遠心圧縮機はどのように機能しますか？”
図1
遠心圧縮機の設計の最初の世紀の間に、変化は進化的でした。 1900年からの遠心圧縮機は圧縮の段階、シール、軸受けおよび運転者の位置に関して2000年に製造された遠心圧縮機のように非常に見えます。 その世紀にわたって、いくつかの決定的な設計の改善がありました。 コンピュータモデリングは、羽根車の設計の改善を可能にし、製造の進歩は、実際にそれらの羽根車を製造するための柔軟性を提供しました。 オイル軸受け技術では、傾くパッド軸受けは普通ジャーナル軸受け上の改善された性能を可能にした。 シール技術—ガスベアリング技術は本当にターボ機器でその起源を持っていた—空力軸受技術は、オイルベースのシールを交換し、非常に効果的な非接触シールとし
しかし、高速モーター/発電機部品、高強度、高温材料、外部加圧ガスベアリング/シールの改善によって、技術革命が起こる可能性があります。 これらの部品の利点はよく共生的に結合し、新しい機械建築、より高い速度、圧力、温度および効率を可能にするかもしれない。
電動機のマーチ
電動機の改善は執拗であり、それぞれの改善によりコストが削減されています。 ダイレクトドライブ、高速モータ/発電機、およびコントローラは、より大きく、より遅いモータおよびステップアップギアボックスよりも効果的であり得る 必要なモーター紡錘がベルト、カップリング、ギヤおよび相対的な直線を除去した工作機械工業のような他の企業でように、モーターはされる仕事に近づ
図2
材料はモノリシック
次の二十年は、材料の開発も可能になる可能性が高い。 フォーミュラ1カーのロケットノズルやブレーキディスク用に開発された高温材料であるセラミックマトリックス複合材料（CMCs）とカーボン/カーボン複合材料は、高速ローターアプリケーションへの道を見つけるでしょう。
Cmcは最初にガスタービンにパワータービンブレードとして使用され、金属ブレードの温度制限を超えることができ、より高い温度とタービン効率が向上しました。 これらはまた、超臨界CO2と発電のためのブレイトンサイクルの初期の頃です。 将来的には、ランキンサイクルよりも10倍の電力密度のために主に軍のために開発されたブレイトンサイクルが一般的になる可能性があります。 これにより、需要センターの近くで許可され、新しい”分散型発電”モデルに適合する非常にコンパクトなガス供給発電所につながる可能性があります。 ＣＭＣ材料は，高エネルギー密度羽根車の侵食問題を解決する上で重要である。
乾式ガスシール（DGS）面として使用されるCmcは、より一般的に使用される炭化ケイ素面の強度と温度安定性を備えていますが、脆くはないため、壊滅的 これらの材料は熱拡張および伝導性を高めるか、または減らす機能のような回転子そして固定子のための他の設計改善を、提供する。
スペースシャトルの遮熱タイルのような断熱性は、発電効率の向上のためのドライブが高温につながるため、構造部品において重要になります。 タービンや圧縮機は速度が上がるにつれて非常に小さくなるため、複合セラミックスは回転子や固定子などの構造部品にも実用的になります。
ガスベアリング技術は材料の進歩にも影響を与える可能性があり、熱浸運転を可能にします。 それはプロセスガスでそしてプロセス温度で作動するオイルなしのガス軸受けがあることができることを意味し軸受けがシャフトの端から密封された区域の中の位置に、インペラーの間でまたはの間で直接動くようにすることを可能にする。 軸受けは仕事が圧縮機でされているところに置くことができる。 これはrotordynamicsの革命的な変更、圧縮機の設計の潜在的な範例の転位の始めだけである。
図3
しかし、まず、二十一世紀の最初の年にベアリング
に戻って、Bently加圧ベアリング株式会社。 高い単位のローディングおよびゼロ摩擦開始および停止が付いている導入された外的に加圧軸受け。 読者は回転装置の調査の渦電流の調査を適用する最初の人としてDon Bentlyをよく知られているかもしれない。 これらの調査は彼が適用範囲が広い回転子のモード形を”見る”ことを可能にした。 Bently Nevada Corp.はこのビジョンから生まれました。
2002年にBENTLY NevadaをGEに売却した後、BentlyはBently Pressurized Bearing Companyを設立した。 彼は彼がrotordynamicsで経験した基本的な問題に解決を提供したいと思った。 “加圧ベアリング技術は、回転機械に革命をもたらす渦電流プローブと同じくらい影響力があることが運命づけられています”と彼は言いました。
外部加圧軸受は確かに有望であり、油、箔、磁気軸受の利点を組み合わせていました。 Bentleyがすぐに指摘した利点は、ベアリングへの入力圧力が剛性と減衰に直接関係していることです。 これは機械が作動中の間、磁気軸受けと同じように軸受け係数を調整する機能を与える。
残念ながらベントリーにはオリフィス補正を使っていた。 補償は軸受けギャップへの流れの制限および水力かaerostatic軸受けの定義特性です。 それが小さい穴から出るとき薄い軸受けギャップで均等に配る圧力を得ることは容易ではないです。 ギャップが余りに小さくなるとき、開口部のまわりの区域は接触で起因する空気フィルムの崩壊を引き起こす表面の残りに流れを窒息させます。
よりエレガントなタイプの補償があります。 オリフィスの制限の代わりに、圧力は多孔質材料を介して隙間に導入される。 ガス圧力は何百万の軸受けの全面を渡る小さい穴から出血し、非接触水圧シリンダの端のような反対の表面で機能します。 グラファイトおよびカーボンは、ターボ工業に自然に多孔性そしてよく知られていて、外的に加圧された多孔性の(EPP)のガス軸受けの補償として用いられた最初の多孔性材料でした。 技術はオイル軸受けの高い負荷、ホイル軸受けの温度の極端を取ることができ、磁気軸受けのような機械の外からの調整能力があるゼロ摩擦のターボ
