원심 압축기는 어떻게 작동합니까?
그림 1
원심 압축기 설계의 1 세기 동안 변화는 진화 적이었다. 1900 에서 원심 압축기는 압축 단계,물개,방위 및 운전사의 위치에 관하여 2000 년에서 제조된 원심 압축기같이 대단히 본다. 그 세기 동안 몇 가지 확실한 디자인 개선이있었습니다. 컴퓨터 모델링은 임펠러의 설계 개선을 허용했으며 제조의 발전은 실제로 그 임펠러를 제작할 수있는 유연성을 제공했습니다. 오일 베어링 기술에서 틸팅 패드 베어링은 일반 저널 베어링보다 향상된 성능을 가능하게했습니다. 가스 베어링 기술이 터보 장비에서 실제로 발생했던 씰 기술에서 공기 역학적 베어링 기술은 오일 기반 씰을 대체하는 매우 효과적인 비접촉 씰로 사용되었습니다.
그러나 고속 모터/발전기 부품,고강도,고온 재료 및 외부 가압 가스 베어링/씰의 개선으로 인해 기술 혁명이 일어날 수 있습니다. 이러한 구성 요소의 장점은 공생 적으로 결합 될 수 있으므로 새로운 기계 아키텍처,더 높은 속도,압력,온도 및 효율성이 가능합니다.
모터 3 월
전기 모터의 개선은 비용을 절감 할 때마다 끊임없는 개선이있었습니다. 직접 구동,고속 모터/발전기 및 컨트롤러는 더 크고 느린 모터 및 스텝 업 기어 박스보다 더 효과적 일 수있는 향상된 전력 밀도,비용 구조 및 신뢰성을 가능하게합니다. 일체형 모터 스핀들이 벨트,커플 링,기어 및 상대 정렬을 제거한 공작 기계 산업과 같은 다른 산업 분야에서와 마찬가지로 모터는 수행되는 작업에 더 가까워지고 있습니다.
그림 2
재료는 모 놀리 식
향후 20 년은 재료의 발전을 가능하게 할 것입니다. 세라믹 매트릭스 복합재료 및 탄소/탄소 복합재료는 원래 포뮬러 1 자동차용 로켓 노즐 및 브레이크 디스크의 응용용으로 개발된 고온 재료로서 고속 로터 응용 분야로 발전할 것입니다.
가스 터빈에서 처음으로 전력 터빈 블레이드로 사용되었으며,금속 블레이드의 온도 제한을 초과하여 더 높은 온도와 향상된 터빈 효율을 허용 할 수있었습니다. 이 또한 슈퍼 중요한 이산화탄소의 초기 및 발전을위한 브레이튼 사이클이다. 미래에는 랭킨 사이클에 비해 10 배의 전력 밀도 때문에 군을 위해 주로 개발 된 브레이튼 사이클이 보편화 될 수 있습니다. 이는 수요 센터 근처에서 허용되고 새로운”분산 발전”모델에 적합 할 수있는 매우 컴팩트 한 가스 공급 발전소로 이어질 수 있습니다. 고 에너지 밀도 임펠러의 침식 문제를 해결하는 데 중요한 역할을 할 것입니다.
건조 가스 씰 얼굴로 사용,더 일반적으로 사용되는 실리콘 카바이드 얼굴의 강도와 온도 안정성을 가지고 있지만,취성하지 않고 그래서 격변 산산조각되지 않습니다. 이 물자는 회전자와 고정자를 위한 다른 디자인 개선을,열 확장 및 전도도를 증가하거나 줄이는 기능 같이 제안할 것입니다.
우주왕복선 열차폐 타일과 같은 절연 특성은 발전 효율이 높아지고 온도가 높아짐에 따라 구조적 구성 요소에서 중요해질 것입니다. 속도가 증가함에 따라 터빈과 압축기가 훨씬 작아지기 때문에 복합 세라믹은 로터 및 고정자와 같은 구조적 구성 요소에도 실용적입니다.
가스 방위 기술은 물자 전진에 너무 주워 수 있어,뜨겁 가라앉힌 가동을 허용하. 즉,공정 가스 및 공정 온도에서 오일리스 가스 베어링이 작동하여 베어링이 샤프트 끝에서 밀폐된 영역 내부의 위치로,심지어 임펠러 사이 또는 임펠러에서 직접 이동할 수 있습니다. 방위는 일이 압축기에서 행해지고 있는 곳에 있을 수 있습니다. 이것은 회전 역학의 혁명적 인 변화 일 것이지만 압축기 설계의 잠재적 패러다임 변화의 시작에 불과합니다.
