlődését is, lehetővé téve a melegen merített működést. Ez azt jelenti, hogy lehetnek olajmentes gázcsapágyak, amelyek technológiai gázokon és technológiai hőmérsékleten működnek, lehetővé téve a csapágyak számára, hogy a tengelyek végeiről a lezárt területen belüli helyzetbe mozogjanak, akár közvetlenül a járókerekek között vagy azokon. A csapágyak elhelyezhetők ott, ahol a munkát a kompresszorban végzik. Ez forradalmi változás lenne a rotordynamikában, de csak a kompresszor tervezésének potenciális paradigmaváltásának kezdete.

3. ábra

de először, vissza a csapágyakhoz

a huszonegyedik század első éveiben Bently nyomás alatt álló csapágy Co. bevezetett külső nyomás alatt álló csapágyak nagy egységterheléssel és súrlódásmentes indítással és leállítással. Az olvasók ismerhetik Don Bently-t, mint az első, aki örvényáramú szondákat alkalmaz a forgó berendezések tanulmányozásában. Ezek a szondák lehetővé tették számára, hogy” lássa ” a rugalmas rotorok módformáit. A Bently Nevada Corp.ebből a látomásból született.

miután 2002-ben eladta a Bently Nevada-t a GE-nek, Bently megalapította a Bently Pressurized Bearing Company-t. Azt akarta, hogy megoldást kínáljon az alapvető problémákat tapasztalt rotordynamics. “A nyomás alatt álló csapágytechnikának ugyanolyan befolyásosnak kell lennie, mint az örvényáramú szondának a forgó gépek forradalmasításában” – mondta.

a külső nyomás alatt álló csapágyak minden bizonnyal ígéretesek voltak, ötvözve az olaj, a fólia és a mágneses csapágyak előnyeit. Az egyik előnye, hogy Bentley gyorsan rámutatott, hogy a csapágy bemeneti nyomása közvetlen kapcsolatban áll a merevséggel és a csillapítással. Ez lehetővé teszi a csapágyazási együtthatók hangolását a gép működése közben, mint a mágneses csapágyaknál.

sajnos Bently, ő használ nyílás kompenzáció. A kompenzáció a csapágyrésbe történő áramlás korlátozása, valamint a hidro-vagy aerosztatikus csapágyak meghatározó jellemzője. Nem könnyű nyomást gyakorolni arra, hogy egyenletesen eloszlasson egy vékony csapágyrésben, amikor egy kis lyukból származik. Amikor a rés túl kicsi lesz, a nyílás körüli terület fojtószelepek az arc többi részébe áramlanak, ami a légfilm összeomlását okozza, ami érintkezést eredményez.

van egy elegánsabb típusú kompenzáció. A nyílás korlátozása helyett a nyomást porózus anyagon keresztül vezetik be a résbe. A gáznyomás több millió apró lyukból vérzik ki a csapágy teljes felületén, és úgy hat a számláló felületére, mint egy érintés nélküli hidraulikus henger vége. A grafit és a szén, amelyek természetesen porózusak és ismerősek a turbóipar számára, voltak az első porózus anyagok, amelyeket kompenzációként alkalmaztak a külső nyomás alatt álló porózus (EPP) gázcsapágyakban. A technológia Turbo industries olajmentes csapágyakat kínál nulla súrlódással, amelyek képesek az olajcsapágyak nagy terhelésére, a fóliacsapágyak szélsőséges hőmérsékletére, és a gépen kívülről állíthatók, mint a mágneses csapágyak.

a Flowserve tömítőosztálya az elsők között ismerte fel az EPP gázcsapágyak előnyeit, de—érdekes módon—tömítésként, nem csapágyként. A légcsapágy-résekben keletkező nagy nyomás lehetetlen akadályt jelent bármely alacsonyabb nyomású gáz számára. A most fejlesztés alatt álló tömítések nagyon megbízható száraz gáztömítéseket tesznek lehetővé többfázisú tömörítés során, mivel a folyamat oldaláról semmi sem áramlik át a tömítőfelületen. Mivel a gázcsapágyak egyszerűek és alacsony költségűek a DGSs-hez képest, és 0 fordulat / perc sebességgel működnek, a Flowserve és mások képesek lesznek gázcsapágy-tömítési technológiát kínálni gazdaságosan még sok más alkalmazásban.

tehát tömítés vagy csapágy? A hidrodinamikai tolócsapágyak párnákra vannak szegmentálva, így vannak vezető élek az olaj ék fejlesztéséhez. Egyetlen mérnök sem venné ezt tömítésnek a nagy radiális rések miatt. De az EPP tolófelülete folyamatos 360 fokos arc. Úgy néz ki, mint egy Főigazgatóság arca, és mivel a nyomás mindig a legnagyobb az EPP szakadékában, ez már pecsét. Tehát egyenes átmenő kompresszorokban, amelyekben az EPP tolócsapágy a hajtás végére hat, a tolóerő-futó területe reagálhat a tolóerőre, miközben DGS-ként is szolgál.

egy másik előny, amelyet Bently biztosan rámutatott volna, az, hogy a nyomócsapágy, a DGS és az egyensúlydugattyú kombinálásával ugyanabban a tengelyirányú térben a rotor rövidebb és merevebb lesz egy kocka funkciónál, drámaian javítva a rotor dinamikáját és csökkentve a szükséges hézagokat.

