Hoe werkt een centrifugaalcompressor?
figuur 1
tijdens de eerste eeuw van het ontwerp van centrifugale compressoren waren veranderingen evolutionair. Een centrifugaalcompressor uit 1900 lijkt sterk op een centrifugaalcompressor uit het jaar 2000 wat betreft de locatie van compressiefasen, afdichtingen, lagers en stuurprogramma ‘ s. In de loop van die eeuw waren er enkele definitieve ontwerpverbeteringen. Computermodellering maakte verbeteringen mogelijk in het ontwerp van waaiers, en vooruitgang in de productie zorgde voor de flexibiliteit om die waaiers daadwerkelijk te fabriceren. In de olielagertechnologie maakten kantellagers verbeterde prestaties mogelijk ten opzichte van gewone journaallagers. In de afdichtingstechnologie—waar gaslagertechnologie echt zijn oorsprong had in turboapparatuur—werd aerodynamische lagertechnologie gebruikt als een zeer effectieve contactloze afdichting, ter vervanging van olieafdichtingen.
maar er zou een technologische revolutie kunnen komen, gedreven door verbeteringen in onderdelen van motoren/generatoren met hoge snelheid, materialen met hoge sterkte en hoge temperatuur en gaslagers/afdichtingen met externe druk. De voordelen van deze componenten kunnen goed symbiotisch combineren, waardoor nieuwe machinearchitecturen, hogere snelheden, druk, temperaturen en efficiënties mogelijk zijn.
maart van motoren
verbeteringen in elektromotoren zijn onophoudelijk geweest, waarbij elke verbetering de kosten verminderde. Direct-drive, high-speed motor / generatoren en controllers zorgen voor verbeterde vermogensdichtheid, kostenstructuren en betrouwbaarheid die effectiever kunnen zijn dan Grotere, langzamere motoren en step-up versnellingsbakken. Zoals in andere industrieën, zoals de gereedschapswerktuigindustrie waar integrale motorspindels riemen, koppelingen, tandwielen en relatieve uitlijningen hebben geëlimineerd, komen motoren dichter bij het werk dat wordt gedaan.
Figuur 2
materialen gaan monolithisch
de komende twee decennia zullen waarschijnlijk ook ontwikkelingen in materialen mogelijk maken. Keramische matrix composieten (CMC ‘s) en koolstof/koolstof composiet materialen, die zijn hoge-temperatuur materialen oorspronkelijk ontwikkeld voor toepassingen in raket nozzles en remschijven voor Formule 1-auto’ s, zullen hun weg vinden in high-speed rotor toepassingen.
CMC ‘ s werden voor het eerst gebruikt in gasturbines als turbinebladen; zij konden de temperatuurgrenzen van metalen bladen overschrijden, waardoor hogere temperaturen en verbeterde turbine-efficiëntie mogelijk waren. Dit zijn ook de begindagen van superkritisch CO2 en de Brayton-cyclus voor energieopwekking. In de toekomst zou de Brayton-cyclus, grotendeels ontwikkeld voor het leger vanwege zijn 10x vermogensdichtheid over Rankine-cycli, algemeen kunnen worden. Dit zou kunnen leiden tot zeer compacte gasgestookte elektriciteitscentrales die dicht bij de vraagcentra zouden kunnen worden toegestaan en passen bij een nieuw “distributed power generation”-model. CMC materialen zullen belangrijk zijn bij het oplossen van erosie problemen in hoge-energie-dichtheid waaiers.
CMC ‘ s worden gebruikt als drooggasafdichtingsvlakken (DGS) en hebben de sterkte en temperatuurstabiliteit van de meest gebruikte siliciumcarbidevlakken, maar zijn niet broos en zullen dus niet catastrofaal verbrijzelen. Deze materialen zouden andere ontwerpverbeteringen bieden voor rotoren en statoren, zoals de mogelijkheid om thermische uitzetting en geleidbaarheid te verhogen of te verminderen.
isolerende eigenschappen zoals die van de hitteschildtegels van de spaceshuttle zullen belangrijk worden in structurele componenten, aangezien de aandrijving voor hogere efficiëntie bij de opwekking van energie leidt tot hogere en hogere temperaturen. Omdat turbines en compressoren zoveel kleiner worden als de snelheden stijgen, wordt composiet keramiek ook praktisch voor structurele componenten zoals rotoren en statoren.
Gaslagertechnologie kan ook de vooruitgang van het materiaal opvangen, waardoor het gebruik ondergedompeld kan worden. Dat betekent dat er olieloze gaslagers kunnen werken op procesgassen en bij procestemperaturen, waardoor de lagers van de uiteinden van de assen naar een positie binnen het afgedichte gebied kunnen bewegen, zelfs direct tussen of op waaiers. De lagers kunnen worden geplaatst waar het werk in de compressor wordt gedaan. Dit zou een revolutionaire verandering in de rotordynamica zijn, maar slechts het begin van de potentiële paradigmaverschuiving in het ontwerp van compressoren.