그림 3
하지만 먼저,다시 베어링
21 세기의 첫 해에,굽게 가압 베어링 공동. 높은 단위 선적 및 영 마찰 시작 및 정지를 가진 소개된 외면적으로 압력을 가한 방위. 독자는 회전 장비의 연구에 와전류 프로브를 적용 할 첫 번째로 굽게 돈에 익숙 할 수있다. 이 프로브를 통해 유연한 로터의 모드 모양을”볼”수있었습니다. 벤틀리 네바다 주식 회사는이 비전에서 태어났다.
2002 년 벤틀리 네바다를 창으로 판매 한 후 벤틀리 가압 베어링 회사를 설립했습니다. 그는 로토 다이나믹에서 경험했던 근본적인 문제에 대한 해결책을 제공하고 싶었습니다. “압력을 가한 방위 기술은 회전 기계장치를 혁명을 일으키기에 있는 와전류 조사 처럼 유력하기 위하여 운명됩니다,”그는 말했습니다.
외부 가압 베어링은 오일,호일 및 자기 베어링의 장점을 결합하여 확실히 유망했습니다. 벤틀리가 빠르게 지적한 장점은 베어링에 대한 입력 압력이 강성과 감쇠와 직접적인 관계가 있다는 것입니다. 이것은 자기 베어링과 마찬가지로 기계가 작동하는 동안 베어링 계수를 조정할 수있는 기능을 제공합니다.
불행히도 벤틀리에게는 오리피스 보상을 사용하고있었습니다. 보상은 베어링 갭으로의 흐름 제한 및 하이드로 또는 에어 스태틱 베어링의 정의 특성입니다. 작은 구멍에서 발행할 때 얇은 방위 간격에서 균등하게 배부하는 압력을 얻는 것은 쉽지 않습니다. 갭이 너무 작아 질 때,오리피스 초크 주변 영역이 얼굴의 나머지 부분으로 흐르고,에어 필름이 붕괴되어 접촉이 발생합니다.
보다 우아한 유형의 보상이 있습니다. 개구부의 제한 대신에,압력은 다공성 물질을 통해 갭 내로 도입된다. 가스 압력은 베어링의 전체면을 가로 지르는 수백만 개의 작은 구멍에서 흘러 나와 비접촉식 유압 실린더의 끝과 같은 카운터 표면에 작용합니다. 자연적으로 다공성이며 터보 산업에 익숙한 흑연 및 탄소는 외부 가압 다공성 가스 베어링에서 보상으로 사용 된 최초의 다공성 재료였습니다. 이 기술은 오일 베어링의 높은 부하,호일 베어링의 극한 온도를 취할 수 있고 자기 베어링과 같은 기계 외부에서 조절 가능한 마찰이 없는 터보 산업 오일 프리 베어링을 제공합니다.
플로우 서브의 씰 부문은 가스 베어링의 장점을 가장 먼저 인식 한 것 중 하나 였지만 흥미롭게도 베어링이 아닌 씰로 인식되었습니다. 공기 베어링 갭에서 생성 된 높은 압력은 낮은 압력에서 모든 가스에 대한 불가능한 장벽입니다. 현재 개발 중인 씰은 공정 측면에서 씰면을 가로질러 아무것도 흐르지 않기 때문에 다상 압축에서 매우 신뢰할 수 있는 건식 가스 씰을 허용합니다. 가스 베어링은 가스 베어링에 비해 간단하고 비용이 저렴하며 0 분당 회전수로 작동하기 때문에 플로우 서브와 다른 사람들은 가스 베어링 씰 기술을 경제적으로 더 많은 응용 분야에 제공 할 수 있습니다.
그래서 그것은 인감 또는 베어링인가? 유체역학 돌격 방위는 패드로 분단됩니다 그래서 기름 쐐기 발달을 위한 앞 가장자리가 있습니다. 어떤 엔지니어 때문에 큰 방사형 간격의 밀봉이 고려하지 않을 것이다. 그러나 엡피 추력면은 360 도 연속 얼굴입니다. 이 경우,압력이 항상 가장 높기 때문에,그것은 이미 밀봉이다. 따라서 드라이브 끝부분에 스러스트 베어링이 작용하는 직선형 컴프레서에서는 스러스트 러너의 영역이 스러스트 하중에 반응할 수 있습니다. 로터 다이내믹을 획기적으로 개선하고 필요한 여유 공간을 줄임으로써 로터가 큐브함수에서 짧아지고 경직됩니다.
아직도,압축 단계를 통해서 긴 갱구는 약한 연결입니다. 큰 간극은 고정자와 회전자 사이 긴요한 속도,제조 포용력에 갱구의 소풍 그리고 갱구의 열 성장을 설명하기 위하여 필요합니다.