mégis, a hosszú tengely a tömörítési szakaszokon keresztül a gyenge láncszem. Nagy hézagokra van szükség az állórész és a rotor között, hogy figyelembe vegyék a tengely kritikus fordulatszámon történő elmozdulását, a gyártási tűréseket és a tengely hőnövekedését.

a résen keresztüli áramlás a rés kockás függvénye, így az állórészek és a járókerekek közötti futási hézagok csökkentése alacsonyan lógó gyümölcs a kompresszor hatékonyságának javítása érdekében.

az egyes járókerék-fokozatokba közvetlenül integrált nagysebességű motorokkal és minden járókerékkel, amelyek saját gázcsapágyon/tömítéseken vannak megtámasztva, nagyobb sebességgel forgathatók, merev testként, szoros hézagokkal. Ezenkívül az egyes fokozatokat egymástól függetlenül el lehet forgatni a kompresszor, mint rendszer leghatékonyabb fordulatszámán. Ez valóban egy új korszak hajnala lenne a centrifugális kompresszor kialakításában.

EXPANDER REVOLUTION

egy expanderben/kompresszorban (lásd az 1.ábrát), amelynek ellentétes szakaszai vannak ugyanazon a tengelyen, a jelenlegi paradigma az, hogy a tengelyt a központ közelében lévő olajcsapágyakon támasztják alá, olajtömítéseken, majd labirintus tömítéseken keresztül, majd végül a tengely támogatja a járókerekeket, amelyeknek jelentős axiális és radiális távolsággal kell rendelkezniük a peremükön, ahol munkájuk nagy részét végzik. Ennek célja a tengely forgásdinamikájának és egyéb mozgásának figyelembevétele, amely nem lehet nagyon merev, mivel a tengely hossza a csapágyaktól a járókerekekig az átmérőjének többszöröse. Ezt a kialakítást bonyolítja az olaj szükségessége is, amely a viszkozitást a hőmérséklet függvényében változtatja meg.

a bővítők következő tervezési változtatása megszüntetheti a hagyományos olajcsapágyakat, és azokat olyan gázcsapágyakra cserélheti, amelyek támogatják a járókereket, és közvetlenül a járókerék hátulján tömítést biztosítanak (lásd a 2.ábrát). Ez lehetővé tenné a tengely drámai lerövidítését. A csapágy / tömítések működhetnek technológiai gázokon, gőzön vagy kriogén hőmérsékleten. Ennek a kialakításnak a költséghatékonysága és egyszerűsége gazdaságosabbá teheti az energia-visszanyerést.

a 3. ábrán már nincs forgó tengely, ehelyett a járókerék azonosítója állandó mágnesekkel van felszerelve, a tekercsek pedig az álló középső csapban vannak elrendezve,a motort/generátort kifelé fordítva. A nagy relatív felületi sebesség vezetőképes volt a nagyfeszültségű egyenáramú generációhoz.

a nagyfeszültségű egyenáramú generáció fejlődik, és illeszkedik a nagyfeszültségű egyenáramú (HVDC) átvitel trendjéhez. A nagy sebességű motorok és generátorok nagyobb rugalmassággal tudják kicserélni az energiát a helyi HVDC mikrorácsokon keresztül, mint fizikailag összekapcsolni a tágulást a rotoron keresztüli tömörítéssel.

ez a nyomás alatt álló gázcsapágyakkal és tömítésekkel együttműködő motorok és anyagok víziója, hogy közelebb kerüljenek az elvégzett munkához, de még legalább egy lépés van hátra. A motorok és csapágyak továbbra is különálló elemek, külön helyet foglalnak el a kompresszorban. Ez azt jelenti, hogy mindaddig, amíg rájönnek, hogy a neodímium mágnesek porózusak, és aerosztatikus csapágyelemekké alakíthatók. Igen, a motor lehet a csapágy is!

a motorokban lévő állandó mágnesek már 2020-ban gázhordozó felületekké válhatnak. Az állandó mágneses motor vagy generátor hatékonysága és teljesítménye növelhető a tekercsek és a mágnesek közötti távolság minimalizálásával. A gázcsapágy-technológia megbízhatóan csökkenti ezt a távolságot. A motor és a csapágyak kombinációja rövidebb és könnyebb szerelvényeket hozna létre, mintha a motor és a csapágyelemek különálló alkatrészek maradnának. Ez lenne az első azonos testű élmény az elektromos és a gépészmérnök számára, és a végső a tervezőmérnök folyamatos törekvésében, hogy több funkciót érjen el kevesebb helyen, legalábbis egyelőre.

A szerzőről

Drew Devitt a New Way Air Bearings alapítója és elnöke. A Bently csapágyak, új módon a Levegőcsapágyak, a forgó berendezésekre irányulnak, mind a kicsi, nagy sebességű gépekre, ahol helyettesítik a fólia – vagy gördülőelem-csapágyakat, mind a nagy turbinákra, motorgenerátorokra, kompresszorokra (ahol helyettesítik az olajhidrodinamikai vagy mágneses csapágyakat). Látogassa meg a Bently csapágyakat az 1315 fülkében a 2018-as Turbomachinery and Pump szimpóziumokon.

_______________________________________________________
MODERN szivattyúzás ma, augusztus 2018
tetszett ez a cikk?
iratkozzon fel a Modern Pumping Today magazin ingyenes digitális kiadására!