• Articles
• admin

Figur 1

i løpet av det første århundre av sentrifugal kompressor design, endringer var evolusjonære. En sentrifugalkompressor fra 1900 ser veldig mye ut som en sentrifugalkompressor produsert i år 2000 med hensyn til plasseringen av kompresjonstrinn, tetninger, lagre og drivere. I løpet av det århundret var det noen definitive designforbedringer. Datamodellering tillatt for forbedringer i utformingen av løpehjul, og fremskritt i produksjon gitt fleksibilitet til å faktisk dikte disse løpehjul. I oljelager teknologi aktivert vippe pad kulelager forbedret ytelse over vanlig journal kulelager. I tetningsteknologi—hvor gasslagerteknologi virkelig hadde sin opprinnelse i turbo—utstyr-ble aerodynamisk lagerteknologi brukt som en svært effektiv kontaktfri tetning, som erstattet oljebaserte tetninger.

men en teknologisk revolusjon kan komme, drevet av forbedringer i høyhastighets motor / generator komponenter, høy styrke, høy temperatur materialer og eksternt trykksatt gass-lagre / sel. Fordelene med disse komponentene kan godt kombinere symbiotisk, noe som åpner for nye maskinarkitekturer, høyere hastigheter, trykk, temperaturer og effektivitet.

MOTORMARSJ

Forbedringer i elektriske motorer har vært ubarmhjertige, med hver forbedring som reduserer kostnadene. Direktedrift, høyhastighetsmotor / generatorer og styreenheter muliggjør forbedret effekttetthet, kostnadsstrukturer og pålitelighet som kan være mer effektive enn større, langsommere motorer og trinn-opp-girkasser. Som i andre næringer, som maskinverktøyindustrien der integrerte motorspindler har eliminert belter, koblinger, gir og relative justeringer, kommer motorer nærmere arbeidet som gjøres.

Figur 2

MATERIALER GÅR MONOLITISK

De neste to tiårene vil trolig se mulig utvikling i materialer også. Keramiske matrix composites (CMCs) og karbon / karbon komposittmaterialer, som er høytemperaturmaterialer opprinnelig utviklet for applikasjoner i rakettdyser og bremseskiver For Formel 1-biler, vil finne veien inn i høyhastighets rotorapplikasjoner.

Cmc ble først brukt i gassturbiner som kraft turbinblader; de var i stand til å overskride temperaturbegrensningene til metallblader, noe som tillot høyere temperaturer og forbedret turbineffektivitet. Dette er også de tidlige dagene av superkritisk CO2 og Brayton-Syklusen for kraftproduksjon. I fremtiden, Brayton Syklus, utviklet i stor grad for militæret på grunn av sin 10x makt tetthet Over Rankine sykluser, kan bli vanlig. Dette kan føre til svært kompakte gasskraftverk som kan tillates nær etterspørselssentre og passe med en ny» distribuert kraftproduksjonsmodell». CMC-materialer vil være viktige for å løse erosjonsproblemer i impeller med høy energi-tetthet.

Brukes som tørrgassforsegling (dgs) ansikter, CMCs har styrke og temperaturstabilitet av de mer brukte silisiumkarbidflatene, men er ikke sprø og vil ikke knuse katastrofalt. Disse materialene vil tilby andre designforbedringer for rotorer og statorer, som evnen til å øke eller redusere termisk ekspansjon og ledningsevne.

Isolerende egenskaper som de av romfergen heat shield fliser vil bli viktig i strukturelle komponenter som stasjonen for høyere effektivitet i kraftproduksjon fører til høyere og høyere temperaturer. Fordi turbiner og kompressorer blir så mye mindre som hastigheter øker, kompositt keramikk bli praktisk for strukturelle komponenter som rotorer og statorer også.

Gassførende teknologi kan også plukke opp materialets fremskritt, noe som muliggjør varmdykket drift. Det betyr at det kan være oljefrie gasslager som opererer på prosessgasser og ved prosesstemperaturer, slik at lagrene kan bevege seg fra endene av akslene til en posisjon inne i det forseglede området, selv direkte mellom eller på løpehjul. Lagrene kan plasseres der arbeidet gjøres i kompressoren. Dette ville være en revolusjonerende endring i rotordynamikk, men bare begynnelsen på det potensielle paradigmeskiftet i kompressordesign.

