Come funziona un compressore centrifugo?
Figura 1
Durante il primo secolo di progettazione del compressore centrifugo, i cambiamenti furono evolutivi. Un compressore centrifugo del 1900 assomiglia molto a un compressore centrifugo prodotto nell’anno 2000 per quanto riguarda la posizione di stadi di compressione, guarnizioni, cuscinetti e driver. Nel corso di quel secolo, ci sono stati alcuni miglioramenti progettuali definitivi. La modellazione al computer ha permesso di migliorare la progettazione delle giranti e i progressi nella produzione hanno fornito la flessibilità necessaria per fabbricare effettivamente tali giranti. Nella tecnologia dei cuscinetti a olio, i cuscinetti basculanti hanno permesso di migliorare le prestazioni rispetto ai cuscinetti a sfere. Nella tecnologia delle guarnizioni-dove la tecnologia dei cuscinetti a gas ha avuto la sua genesi nelle apparecchiature turbo-la tecnologia dei cuscinetti aerodinamici è stata utilizzata come guarnizione senza contatto molto efficace, sostituendo le guarnizioni a base di olio.
Ma potrebbe essere in arrivo una rivoluzione tecnologica, guidata da miglioramenti nei componenti del motore/generatore ad alta velocità, nei materiali ad alta resistenza e ad alta temperatura e nei cuscinetti/tenute a gas pressurizzati esternamente. I vantaggi di questi componenti possono essere combinati in modo simbiotico, consentendo nuove architetture di macchine, velocità, pressioni, temperature ed efficienze più elevate.
MARCH OF MOTORS
I miglioramenti nei motori elettrici sono stati implacabili, con ogni miglioramento riducendo i costi. L’azionamento diretto, i motori/generatori ad alta velocità e i controller consentono densità di potenza migliorate, strutture di costo e affidabilità che possono essere più efficaci dei motori più grandi e più lenti e dei riduttori step-up. Come in altri settori, come l’industria delle macchine utensili, dove i mandrini dei motori integrali hanno eliminato cinghie, giunti, ingranaggi e relativi allineamenti, i motori si stanno avvicinando al lavoro svolto.
Figura 2
I MATERIALI DIVENTANO MONOLITICI
I prossimi due decenni probabilmente consentiranno sviluppi anche nei materiali. I compositi a matrice ceramica (CMC) e i materiali compositi carbonio/carbonio, che sono materiali ad alta temperatura originariamente sviluppati per applicazioni in ugelli di razzi e dischi freno per auto di Formula 1, troveranno la loro strada nelle applicazioni a rotore ad alta velocità.
I CMC furono utilizzati per la prima volta nelle turbine a gas come pale di turbine di potenza; erano in grado di superare i limiti di temperatura delle pale metalliche, consentendo temperature più elevate e migliori efficienze delle turbine. Questi sono anche i primi giorni della CO2 super critica e del ciclo di Brayton per la generazione di energia. In futuro, il ciclo di Brayton, sviluppato in gran parte per i militari a causa della sua densità di potenza 10x sui cicli di Rankine, potrebbe diventare comune. Ciò potrebbe portare a centrali elettriche alimentate a gas molto compatte che potrebbero essere consentite vicino ai centri di domanda e adattarsi a un nuovo modello di “generazione di energia distribuita”. I materiali CMC saranno importanti per risolvere i problemi di erosione nelle giranti ad alta densità di energia.
Utilizzati come facce di tenuta a gas secco (DGS), i CMC hanno la resistenza e la stabilità della temperatura delle facce in carburo di silicio più comunemente utilizzate, ma non sono fragili e quindi non si frantumano catastroficamente. Questi materiali offrirebbero altri miglioramenti di progettazione per rotori e statori, come la capacità di aumentare o diminuire l’espansione termica e la conduttività.
Le proprietà isolanti come quelle delle piastrelle dello scudo termico dello space shuttle diventeranno importanti nei componenti strutturali poiché l’azionamento per una maggiore efficienza nella produzione di energia porta a temperature sempre più elevate. Poiché turbine e compressori diventano molto più piccoli con l’aumento delle velocità, la ceramica composita diventa pratica anche per componenti strutturali come rotori e statori.
La tecnologia dei cuscinetti a gas potrebbe rilevare anche i progressi del materiale, consentendo il funzionamento a caldo. Ciò significa che potrebbero esserci cuscinetti a gas oil-less che operano sui gas di processo e alle temperature di processo, consentendo ai cuscinetti di spostarsi dalle estremità degli alberi in una posizione all’interno dell’area sigillata, anche direttamente tra o sulle giranti. I cuscinetti possono essere posizionati dove viene eseguito il lavoro nel compressore. Questo sarebbe un cambiamento rivoluzionario nella rotordynamics, ma solo l’inizio del potenziale cambiamento di paradigma nella progettazione del compressore.