Figuur 3
maar eerst, terug naar de lagers
In de eerste jaren van de eenentwintigste eeuw, Bently Pressurized Bearing Co. introduceerde extern onder druk staande lagers met hoge unit belasting en nul-wrijving start en stopt. Lezers kunnen bekend zijn met Don Bently als de eerste die wervelstroomsondes toepast bij de studie van roterende apparatuur. Deze sondes konden hem” zien ” mode vormen van flexibele rotoren. Bently Nevada Corp. is geboren uit dit visioen. Na de verkoop van Bently Nevada aan GE in 2002 richtte Bently de Bently Pressurized Bearing Company op. Hij wilde oplossingen bieden voor de fundamentele problemen die hij had ervaren in de rotordynamica. “Pressurized Lager Technologie is voorbestemd om zo invloedrijk als de wervelstroom sonde in een revolutie roterende machines,” zei hij. Externe druklagers waren zeker veelbelovend, omdat ze de voordelen van olie -, folie-en magnetische lagers combineerden. Een voordeel waar Bentley snel op wees is dat de ingangsdruk naar het lager een directe relatie heeft met stijfheid en demping. Dit geeft de mogelijkheid om lagercoëfficiënten af te stemmen terwijl de machine in werking is, zoals bij magnetische lagers.
helaas voor Bently gebruikte hij een compensatie voor de opening. Compensatie is beperking van de stroom in de lagerspleet en een definiërend kenmerk van hydro-of aerostatische lagers. Om druk te krijgen om gelijkmatig te verdelen in een dunne lagerspleet wanneer het uit een klein gat is niet gemakkelijk. Wanneer de opening te klein wordt, stroomt het gebied rond de opening naar de rest van het gezicht, waardoor de luchtfilm instort, waardoor contact ontstaat.
er is een elegantere vorm van compensatie. In plaats van de beperking van een opening wordt de druk door een poreus materiaal in de opening gebracht. De gasdruk bloedt uit miljoenen kleine gaatjes over het volledige oppervlak van het lager en werkt op het tegenoppervlak als het uiteinde van een contactloze hydraulische cilinder. Grafiet en koolstof, van nature poreus en bekend bij de turbo-industrie, waren de eerste poreuze materialen die als compensatie werden gebruikt in extern onder druk staande poreuze (EPP) gaslagers. De technologie biedt Turbo industries olievrije lagers met nul wrijving die de hoge belastingen van olie lagers, de temperatuur extremen van folie lagers kunnen nemen, en hebben instelbaarheid van buiten de machine, zoals magnetische lagers.
de afdichtingsafdeling van Flowserve was een van de eersten die de voordelen van EPP—gaslagers erkende, maar—interessant-als afdichtingen, niet als lagers. De hoge druk die ontstaat in luchtlageropeningen is een onmogelijke barrière voor elk gas bij een lagere druk. De afdichtingen die nu in ontwikkeling zijn, zullen zeer betrouwbare droge gasafdichtingen in meerfasige compressie mogelijk maken, omdat er vanaf de proceszijde niets over het afdichtingsvlak stroomt. Omdat de gaslagers eenvoudig en goedkoop zijn ten opzichte van DGSs en werken bij 0 RPM, zullen Flowserve en anderen in staat zijn om gaslagerafdichtingstechnologie aan te bieden in veel meer economische toepassingen.
is het een zegel of een lager? Hydrodynamische stuwkrachtlagers zijn gesegmenteerd in pads, dus er zijn leading edges voor de ontwikkeling van oliewig. Geen enkele ingenieur zou dit overwegen voor een afdichting vanwege de grote radiale gaten. Maar een EPP stuwkracht gezicht is een continue 360-graden gezicht. Het ziet eruit als een gezicht van DG ‘ s, en omdat de druk in de EPP-kloof altijd het hoogst is, is het al een zegel. Dus in straight-through compressoren met de EPP-stuwkrachtlager die op het aandrijfeinde werkt, kan het gebied op de thrust runner reageren op de stuwkrachtbelastingen, terwijl het ook dienst doet als een DGS.
een ander voordeel dat Bently zeker zou hebben opgemerkt, is dat door het combineren van de stuwlager, DGS en balanszuiger in dezelfde axiale ruimte, de rotor korter wordt en verstijft op een kubusfunctie, waardoor de rotordynamiek aanzienlijk wordt verbeterd en de vereiste speling wordt verminderd.
toch is de lange as door de compressiefasen de zwakke schakel. Grote speling tussen stator en rotor is nodig om rekening te houden met uitstapjes van de as bij kritische snelheden, productietoleranties en voor de thermische groei van de as.