Figur 3

MEN FØRST, TILBAKE til LAGRENE

I de første årene av det tjueførste århundre, Bently Trykk Peiling Co. introdusert eksternt trykklagre med høy enhet lasting og null friksjon starter og stopper. Leserne kan være kjent Med Don Bently som den første til å bruke eddy current prober i studiet av roterende utstyr. Disse sondene tillot ham å » se » modusformer av fleksible rotorer. Bently Nevada Corp ble født ut av denne visjonen.

Etter å ha solgt Bently Nevada TIL GE i 2002, Grunnla Bently Bently Trykk Peiling Selskapet. Han ønsket å tilby løsninger på de grunnleggende problemene han hadde opplevd i rotordynamikk. «Trykkbærende teknologi er bestemt til å være like innflytelsesrik som eddy current-sonden i å revolusjonere roterende maskiner,» sa han.

Eksternt trykklagre var absolutt lovende, kombinere fordelene med olje, folie og magnetiske lagre. En fordel Som Bentley var rask til å påpeke er at inngangstrykket til lageret har et direkte forhold til stivhet og demping. Dette gir muligheten til å justere lagerkoeffisienter mens maskinen er i drift, som med magnetiske lagre.

Dessverre for Bently brukte han åpningskompensasjon. Kompensasjon er begrensning av strømning i lagergapet og en definerende egenskap for hydro-eller aerostatiske lagre. For å få press til jevnt fordelt i et tynt lagergap når det kommer fra et lite hull, er det ikke lett. Når gapet blir for liten, området rundt åpningen chokes strømme til resten av ansiktet, forårsaker kollaps av luft film, noe som resulterer i kontakt.

Det er en mer elegant type kompensasjon. I stedet for å begrense en åpning, blir trykket introdusert i gapet gjennom et porøst materiale. Gasstrykket bløder ut av millioner av små hull over hele lageret og virker på tellerflaten som enden av en ikke-kontakt hydraulisk sylinder. Grafitt og karbon, naturlig porøs og kjent for turbo næringer, var de første porøse materialer ansatt som kompensasjon i eksternt trykk porøse (EPP) gasslagre. Teknologien tilbyr turbo industries oljefrie lagre med null friksjon som kan ta de høye belastningene av oljelager, temperatur ekstremer av folielagre, og har justerbarhet fra utsiden av maskinen som magnetiske lagre.

forseglingsdivisjonen Hos Flowserve var en av de første som anerkjente fordelene MED epp-gasslager, men-interessant-som seler, ikke lagre. Det høye trykket som oppstår i luftlagerhull er en umulig barriere for gass ved lavere trykk. Tetningene i utvikling nå, vil tillate svært pålitelige tørrgassforseglinger i flerfasekompresjon, da ingenting strømmer over tetningsflaten fra prosessiden. Fordi gasslagrene er enkle og rimelige i forhold til DGSs og arbeider ved 0 RPM, Vil Flowserve og andre kunne tilby gasslagertetning teknologi i mange flere applikasjoner økonomisk.

så er det et segl eller er det et lager? Hydrodynamiske thrust lagrene er segmentert i pads så det er ledende kanter for olje kile utvikling. Ingen ingeniør ville vurdere dette for et segl på grunn av de store radiale hullene. Men ET epp-trykkflate er et kontinuerlig 360-graders ansikt. Det ser ut SOM ET DGS-ansikt, og fordi trykket alltid er høyest I epp-gapet, er det allerede et segl. Så i rett gjennom kompressorer med epp-trykklager som virker på drivenden, kan området på trykkløperen reagere på trykkbelastningene, samtidig som DET fungerer som EN DGS.

En annen fordel Som Bently ville ha vært sikker på å påpeke, er at ved å kombinere trykklageret, DGS og balansestemplet i samme aksiale rom, blir rotoren kortere og stivner på en kubefunksjon, noe som dramatisk forbedrer rotordynamikken og reduserer nødvendige klaringer.

likevel er den lange akselen gjennom kompresjonstrinnene den svake lenken. Store klaringer er nødvendig mellom statoren og rotoren for å ta hensyn til utflukter av akselen ved kritiske hastigheter, produksjonstoleranser og for termisk vekst av akselen.

