cum funcționează un compresor Centrifugal?
Figura 1
în timpul primului secol de proiectare a compresorului centrifugal, schimbările au fost evolutive. Un compresor centrifugal din 1900 seamănă foarte mult cu un compresor centrifugal fabricat în anul 2000 în ceea ce privește amplasarea etapelor de compresie, a garniturilor, a rulmenților și a șoferilor. În acel secol, au existat unele îmbunătățiri definitive ale designului. Modelarea computerizată a permis îmbunătățiri în proiectarea rotoarelor, iar progresele în fabricație au oferit flexibilitatea de a fabrica efectiv acele rotoare. În tehnologia rulmenților cu ulei, rulmenții cu plăcuțe înclinate au permis performanțe îmbunătățite față de rulmenții cu jurnal simplu. În tehnologia seal-unde tehnologia rulmentului cu gaz și—a avut într-adevăr Geneza în echipamentele turbo-tehnologia rulmentului aerodinamic a fost utilizată ca o etanșare fără contact foarte eficientă, înlocuind garniturile pe bază de ulei.
dar o revoluție tehnologică ar putea veni, determinată de îmbunătățiri ale componentelor motorului/generatorului de mare viteză, materialelor de înaltă rezistență, temperatură ridicată și lagărelor/garniturilor de gaz sub presiune externă. Avantajele acestor componente se pot combina simbiotic, permițând noi arhitecturi de mașini, viteze mai mari, presiuni, temperaturi și eficiențe.
MARCH of MOTORS
Îmbunătățirile motoarelor electrice au fost neobosite, fiecare îmbunătățire reducând costurile. Motorul/generatoarele cu acționare directă, de mare viteză și controlerele permit densități de putere îmbunătățite, structuri de costuri și fiabilitate care pot fi mai eficiente decât motoarele mai mari, mai lente și cutiile de viteze step-up. Ca și în alte industrii, cum ar fi industria mașinilor-unelte, unde axele integrale ale motorului au eliminat centurile, cuplajele, angrenajele și alinierile relative, motoarele se apropie de lucrările efectuate.
Figura 2
materialele sunt monolitice
următoarele două decenii vor permite probabil și dezvoltarea materialelor. Compozitele cu matrice ceramică (CMC) și materialele compozite carbon/carbon, care sunt materiale la temperaturi ridicate dezvoltate inițial pentru aplicații în duze de rachete și discuri de frână pentru mașinile de Formula 1, își vor găsi drumul în aplicațiile rotorului de mare viteză.
CMC-urile au fost utilizate pentru prima dată în turbinele cu gaz ca lame de turbină electrică; au reușit să depășească limitările de temperatură ale lamelor metalice, permițând temperaturi mai ridicate și eficiență îmbunătățită a turbinei. Acestea sunt, de asemenea, primele zile ale CO2 super critic și ciclul Brayton pentru generarea de energie. În viitor, ciclul Brayton, dezvoltat în mare parte pentru armată datorită densității sale de putere de 10 ori față de ciclurile Rankine, ar putea deveni obișnuit. Acest lucru ar putea duce la centrale electrice foarte compacte alimentate cu gaz, care ar putea fi permise aproape de centrele de cerere și se potrivesc cu un nou model de „generare distribuită a energiei”. Materialele CMC vor fi importante în rezolvarea problemelor de eroziune în rotoarele cu densitate mare de energie.
utilizate ca fețe de etanșare cu gaz uscat (DGS), CMC-urile au rezistența și stabilitatea temperaturii fețelor din carbură de siliciu mai frecvent utilizate, dar nu sunt fragile și, prin urmare, nu se vor sparge catastrofal. Aceste materiale ar oferi alte îmbunătățiri de proiectare pentru rotoare și statoare, cum ar fi capacitatea de a crește sau de a scădea expansiunea termică și conductivitatea.
proprietățile izolatoare precum cele ale plăcilor de scut termic ale navetei spațiale vor deveni importante în componentele structurale, deoarece unitatea pentru o eficiență mai mare în generarea de energie duce la temperaturi din ce în ce mai ridicate. Deoarece turbinele și compresoarele devin mult mai mici pe măsură ce viteza crește, ceramica compozită devine practică și pentru componentele structurale, cum ar fi rotoarele și statoarele.
tehnologia purtătoare de gaz ar putea prelua și progresele materiale, permițând funcționarea la cald. Asta înseamnă că ar putea exista rulmenți cu gaz fără ulei care funcționează pe gazele de proces și la temperaturile de proces, permițând rulmenților să se deplaseze de la capetele arborilor într-o poziție în interiorul zonei sigilate, chiar direct între sau pe rotoare. Rulmenții pot fi poziționați acolo unde se lucrează în compresor. Aceasta ar fi o schimbare revoluționară în rotordynamică, dar numai începutul schimbării potențiale de paradigmă în proiectarea compresorului.