갭을 통한 흐름은 갭의 입방체 기능이므로 고정자와 임펠러 사이의 주행 간극을 줄이는 것은 압축기 효율을 향상시키기위한 낮은 교수형 과일입니다.
고속 모터가 각 임펠러 스테이지에 직접 통합되고 각 임펠러가 자체 가스 베어링/씰에지지되어 단단한 간극을 가진 강체로 더 높은 속도로 회전 할 수 있습니다. 게다가,각 단계는 체계로 압축기를 위한 그것의 능률적인 회전수에 자주적으로 자전할 수 있었습니다. 이것은 진정으로 원심 압축기 디자인의 새로운 시대의 새벽이 될 것입니다.
익스팬더 레볼루션
같은 샤프트에 반대되는 스테이지가 있는 익스팬더/컴프레서(그림 1 참조)에서,현재의 패러다임은 중심 근처의 오일 베어링에 샤프트를 지지하고,오일 씰을 통과한 다음,래빈스 씰을 통과한 다음,샤프트가 임펠러를 지지하는 것입니다. 이것은 베어링에서 임펠러까지의 샤프트 길이가 직경의 배수이기 때문에 샤프트의 회전 역학 및 기타 움직임을 설명하기 위해 수행됩니다. 이 디자인은 또한 온도에 따라 점도를 변화시키는 오일의 필요성으로 인해 복잡합니다.
확장기의 다음 설계 변경은 기존의 오일 베어링을 제거하고 임펠러를지지하고 임펠러 뒷면에 직접 밀봉하는 가스 베어링으로 교체 할 수 있습니다(그림 2 참조). 이것은 극적으로 갱구를 단축하는 가능하게 할 것입니다. 베어링/씰은 공정 가스,증기 또는 극저온에서 작동 할 수 있습니다. 이 디자인의 비용 효율성 그리고 간명은 에너지 회수를 경제에게 할 수 있었습니다.
그림 3 에서는 더 이상 회전축이 없으며 대신 임펠러의 이드에 영구 자석이 장착되고 코일이 고정 된 중앙 핀에 배치되어 모터/발전기를 안쪽으로 돌립니다. 높은 상대 표면 속도는 고전압 직류 발생에 도전적이었다.
고전압 직류 발전이 발전하고 있으며 고전압,직류 전송 추세에 부합합니다. 고속 모터 및 발전기는 로터를 통해 물리적으로 팽창을 압축에 연결하는 것보다 더 많은 유연성으로 로컬 공조 전력망 마이크로 그리드를 통해 전력을 교환 할 수 있습니다.
이것은 가압 가스 베어링 및 씰과 협력하는 모터와 재료가 수행되는 작업에 더 가까이 다가갈 수 있도록 하는 비전이지만,적어도 한 단계가 남아 있습니다. 모터와 베어링은 여전히 별도의 요소이며 압축기에서 별도의 공간을 차지합니다. 즉,네오디뮴 자석이 다공성이며 공기 고정 베어링 요소로 만들어 질 수 있다는 것이 실현 될 때까지. 예,모터가 베어링이 될 수 있습니다!
모터의 영구 자석은 2020 년 즉시 가스 베어링 표면이 될 수 있습니다. 코일과 자석 사이의 거리를 최소화함으로써 영구 자석 모터 또는 발전기의 효율 및 전력을 증가시킬 수 있습니다. 가스 베어링 기술은 이러한 클리어런스를 안정적으로 줄이는 방법입니다. 모터와 베어링의 조합은 모터와 베어링 요소가 별도의 구성 요소로 남아있는 경우보다 짧고 가벼운 어셈블리를 만듭니다. 이것은 전기 및 기계 엔지니어의 첫 번째 동일 신체 경험이 될 것이며,적어도 지금은 더 적은 공간에서 더 많은 기능을 달성하기위한 설계 엔지니어의 지속적인 드라이브에서 궁극적 인 것입니다.
저자 소개
드류 데빗은 뉴 웨이 에어 베어링의 설립자이자 회장이다. 벤틀리 베어링은 새로운 방식의 에어 베어링에 의해 호일 또는 롤링 요소 베어링과 대형 터빈,모터 발전기,압축기(오일 유체 역학 또는 자기 베어링을 교체하는 곳)를 교체하는 소형 고속 기계를 대상으로합니다. 2018 터보 기계 및 펌프 심포지엄에서 부스 1315 에서 벤틀리 베어링을 방문하십시오.
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현대 펌핑 오늘,8 월 2018
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