Alcance del concepto de rodamiento de Don Bently

- Dec 05, 2019-

Alcance del concepto de rodamiento de Don Bently

Los cojinetes de aceite de película de fluido hidrodinámico han sido estándar en equipos grandes por más de 100 años. Más recientemente, los cojinetes de aceite de almohadilla inclinable dominan en aplicaciones de equipos rotativos de alta energía. Además, en las últimas décadas, la tecnología de soporte de gas hidrodinámico se ha aceptado en aplicaciones de sellado de gas seco. Los cojinetes de gas de aluminio también son un tipo de cojinete hidrodinámico y han visto una creciente aceptación en HVAC de aviación y micro turbinas de sub megavatios.

Los cojinetes de aluminio son cojinetes de película fluida soportados en protuberancias o hojas flexibles, por lo que hay poca carga y rigidez, pero grandes espacios y capacidad de alta velocidad. En contraste, la tecnología de rodamientos en los sellos de gas seco a menudo usa carburo de silicio rígido y alta carga de la unidad con pequeños espacios. Todos estos casos son ejemplos de rodamientos dinámicos; es decir, rodamientos de película fluida que generan presión para soportar la carga del movimiento relativo entre las superficies de los rodamientos. Esto es a lo que están acostumbradas nuestras industrias turbo.

Figura 1: Esta es una tabla de "panorama general" para conceptualizar la tecnología de gas en equipos turbo. Es un gráfico de elevación frente a carga para un rodamiento de gas poroso (EPP) presurizado externamente que tiene 10 pulgadas cuadradas de superficie del rodamiento, se alimentan 100 psi al rodamiento a medida que aumenta la carga en el rodamiento. Los espacios de aire resultantes se muestran en el eje inferior en micras. La pendiente de la curva es representativa de la rigidez de la película. Las regiones operativas típicas de los sellos de gas seco y los cojinetes de aluminio se superponen, al igual que el área operativa de los cojinetes EPP. Se puede ver que los rodamientos EPP funcionan con un espacio más grande que los sellos de gas seco, lo que reduce los problemas de calentamiento y contacto, pero aún tiene buenas capacidades de rigidez, amortiguación y velocidad.

Lo que Don Bently estaba sugiriendo es el uso de presión externa y compensación tanto para establecer la película de fluido como para controlar la rigidez y la amortiguación del rodamiento, desde el exterior de la máquina. Después de todos los años de medir lo que estaba sucediendo con un rotor / rodamiento o sello, estaba demostrando una forma de ajustar los rodamientos dinámicamente a las condiciones de operación in situ. ¿Tiene un sello caliente? Un aumento de la presión de entrada directamente entre las caras de los cojinetes aumentará el espacio proporcionalmente, pero no se necesita mucho ya que el corte en el espacio se reduce por una función de cubo del espacio creciente. Estas son formas innovadoras de abordar los problemas dinámicos del rotor que aún no han sido aceptadas por las industrias turbo y esto es lo que Don estaba sugiriendo.

Además, los rodamientos presurizados externamente ofrecen nuevas opciones en la arquitectura de la máquina. Por ejemplo, los cojinetes de empuje hidráulicos y aerodinámicos tienen almohadillas segmentadas con el fin de tener bordes de ataque para que se desarrolle la cuña de película fluida. Debido a estos grandes espacios radiales, ningún ingeniero consideraría un cojinete de empuje dinámico como sello. Pensando alternativamente, los cojinetes de empuje presurizados externamente tienen una cara contigua de 360 grados que se parece a una cara de sello de gas seco y debido a que la presión siempre es más alta en el espacio del rodamiento, ¡ya es un sello! Esto hace que el ingeniero piense: "Si pudiera eliminar la lubricación de aceite, combinar mi cojinete de empuje con mi sello de gas seco, incluso podría usar el área en el corredor de empuje para reemplazar el pistón de equilibrio". Esto reduce drásticamente las piezas móviles y reduce las fugas de DGS. Equilibrar los pistones (el fruto más bajo de la eficiencia mejorada del compresor). Sin embargo, la mayor ventaja, como Don argumentaría, es que el eje, que es el eslabón débil, se endurece en una función de cubo a medida que la acorta, mejorando drásticamente la dinámica del rotor.

Figura 2: un cojinete de empuje presurizado externamente se ve y actúa de manera muy parecida a un sello de cara doble opuesto, cuando se coloca en el lado de alta presión de un compresor centrífugo recto, se puede usar un espacio radial en el disco de empuje como el pistón de equilibrio que acorta el necesario longitud del eje suficiente para hacer una gran mejora en la dinámica del rotor.

¿Por qué Don no tuvo más éxito con sus nuevos rodamientos? ¿Y qué es la compensación en rodamientos presurizados externamente?

Los cojinetes de gas presurizados externamente también se denominan cojinetes aerostáticos, ya que proporcionan elevación incluso a cero rpm. Aunque no tienen ranuras de bombeo finas como cojinetes dinámicos, sí requieren algún tipo de restricción para medir el gas en el espacio. La presión de aire se introduce directamente entre las superficies de apoyo a través de agujeros de precisión, orificios, ranuras, escalones o técnicas de compensación porosa. Es este proceso de restricción denominado compensación lo que es clave, pero aún no se aprecia bien.