Gjennomstrømning gjennom et gap er en cubed funksjon av gapet, så å redusere kjøreklaringer mellom statorer og løpehjul er en lavt hengende frukt for å forbedre kompressoreffektiviteten.

med høyhastighetsmotorer integrert direkte i hvert pumpehjulstrinn, og hvert løpehjul støttet på eget gasslager/ – tetninger, kunne de spinnes ved høyere hastigheter som et stivt karosseri med tette klaringer. I tillegg kan hvert trinn roteres uavhengig ved sitt mest effektive TURTALL for kompressoren som et system. Dette ville virkelig være begynnelsen på en ny tidsalder i sentrifugal kompressor design.

EXPANDER REVOLUTION

i en expander/kompressor (se figur 1) med motsatte trinn på samme aksel, er det nåværende paradigmet å støtte akselen på oljelager nær midten, nå gjennom oljetetninger, deretter labyrintforseglinger, og så til slutt støtter akselen impeller, som må ha betydelige aksiale og radiale klaringer i deres omkretser hvor de gjør det meste av arbeidet sitt. Dette gjøres for å redegjøre for rotordynamikk og andre bevegelser av akselen, som ikke kan være veldig stiv, som aksellengden fra lagrene til løpehjul er et multiplum av dens diameter. Denne utformingen er også komplisert av behovet for olje, som endrer viskositet med temperatur.

den neste designendringen i utvidere kan eliminere de konvensjonelle oljelagrene og erstatte dem med gasslagre som støtter løpehjulene og gir forsegling direkte på baksiden av løpehjulet (se figur 2). Dette vil muliggjøre dramatisk forkorte akselen. Lageret / tetningene kan operere på prosessgasser, damp eller ved kryogene temperaturer. Kostnadseffektivitet og enkelhet av dette designet kan gjøre energigjenvinning mer økonomisk.

i figur 3 er det ikke lenger en roterende aksel, i stedet er impellorens id utstyrt med permanente magneter og spoler er anordnet i den stasjonære senterpinnen, og snu motoren/generatoren innvendig ut. Høy relativ overflatehastighet var ledende til høy spenning dc generasjon.

høyspent dc generasjon er fremme og passer med trenden i høy spenning, likestrøm (HVDC) overføring. Høyhastighetsmotorer og generatorer kan bytte kraft gjennom lokale HVDC – mikronett med mer fleksibilitet enn å fysisk binde ekspansjon til kompresjon gjennom en rotor.

dette er en visjon om motorer og materialer som samarbeider med trykkgasslagre og tetninger for å kjøre nærmere arbeidet som gjøres, men det er fortsatt minst ett trinn igjen. Motorer og lagre er fortsatt separate elementer, opptar separat plass i kompressoren. Det vil si, til det er innsett at neodymmagneter er porøse, og kan gjøres til et aerostatisk lagerelement. Ja, motoren kan også være lageret!

Permanente magneter i motorer kan bli gassbærende overflater så snart som 2020. Effektiviteten og kraften til en permanent magnetmotor eller generator kan økes ved å minimere avstanden mellom spolene og magneter. Gassbærende teknologi er måten å pålidelig redusere denne klaring. Kombinasjonen av motor og lagre vil skape forsamlinger som er kortere og lettere enn hvis motoren og lagerelementene forblir separate komponenter. Dette ville være den første samme kroppsopplevelsen for den elektriske og mekaniske ingeniøren, og det ultimate i designingeniørens fortsatte kjøring for å oppnå mer funksjonalitet på mindre plass, i hvert fall for nå.

OM FORFATTEREN

Drew Devitt er grunnlegger Og leder Av New Way Air Bearings. Bently Kulelager, Av Nye Måten Luft Kulelager, er rettet mot roterende utstyr, både små, høyhastighets maskiner der de erstatte folie eller rullende element kulelager og store turbiner, motor generatorer, kompressorer ,( der de erstatte olje hydrodynamiske eller magnetiske kulelager). Besøk Bently Lagrene I Messe 1315 på 2018 Turbomachinery Og Pumpe Symposier.

_______________________________________________________
MODERNE PUMPING I dag, August 2018
likte du denne artikkelen?
Abonner PÅ Den Gratis Digitale Utgaven Av Modern Pumping Today Magazine!