Figura 3
MA PRIMA, DI NUOVO AI CUSCINETTI
Nei primi anni del XXI secolo, Bently Pressurizzato Bearing Co. introdotti cuscinetti pressurizzati esternamente con elevato carico dell’unità e avviamenti e arresti a zero attrito. I lettori possono avere familiarità con Don Bently come il primo ad applicare sonde a correnti parassite nello studio delle apparecchiature rotanti. Queste sonde gli hanno permesso di” vedere ” forme di modalità di rotori flessibili. Bently Nevada Corp. è nato da questa visione.
Dopo aver venduto Bently Nevada a GE nel 2002, Bently ha fondato la Bently Pressurized Bearing Company. Voleva offrire soluzioni ai problemi fondamentali che aveva sperimentato in rotordynamics. “La tecnologia dei cuscinetti pressurizzati è destinata ad essere influente quanto la sonda a correnti parassite nel rivoluzionare i macchinari rotanti”, ha affermato.
I cuscinetti pressurizzati esternamente erano certamente promettenti, combinando i vantaggi di olio, lamina e cuscinetti magnetici. Un vantaggio che Bentley si è affrettato a sottolineare è che la pressione di ingresso al cuscinetto ha una relazione diretta con rigidità e smorzamento. Ciò dà la capacità di regolare i coefficienti del cuscinetto mentre la macchina è in funzione, come con i cuscinetti magnetici.
Sfortunatamente per Bently, stava usando la compensazione dell’orifizio. La compensazione è la restrizione del flusso nello spazio del cuscinetto e una caratteristica distintiva dei cuscinetti idro o aerostatici. Per ottenere la pressione per distribuire uniformemente in un sottile spazio cuscinetto quando emette da un piccolo foro non è facile. Quando lo spazio diventa troppo piccolo, l’area attorno all’orifizio soffoca il flusso verso il resto del viso, causando il collasso del film d’aria, che si traduce in contatto.
Esiste un tipo di compensazione più elegante. Invece della restrizione di un orifizio, la pressione viene introdotta nello spazio attraverso un materiale poroso. La pressione del gas sanguina da milioni di piccoli fori attraverso l’intera faccia del cuscinetto e agisce sulla superficie del contatore come l’estremità di un cilindro idraulico senza contatto. Grafite e carbonio, naturalmente porosi e familiari alle industrie turbo, sono stati i primi materiali porosi impiegati come compensazione nei cuscinetti a gas porosi pressurizzati esternamente (EPP). La tecnologia offre cuscinetti oil-free turbo industries con attrito zero che possono sopportare gli elevati carichi di cuscinetti a olio, le temperature estreme dei cuscinetti a lamina e avere una regolabilità dall’esterno della macchina come i cuscinetti magnetici.
La divisione seal di Flowserve è stata una delle prime a riconoscere i vantaggi dei cuscinetti a gas EPP, ma—cosa interessante—come guarnizioni, non come cuscinetti. L’alta pressione creata nelle lacune del cuscinetto dell’aria è una barriera impossibile per tutto il gas ad una pressione più bassa. Le guarnizioni in fase di sviluppo consentono guarnizioni a gas secco molto affidabili in compressione multifase, poiché nulla scorre attraverso la faccia di tenuta dal lato del processo. Poiché i cuscinetti a gas sono semplici e a basso costo rispetto a DGSs e funzionano a 0 RPM, Flowserve e altri saranno in grado di offrire la tecnologia di tenuta dei cuscinetti a gas in molte altre applicazioni in modo economico.
Quindi è un sigillo o è un cuscinetto? I cuscinetti assiali idrodinamici sono segmentati in pastiglie, quindi ci sono bordi di attacco per lo sviluppo del cuneo dell’olio. Nessun ingegnere considererebbe questo per un sigillo a causa delle grandi lacune radiali. Ma una faccia di spinta EPP è una faccia continua a 360 gradi. Sembra una faccia DGS e, poiché la pressione è sempre più alta nel divario EPP, è già un sigillo. Quindi, nei compressori rettilinei con il cuscinetto di spinta EPP che agisce sull’estremità dell’azionamento, l’area sul corridore di spinta potrebbe reagire ai carichi di spinta, fungendo anche da DGS.
Un altro vantaggio che Bently avrebbe sicuramente sottolineato è che combinando il cuscinetto di spinta, il DGS e il pistone di bilanciamento nello stesso spazio assiale, il rotore si accorcia e si irrigidisce su una funzione cubo, migliorando drasticamente la dinamica del rotore e riducendo gli spazi necessari.