Figura 3
dar mai întâi, înapoi la rulmenții
în primii ani ai secolului XXI, Rulmentul sub presiune Bently Co. au fost introduse rulmenți sub presiune externă, cu încărcare ridicată a unității și pornire și oprire cu frecare zero. Cititorii pot fi familiarizați cu Don Bently ca fiind primii care aplică sonde de curent turbionar în studiul echipamentelor rotative. Aceste sonde i-au permis să „vadă” formele de Mod ale rotoarelor flexibile. Bently Nevada Corp. s-a născut din această viziune.
după ce a vândut Bently Nevada către GE în 2002, Bently a fondat compania de rulmenți sub presiune Bently. El a vrut să ofere soluții la problemele fundamentale pe care le-a experimentat în rotordynamică. „Tehnologia rulmenților sub presiune este destinată să fie la fel de influentă ca sonda de curent turbionar în revoluționarea mașinilor rotative”, a spus el.
rulmenții sub presiune externă au fost cu siguranță promițători, combinând avantajele uleiului, foliei și rulmenților magnetici. Un avantaj pe care Bentley l-a subliniat rapid este că presiunea de intrare a rulmentului are o relație directă cu rigiditatea și amortizarea. Acest lucru oferă posibilitatea de a regla coeficienții de rulment în timp ce mașina este în funcțiune, ca și în cazul rulmenților magnetici.
din păcate pentru Bently, el folosea compensarea orificiului. Compensarea este restricționarea fluxului în spațiul lagărului și o caracteristică definitorie a rulmenților hidro sau aerostatici. Pentru a obține presiune pentru a distribui uniform într-un spațiu subțire de rulment atunci când emite dintr-o gaură mică nu este ușor. Când decalajul devine prea mic, zona din jurul orificiului suflă spre restul feței, provocând prăbușirea filmului de aer, ceea ce duce la contact.
există un tip mai elegant de compensare. În loc de restricționarea unui orificiu, presiunea este introdusă în gol printr-un material poros. Presiunea gazului sângerează din milioane de găuri mici de-a lungul întregii fețe a rulmentului și acționează pe contra-suprafață ca capătul unui cilindru hidraulic fără contact. Grafitul și carbonul, natural poroase și familiare turbo industries, au fost primele materiale poroase utilizate ca compensare în lagărele de gaz poroase sub presiune externă (EPP). Tehnologia oferă turbo industries rulmenți fără ulei cu frecare zero, care pot prelua încărcăturile mari de rulmenți cu ulei, temperaturile extreme ale rulmenților din folie și au reglabilitate din afara mașinii, cum ar fi rulmenții magnetici.
Divizia de etanșare de la Flowserve a fost una dintre primele care a recunoscut avantajele rulmenților cu gaz EPP, dar—interesant—ca sigilii, nu rulmenți. Presiunea ridicată creată în golurile lagărului de aer este o barieră imposibilă pentru orice gaz la o presiune mai mică. Sigiliile în curs de dezvoltare acum vor permite etanșări de gaz uscate foarte fiabile în compresie multifazică, deoarece nimic nu curge pe fața sigiliului din partea procesului. Deoarece rulmenții cu gaz sunt simpli și cu costuri reduse în raport cu DGSs și funcționează la 0 RPM, Flowserve și alții vor putea oferi tehnologie de etanșare a rulmenților cu gaz în multe alte aplicații din punct de vedere economic.
deci este un sigiliu sau este un rulment? Rulmenții axiali hidrodinamici sunt segmentați în plăcuțe, astfel încât există muchii principale pentru dezvoltarea penei de ulei. Niciun inginer nu ar lua în considerare acest lucru pentru o etanșare din cauza golurilor radiale mari. Dar o față de împingere PPE este o față continuă de 360 de grade. Arată ca o față DGS și, deoarece presiunea este întotdeauna cea mai mare în decalajul PPE, este deja un sigiliu. Deci, în compresoarele drepte cu rulmentul axial PPE care acționează pe capătul de antrenare, zona de pe alergătorul de împingere ar putea reacționa la sarcinile de împingere, servind în același timp și ca DGS.
un alt avantaj pe care Bently ar fi fost sigur să-l sublinieze este că prin combinarea rulmentului axial, DGS și pistonul de echilibrare în același spațiu axial, rotorul devine mai scurt și se rigidizează pe o funcție cub, îmbunătățind dramatic dinamica rotorului și reducând distanțele necesare.
