Scoping Don Bently's lagerconcept

- Dec 05, 2019-

Scoping Don Bently's lagerconcept

Hydrodynamische oliefilmlagers zijn al meer dan 100 jaar standaard in grote apparatuur. Meer recent domineren oliekogellagers van het kantelpad in toepassingen met roterende apparatuur met hoge energie. Bovendien is in de afgelopen decennia hydrodynamische gaslagertechnologie geaccepteerd in drooggasafdichtingen. Foliegaslagers zijn ook een type hydrodynamisch lager en hebben een groeiende acceptatie gezien in luchtvaart-HVAC en sub-megawatt microturbines.

Folielagers zijn vloeistoffilmlagers die worden ondersteund op flexibele stoten of bladeren, dus er is een lage belasting en stijfheid maar grote openingen en hoge snelheden. De lageringstechnologie in droge gasafdichtingen maakt daarentegen vaak gebruik van stijf siliciumcarbide en hoge eenheidsbelasting met kleine openingen. Al deze gevallen zijn voorbeelden van dynamische lagers; dat wil zeggen vloeistoffilmlagers die druk genereren om de belasting te ondersteunen van de relatieve beweging tussen de lageroppervlakken. Dit is wat onze turbo-industrie gewend is.

Figuur 1: Dit is een grafiek met een “groot beeld” om conceptuele gasdragende technologie in turbomateriaal te kunnen bedenken. Het is een lift versus belastingsgrafiek voor een extern onder druk poreus (EPP) gaslager met 10 vierkante inch lageroppervlak, 100 psi wordt naar het lager geleid als de belasting op het lager wordt verhoogd. De resulterende luchtspleten worden op de onderste as in microns weergegeven. De helling van de curve is representatief voor de filmstijfheid. De typische werkgebieden van droge gasafdichtingen en folielagers worden op elkaar gelegd, net als het werkgebied voor EPP-lagers. Het is te zien dat de EPP-lagers met een grotere opening werken dan droge gasafdichtingen, waardoor problemen met verwarming en contact worden verminderd, maar nog steeds goede stijfheid, demping en snelheid hebben.

Wat Don Bently suggereerde, is het gebruik van externe druk en compensatie om zowel de vloeistoffilm als de stijfheid en demping van de lagers van buiten de machine te regelen. Na al die jaren alleen maar te hebben gemeten wat er aan de hand was met een rotor / lager of afdichting, demonstreerde hij een manier om lagers dynamisch af te stemmen op de bedrijfsomstandigheden ter plaatse. Is een zeehond warm? Een toename van de ingangsdruk direct tussen de lagervlakken zal de opening proportioneel vergroten, maar er is niet veel nodig omdat afschuiving in de opening wordt verminderd door een kubusfunctie van de toenemende opening. Dit zijn spelveranderende manieren om rotor dynamische problemen aan te pakken die nog niet door de turbo-industrie zijn geaccepteerd en dit is wat Don suggereerde.

Bovendien bieden extern onder druk staande lagers nieuwe opties in de machinearchitectuur. Hydro- en aerodynamische druklagers hebben bijvoorbeeld gesegmenteerde kussens voor het hebben van voorranden voor de ontwikkeling van de vloeistoffilmwig. Vanwege deze grote radiale openingen zou geen enkele ingenieur een dynamisch druklager als afdichting beschouwen. Als alternatief denken de extern onder druk staande druklagers een aaneengesloten 360 graden gezicht dat net lijkt op een droog gasdichtingsvlak en omdat de druk altijd het hoogst is in de lagerspleet, is het al een afdichting! Dit brengt de ingenieur ertoe om te denken: “Als ik oliesmering zou kunnen elimineren, mijn druklager met mijn droge gasafdichting zou kunnen combineren, zou ik zelfs een gedeelte op de drukas kunnen gebruiken om de balanszuiger te vervangen.” Dit vermindert drastisch bewegende delen en brengt DGS lage lekkages naar balanszuigers (de laaghangende vrucht van verbeterde compressorefficiëntie). Het grootste voordeel is echter, zoals Don zou beweren, dat de as, die de zwakke schakel is, verstijft op een kubusfunctie terwijl je deze korter maakt, waardoor de rotordynamiek dramatisch wordt verbeterd.

Figuur 2: Een uitwendig onder druk staand druklager ziet eruit en werkt ongeveer als een dubbele tegenoverliggende gelaatsafdichting, wanneer geplaatst aan de hogedrukzijde van een rechte, hoewel centrifugale compressor, kan radiaal onroerend goed op de drukschijf worden gebruikt als de balanszuiger die de vereiste verkort lengte van de as genoeg om een grote verbetering van de rotordynamica te maken.

Waarom was Don niet succesvoller met zijn nieuwe lagers? En wat is compensatie in extern onder druk staande lagers?

Uitwendig onder druk staande gaslagers worden ook aerostatische lagers genoemd, omdat ze zelfs bij nul tpm heffen. Hoewel ze geen fijne pompgroeven hebben, zoals dynamische lagers, hebben ze wel een soort beperking nodig om het gas in de opening te doseren. Luchtdruk wordt direct tussen de lageroppervlakken gebracht door precisiegaten, openingen, groeven, treden of poreuze compensatietechnieken. Het is dit restrictieproces dat compensatie wordt genoemd, dat cruciaal is, maar nog niet goed wordt gewaardeerd.