Flow through a spleet is a blobed function of the spleet, zodat het verminderen van de vrije loop tussen stators en waaiers een laag hangende vrucht is voor het verbeteren van de compressorefficiëntie.
met hogesnelheidsmotoren die direct in elke waaiertrap zijn geïntegreerd en elke waaier die op zijn eigen gaslagers/afdichtingen wordt ondersteund, kunnen zij bij hogere snelheden worden gesponnen als een stijve behuizing met nauwe speling. Bovendien kon elke trap onafhankelijk worden gedraaid bij het meest efficiënte toerental voor de compressor als systeem. Dit zou echt het begin zijn van een nieuw tijdperk in het ontwerp van centrifugale compressoren.
EXPANDER REVOLUTION
in een expander / compressor (zie figuur 1) met tegengestelde trappen op dezelfde as, is het huidige paradigma het ondersteunen van de as op olie lagers in de buurt van het centrum, het bereiken van door olieafdichtingen, vervolgens labyrintafdichtingen, en dan ten slotte de as ondersteunt waaiers, die aanzienlijke axiale en radiale speling moeten hebben aan de rand waar ze het grootste deel van hun werk doen. Dit wordt gedaan om rekening te houden met rotordynamica en andere bewegingen van de as, die niet erg stijf kan zijn, omdat de lengte van de as van lagers tot waaiers een veelvoud van de diameter is. Dit ontwerp wordt ook gecompliceerd door de behoefte aan olie, die de viscositeit verandert met de temperatuur.
de volgende ontwerpwijziging in expanders zou de conventionele olielagers kunnen elimineren en vervangen door gaslagers die de waaiers ondersteunen en direct aan de achterkant van de waaier afdichten (zie figuur 2). Dit zou het mogelijk maken de schacht drastisch te verkorten. De lager / afdichtingen kunnen werken op procesgassen, stoom of bij cryogene temperaturen. Kosteneffectiviteit en eenvoud van dit ontwerp kunnen energieterugwinning zuiniger maken.
in figuur 3 is er geen roterende as meer, in plaats daarvan is de ID van de waaier voorzien van permanente magneten en worden de spoelen in de stationaire middenpen geplaatst, waarbij de motor/generator binnenstebuiten wordt gedraaid. Hoge relatieve oppervlaktesnelheid was geleidend voor hoogspanningsgelijkstroomgeneratie.
dc-opwekking met hoogspanning vordert en past bij de trend in hoogspannings-en gelijkstroomtransmissie (HVDC). Hogesnelheidsmotoren en-generatoren zouden stroom kunnen wisselen via lokale HVDC-micro-grids met meer flexibiliteit dan uitbreiding fysiek koppelen aan compressie via een rotor.
dit is een visie van motoren en materialen die samenwerken met drukgaslagers en afdichtingen om dichter bij het werk te rijden, maar er is nog minstens één stap over. Motoren en lagers zijn nog steeds afzonderlijke elementen, die een aparte ruimte in de compressor innemen. Dat wil zeggen, totdat wordt gerealiseerd dat neodymium magneten poreus zijn, en kunnen worden omgezet in een aërostatisch lagerelement. Ja, de motor kan ook het lager zijn!
permanente magneten in motoren zouden al in 2020 het gaslageroppervlak kunnen worden. De efficiëntie en het vermogen van een permanente magneetmotor of generator kunnen worden verhoogd door de afstand tussen de spoelen en de magneten te minimaliseren. Gaslagertechnologie is de manier om deze speling op betrouwbare wijze te verminderen. De combinatie van motor en lagers zou samenstellingen creëren die korter en lichter zijn dan wanneer de motor en lagerelementen gescheiden componenten blijven. Dit zou de eerste ervaring met hetzelfde lichaam zijn voor de elektro-en de werktuigbouwkundige, en het ultieme in de voortdurende drang van de ontwerpingenieur om meer functionaliteit te bereiken in minder ruimte, althans voor nu.
over de auteur
Drew Devitt is de oprichter en voorzitter van New Way Air Bearings. Bently lagers, door nieuwe manier lucht lagers, is gericht op roterende apparatuur, zowel kleine, hoge snelheid machines waar ze vervangen folie of rolling element lagers en grote turbines, motor generatoren, compressoren, (waar ze vervangen olie hydrodynamische of magnetische lagers). Bezoek Bently lagers in stand 1315 op de 2018 Turbomachinery and Pump Symposia.
_______________________________________________________
MODERN PUMPING vandaag, augustus 2018
vond u dit artikel leuk?Abonneer u op de gratis digitale editie van Modern Pumping Today Magazine!