Tuttavia, l’albero lungo attraverso gli stadi di compressione è l’anello debole. Sono necessari ampi spazi tra lo statore e il rotore per tenere conto delle escursioni dell’albero a velocità critiche, delle tolleranze di produzione e della crescita termica dell’albero.
Il flusso attraverso una lacuna è una funzione cubica della lacuna, in modo da ridurre le distanze correnti fra gli statori e le giranti è un frutto d’attaccatura basso per il miglioramento delle efficienze del compressore.
Con motori ad alta velocità integrati direttamente in ogni stadio della girante e ogni girante supportata su un proprio cuscinetto a gas/guarnizioni, potevano essere filate a velocità più elevate come un corpo rigido con spazi stretti. Inoltre, ogni stadio può essere ruotato indipendentemente al suo numero di giri più efficiente per il compressore come sistema. Questo sarebbe veramente l’alba di una nuova era nella progettazione di compressori centrifughi.
EXPANDER RIVOLUZIONE
In un expander/compressore (vedi figura 1), con fasi opposte sullo stesso albero, il paradigma attuale è quello di sostenere l’albero olio su cuscinetti, vicino al centro, di raggiungere, mediante guarnizioni, quindi tenuta a labirinto, e poi finalmente l’albero supporta giranti, che hanno bisogno di avere un notevole giochi assiali e radiali a loro perimetri dove stanno facendo maggior parte del loro lavoro. Questo viene fatto per tenere conto della rotordynamics e di altri movimenti dell’albero, che non possono essere molto rigidi, poiché la lunghezza dell’albero dai cuscinetti alle giranti è un multiplo del suo diametro. Questo design è anche complicato dalla necessità di olio, che cambia la viscosità con la temperatura.
Il prossimo cambiamento di progettazione negli espansori potrebbe eliminare i cuscinetti convenzionali dell’olio e sostituirli con cuscinetti a gas che supportano le giranti e forniscono la tenuta direttamente sul retro della girante (vedi figura 2). Ciò consentirebbe di accorciare drasticamente l’albero. I cuscinetti / guarnizioni potrebbero funzionare su gas di processo, vapore o a temperature criogeniche. L’efficacia dei costi e la semplicità di questo design potrebbero rendere il recupero di energia più economico.
In figura 3, non c’è più un albero rotante, invece l’ID della girante è dotato di magneti permanenti e le bobine sono disposte nel perno centrale fisso, ruotando il motore/generatore all’interno. L’alta velocità relativa della superficie era conduttiva alla generazione di CC ad alta tensione.
La generazione DC ad alta tensione sta avanzando e si adatta alla tendenza della trasmissione ad alta tensione e corrente continua (HVDC). Motori e generatori ad alta velocità potrebbero scambiare energia attraverso micro griglie HVDC locali con maggiore flessibilità rispetto a legare fisicamente l’espansione alla compressione attraverso un rotore.
Questa è una visione di motori e materiali che cooperano con cuscinetti e tenute a gas pressurizzati per avvicinarsi al lavoro svolto, ma rimane ancora almeno un passo. Motori e cuscinetti sono ancora elementi separati, occupando spazio separato nel compressore. Cioè, fino a quando non si rende conto che i magneti al neodimio sono porosi e possono essere trasformati in un elemento portante aerostatico. Sì, il motore potrebbe essere anche il cuscinetto!
I magneti permanenti nei motori potrebbero diventare le superfici dei cuscinetti a gas già nel 2020. L’efficienza e la potenza di un motore a magneti permanenti o di un generatore potrebbero essere aumentate riducendo al minimo la distanza tra le bobine e i magneti. La tecnologia dei cuscinetti a gas è il modo per ridurre in modo affidabile questo gioco. La combinazione di motore e cuscinetti creerebbe assiemi più corti e leggeri rispetto a quando gli elementi del motore e del cuscinetto rimangono componenti separati. Questa sarebbe la prima esperienza dello stesso corpo per l’ingegnere elettrico e meccanico, e il massimo nella continua spinta del progettista per ottenere più funzionalità in meno spazio, almeno per ora.
INFORMAZIONI SULL’AUTORE
Drew Devitt è il fondatore e presidente di New Way Air Bearings. Bently Bearings, con New Way Air Bearings, si rivolge alle apparecchiature rotanti, sia piccole macchine ad alta velocità in cui sostituiscono cuscinetti a lamina o volventi che grandi turbine, motorogeneratori, compressori (dove sostituiscono cuscinetti idrodinamici o magnetici ad olio). Visita Bently Bearings nello stand 1315 al 2018 Turbomachinery and Pump Symposia.
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POMPAGGIO MODERNO OGGI, agosto 2018
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