Door compensatie kunnen de lagervlakken heel dicht bij elkaar lopen zonder elkaar aan te raken, want hoe dichter ze bij elkaar komen, hoe hoger de gasdruk tussen hen wordt, waardoor de vlakken van elkaar worden afgestoten. Onder een vlak gaslager zal de gemiddelde druk in de opening gelijk zijn aan de totale belasting op het lager gedeeld door het oppervlak. Dat is de eenheid die wordt geladen. Dus als de brongasdruk 100 psi is en het afdichtingsvlak een oppervlakte van 10 m² heeft en er 600 lbs is. van belasting, zal er een gemiddelde van 60 psi in de lagerspleet zijn. Omdat er een restrictor van een bepaald type vlak voor de opening is, als de belasting toeneemt tot 700 lbs, vermindert de lagerruimte, waardoor de stroom in de opening wordt geblokkeerd en de restrictor de gemiddelde druk in de opening kan laten toenemen tot 70 psi.

Van alle compensatietechnieken is openingscompensatie de meest populaire of meest gebruikte. Dit is ook de technologie die Don gebruikte. Openingscompensatie maakt typisch gebruik van precies gevormde openingen die strategisch op het lageroppervlak zijn geplaatst en vaak worden gecombineerd met groeven om de perslucht over het lageroppervlak te verdelen. Als het lagervlak echter bekrast raakt over een groef of in de buurt van een opening, kan het volume lucht dat door de kras ontsnapt mogelijk meer zijn dan de opening kan leveren, waardoor de lagervlakken in contact komen of crashen. De lagers van de opening kunnen ook worden geplaagd door vervuiling die de opening verstopt en het gezicht verhongert voor druk en stroming. Openingen hebben typisch een diameter van 100 tot 250 urn (0,004 tot 0,010 inch) en kunnen dus gemakkelijk worden verstopt door teflon-tape of materiaal dat van de binnenkant van de buis of een andere deeltjesbesmetting afkomt.

Figuur 3: Orifice lagers van Bently Pressurized Bearing Company

Eindelijk ervaren openingslagers instorting bij zeer kleine openingen. Naarmate het oppervlak van het lager dichter bij het geleidingsoppervlak komt, verstopt de instroom rond het toevoergat en is niet voldoende om druk en stroming voor de rest van het oppervlak te verschaffen. Deze ineenstorting kan tijdens de eerste lancering omgekeerd worden gezien. Door de toevoerluchtdruk langzaam te verhogen van "0" naar een lager van de opening dat wordt geaard door een belasting, kan worden gezien dat een hoog percentage van de toevoerdruk nodig is voordat het lager omhoog komt, aangezien de stroom over de voorkant van het lager. Dit komt omdat een platte opening die op een vlak oppervlak rust, alleen het gebied van openingen en groeven heeft om de initiële lift vast te stellen (figuur 4).

Figuur 4: Dit is een opengewerkt zijaanzicht van een typisch luchtlager met een opening gevonden in een coördinatenmeetmachine (CMM). Als een pneumatisch systeem als een "lucht- of gaslager" moet worden beschouwd, moet het een beperking hebben stroomopwaarts van de beperking van de lagerspleet.

Er is een elegantere methode om deze compensatie te bieden. Het ideale luchtlagerontwerp levert gelijkmatige druk over het hele oppervlak van het lager en beperkt en dempt tegelijkertijd automatisch de luchtstroom naar het oppervlak. Dit kan worden bereikt door lucht door een poreus lager of afdichtingsvlak te verspreiden, we gebruiken vaak grafiet (figuur 5). De stabiliteit van de compensatie van poreuze media is te wijten aan het dempende effect van de martelende doorgangen waar het gas doorheen moet stromen om het oppervlak te bereiken. Dit dempende effect maakt het moeilijk voor het volume lucht in de opening om snel te veranderen, wat resulteert in een natuurlijk stabiele gasfilm die niet kan worden verstopt door deeltjes. Omdat zelfs met de toevoerbuizen en / of poorten volledig vol deeltjes (zand, stof, enz.), Het nog steeds niet zoveel restrictie creëert als de poreuze media zelf. In het geval van contact is grafiet een uitstekend glijlagermateriaal.

Afbeelding 5: Wanneer de luchtdruk gelijkmatig uit het hele oppervlak van het gezicht weglekt, ontwikkelt het hele oppervlak druk, zelfs als het wordt geaard. De lagers van de opening hebben alleen het gebied van de openingen en eventuele groeven voor de druk om de initiële lift vast te stellen. Het gelijkmatige drukprofiel van poreuze gaslagers maakt ze meer geschikt voor zwaar materieel.

Figuur 6: Het is bekend in de drooggasafdichtingsindustrie dat kleine luchtspleten een zeer hoge stijfheid hebben. Omdat stroming door een opening een kubieke functie van de opening is, zijn kleine openingen geweldig voor het verminderen van stromen. Poreuze compensatie in gaslagertechnologie heeft de beste resultaten opgeleverd bij toepassing van lage vlieghoogte.

Dit werkt ook goed voor zeer kleine openingen en dus kleine stromen. Met poreuze lagers wordt een lage initiële lift bereikt met een laag percentage aanvoerdruk, en de opening neemt toe met toenemende toevoerdruk. Dit komt omdat het hele vlak bijdraagt aan het heffen, net als het blootgestelde gebied van een hydraulische cilinder, zoals opnieuw geïllustreerd in figuur 5. Dit maakt poreuze lagers gemakkelijker te gebruiken dan openinglagers.

Dus een fundamenteel probleem voor Don Bently was dat de compensatie van de opening die hij gebruikte niet zo goed was als dynamische lagers of poreuze extern onder druk staande lagers met kleine openingen die kritisch worden in overstuur of extreme omstandigheden.

Meer informatie over onze producten en offerte, stuur een e-mail naar: info@jxtcbearing.com