totuși, arborele lung prin etapele de compresie este veriga slabă. Sunt necesare distanțe mari între stator și rotor pentru a ține cont de excursiile arborelui la viteze critice, toleranțe de fabricație și pentru creșterea termică a arborelui.
curgerea printr-un gol este o funcție cubată a decalajului, astfel încât reducerea distanțelor de funcționare între statoare și rotoare este un fruct scăzut de agățare pentru îmbunătățirea eficienței compresorului.
cu motoare de mare viteză integrate direct în fiecare etapă a rotorului și fiecare rotor susținut pe propriile rulmenți/garnituri de gaz, acestea ar putea fi rotite la viteze mai mari ca un corp rigid cu spații libere strânse. În plus, fiecare etapă ar putea fi rotită independent la cea mai eficientă RPM pentru compresor ca sistem. Acest lucru ar fi cu adevărat zorii unei noi ere în proiectarea compresorului centrifugal.
Revoluția expanderului
într-un expander/compresor (vezi Figura 1) cu trepte opuse pe același arbore, paradigma actuală este de a susține arborele pe rulmenții de ulei din apropierea centrului, ajungând prin garnituri de ulei, apoi garnituri de labirint și apoi în cele din urmă arborele susține rotoarele, care trebuie să aibă distanțe axiale și radiale semnificative în perimetrele lor, unde își fac cea mai mare parte a muncii. Acest lucru se face pentru a ține cont de rotordinamică și alte mișcări ale arborelui, care nu pot fi foarte rigide, deoarece lungimea arborelui de la rulmenți la rotoare este un multiplu al diametrului său. Acest design este, de asemenea, complicat de nevoia de ulei, care schimbă vâscozitatea cu temperatura.
următoarea modificare de proiectare a expandoarelor ar putea elimina lagărele convenționale de ulei și le-ar putea înlocui cu lagăre de gaz care susțin rotoarele și asigură etanșarea directă pe partea din spate a rotorului (a se vedea figura 2). Acest lucru ar permite scurtarea dramatică a arborelui. Rulmentul / garniturile ar putea funcționa pe gaze de proces, abur sau la temperaturi criogenice. Eficiența costurilor și simplitatea acestui design ar putea face recuperarea energiei mai economică.
în Figura 3, nu mai există un arbore rotativ, în schimb ID-ul rotorului este prevăzut cu magneți permanenți, iar bobinele sunt dispuse în știftul Central staționar, rotind motorul/generatorul spre interior. Viteza relativă ridicată a suprafeței a fost conductivă la generarea de curent continuu de înaltă tensiune.
generarea de curent continuu de înaltă tensiune avansează și se potrivește cu tendința transmisiei de înaltă tensiune, curent continuu (HVDC). Motoarele și generatoarele de mare viteză ar putea schimba puterea prin micro-rețele locale HVDC cu mai multă flexibilitate decât legarea fizică a expansiunii la compresie printr-un rotor.
aceasta este o viziune a motoarelor și materialelor care cooperează cu rulmenții și garniturile de gaz sub presiune pentru a se apropia de lucrările efectuate, dar mai rămâne cel puțin un pas. Motoarele și rulmenții sunt încă elemente separate, ocupând spațiu separat în compresor. Adică, până când se realizează că magneții de neodim sunt poroși și pot fi transformați într-un element de rulment aerostatic. Da, motorul ar putea fi și rulmentul!
magneții permanenți din motoare ar putea deveni suprafețele purtătoare de gaz încă din 2020. Eficiența și puterea unui motor sau generator cu magnet permanent ar putea fi mărite prin minimizarea distanței dintre bobine și magneți. Tehnologia rulmentului cu gaz este modalitatea de a reduce în mod fiabil acest spațiu liber. Combinația dintre motor și rulmenți ar crea ansambluri mai scurte și mai ușoare decât dacă motorul și elementele rulmentului rămân componente separate. Aceasta ar fi prima experiență cu același corp pentru inginerul electric și mecanic și ultimul în efortul continuu al inginerului de proiectare de a obține mai multă funcționalitate în mai puțin spațiu, cel puțin pentru moment.
despre autor
Drew Devitt este fondatorul și președintele new Way air Bearings. Bently Bearings, by new Way Air Bearings, se adresează echipamentelor rotative, atât mașinilor mici, de mare viteză, unde înlocuiesc rulmenții cu folie sau elemente de rulare, cât și turbinelor mari, generatoarelor de motoare, compresoarelor (unde înlocuiesc rulmenții hidrodinamici sau magnetici cu ulei). Vizitați Bently Bearings în cabina 1315 la simpozioanele Turbomachinery și Pump din 2018.
_______________________________________________________
pompare modernă astăzi, August 2018
v-a plăcut acest articol?
Abonați-vă la ediția digitală gratuită a revistei Modern Pumping Today!