Flowserveのシール部門は、EPPガスベアリングの利点を最初に認識したものの一つでしたが、興味深いことに、ベアリングではなくシールとして認識しました。 空気軸受けギャップで作成される高圧は低圧であらゆるガスのための不可能な障壁である。 今開発のシールは、何もプロセス側面からのシールの表面を渡って流れないので、多相圧縮の非常に信頼できる乾燥したガスのシールを可能にする。 ガス軸受けが0のRPMでdgssおよび仕事に関連して簡単、低価格であるので、Flowserveおよび他は多くの適用にガス軸受けシールの技術を経済的に提供できる。
だからシールなのか、それともベアリングなのか？ 流体力学のスラスト-ベアリングはパッドに区分されます従ってオイルのくさびの開発のためのリーディングエッジがあります。 エンジニアは大きい放射状のギャップのためにシールのためのこれを考慮しない。 しかし、EPPスラスト面は連続的な360度の面です。 それはDGSの表面のように見え、圧力がEPPのギャップで常に最も高いので、既にシールである。 従ってドライブ端で機能するEPPのスラスト-ベアリングが付いているまっすぐに圧縮機で推圧ランナーの区域は推圧負荷にまたDGSとして役立ってい
ベントリーが指摘していたもう一つの利点は、スラストベアリング、DGS、バランスピストンを同じ軸方向の空間に組み合わせることにより、ロータが短くなり、キューブ機能で剛性を高め、ロータのダイナミクスを劇的に改善し、必要なクリアランスを減少させることである。
それでも、圧縮段を通る長軸は弱いリンクである。 重大な速度、製造の許容でシャフトの脱線とシャフトの熱成長を説明するために大きい整理は固定子と回転子の間で必要である。
ギャップを通る流れはギャップの立方体関数であるため、固定子と羽根車の間の走行クリアランスを減らすことは、圧縮機の効率を向上させるた
高速モーターを各羽根車ステージに直接一体化し、各羽根車を独自のガスベアリング/シールで支持することで、隙間の狭い剛体としてより高速で回転させることができました。 さらに、各段階はシステムとして圧縮機のための最も有効なRPMで独自に回すことができる。 これは偽りなく遠心圧縮機の設計の新しい時代の夜明けである。
エキスパンダーレボリューション
同じシャフト上に対向するステージを持つエキスパンダー/コンプレッサー(図1参照)では、現在のパラダイムは、中央付近のオイルベアリング上のシャフトを支持し、オイルシール、ラビリンスシールを通って到達し、最終的にシャフトがインペラを支持することである。 これは軸受けからの羽根車へのシャフトの長さが直径の倍数であるので非常に堅くないシャフトのrotordynamicsそして他の動きを説明するためにされる。 この設計は、温度とともに粘度を変化させる油の必要性によっても複雑になる。
エキスパンダーの次の設計変更により、従来のオイルベアリングを排除し、羽根車をサポートし、羽根車の背面に直接シールを提供するガスベアリングに これは劇的にシャフトを短くすることを可能にする。 軸受け/シールはプロセスガス、蒸気または低温学の温度で作動できます。 この設計の費用有効性そして簡易性はエネルギー回復をより経済的にさせることができます。
図3では、回転軸がなくなり、代わりにインパラのIDに永久磁石が取り付けられ、固定センターピンにコイルが配置され、モータ/発電機が裏返しになります。 高い相対的な表面速度は高圧dcの生成に伝導性でした。
高電圧直流発電が進んでおり、高電圧直流（HVDC）伝送の傾向に適合しています。 高速モーターおよび発電機は回転子を通して圧縮に物理的に拡張を結ぶよりより多くの柔軟性のローカルHVDCのマイクロ格子を通して力を交換できます。
これは、加圧ガスベアリングやシールと協力して作業に近づくためのモーターや材料のビジョンですが、まだ少なくとも一つのステップが残っています。 モーターおよび軸受けはまだ圧縮機の別のスペースを占める別の要素である。 すなわち、ネオジム磁石が多孔性であることが実現されるまで、静気軸受要素にすることができる。 はい、モーターは軸受け、余りにであることができます!
モーターの永久磁石は、2020年になるとガス座面になる可能性があります。 永久磁石モータまたは発電機の効率および電力は、コイルと磁石との間の距離を最小にすることによって増加させることができる。 ガス軸受け技術は確実にこの整理を減らす方法です。 モーターおよび軸受けの組合せはモーターおよび軸受け要素が別の部品に残っていればより短く、軽いアセンブリを作成する。 これは、少なくとも今のところ、電気および機械エンジニアのための最初の同じボディの経験であり、より少ないスペースでより多くの機能を達成す
著者について
Drew DevittはNew Way Air Bearingsの創設者であり会長です。 Bently軸受けは、新しい方法空気軸受けによって、回転装置、ホイルか圧延の要素軸受けおよび大きいタービン、モーター発電機、圧縮機を取り替える小さい、高速機械に、目標とされる、(オイルの流体力学か磁気軸受けを取り替えるところで)。 2018年のターボ機械とポンプシンポジウムでは、ブース1315のBently Bearingsをご覧ください。
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MODERN PUMPING TODAY,August2018
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