La compensación permite que las caras de los cojinetes corran muy juntas sin tocarse, porque cuanto más se acercan, mayor es la presión de gas entre ellas, lo que repele las caras. Bajo un cojinete de gas plano, la presión promedio en el espacio será igual a la carga total en el cojinete dividida por el área de la cara. Esa es la unidad de carga. Entonces, si la presión del gas fuente es de 100 psi y la cara del sello tiene 10 pulgadas cuadradas de área y hay 600 libras. de carga, habrá un promedio de 60 psi en el espacio del rodamiento. Debido a que hay un restrictor de algún tipo justo antes del espacio, si la carga aumenta a 700 lb, el espacio del rodamiento se reduce, el flujo de bloqueo en el espacio y, por lo tanto, el restrictor puede permitir que la presión promedio en el espacio aumente a 70 psi.

De todas las técnicas de compensación, la compensación de orificio es la más popular o ampliamente utilizada. Esta es también la tecnología que Don empleó. La compensación de orificio generalmente usa orificios de tamaño preciso que se colocan estratégicamente en la cara del rodamiento y, a menudo, se combinan con ranuras para distribuir el aire a presión a través de la cara del rodamiento. Sin embargo, si la cara del rodamiento se raya a través de una ranura o cerca de un orificio, el volumen de aire que escapa a través del rasguño puede ser más de lo que el orificio puede suministrar, haciendo que las caras del rodamiento entren en contacto o choquen. Los cojinetes del orificio también pueden verse afectados por la contaminación que obstruye el orificio y priva a la cara de presión y flujo. Los orificios suelen tener un diámetro de 100 a 250 µm (0,004 a 0,010 pulg.) Y, por lo tanto, se pueden tapar fácilmente con cinta de teflón o material desprendido del interior del tubo o alguna otra contaminación por partículas.

Figura 3: Rodamientos de orificio de Bently Pressurized Bearing Company

Finalmente, los rodamientos de orificio experimentan colapso en espacios muy pequeños. A medida que la cara del rodamiento se acerca a la superficie de la guía, la entrada alrededor del orificio de alimentación se ahoga y no es suficiente para proporcionar presión y flujo al resto de la cara. Este colapso se puede ver a la inversa durante el despegue inicial. Al aumentar lentamente la presión de suministro de aire de "0" a un rodamiento de orificio que está conectado a tierra por una carga, se puede ver que se necesita un alto porcentaje de la presión de suministro antes de que el rodamiento se levante a medida que se establece el flujo a través de la cara de El rodamiento. Esto se debe a que un orificio plano que se apoya en una superficie plana solo tiene el área de orificios y ranuras para establecer la elevación inicial (Figura 4).

Figura 4: Esta es una vista lateral en corte de un cojinete de aire de orificio típico que se encuentra en una máquina de medición de coordenadas (CMM). Si un sistema neumático se considera un "cojinete de aire o gas", debe tener una restricción aguas arriba de la restricción del espacio del cojinete.

Hay un método más elegante para proporcionar esta compensación. El diseño ideal del cojinete de aire suministraría presión por igual en toda la cara del cojinete y restringiría y amortiguaría automáticamente el flujo de aire hacia la cara al mismo tiempo. Esto se puede lograr mediante la difusión de aire a través de un rodamiento poroso o la cara del sello, a menudo utilizamos grafito (Figura 5). La estabilidad de la compensación de medios porosos se debe al efecto de amortiguación de los tortuosos pasajes por los que debe pasar el gas para llegar a la cara. Este efecto de amortiguación dificulta el cambio rápido del volumen de aire en el espacio, lo que da como resultado una película de gas naturalmente estable que no puede ser tapada por partículas. Como incluso con los tubos de suministro y / o puertos completamente llenos de partículas (arena, polvo, etc.), todavía no crea tanta restricción como los medios porosos en sí. En caso de contacto, el grafito es un excelente material de cojinete liso.

Figura 5: Cuando la presión de aire sangra de manera uniforme desde toda el área de la superficie de la cara, toda el área de superficie desarrolla presión incluso cuando está conectada a tierra. Los cojinetes de orificio tienen solo el área de los orificios y cualquier ranura para que la presión establezca la elevación inicial. El perfil de presión uniforme de los cojinetes de gas porosos los hace más adecuados para equipos pesados.

Figura 6: Es bien sabido en la industria de los sellos de gas seco que los pequeños espacios de aire tienen una rigidez muy alta. Dado que el flujo a través de un espacio es una función en cubos del espacio, los espacios pequeños son excelentes para reducir los flujos. La compensación porosa en la tecnología de transporte de gas ha mostrado los mejores resultados en aplicaciones de baja altura de vuelo.

Esto también funciona bien para espacios muy pequeños y flujos tan pequeños. Con los rodamientos porosos, se logra una elevación inicial baja con un bajo porcentaje de presión de suministro, y el espacio aumenta al aumentar la presión de suministro. Esto se debe a que toda la cara contribuye a la elevación, al igual que el área expuesta de un cilindro hidráulico, como se ilustra nuevamente en la Figura 5. Esto hace que los rodamientos porosos sean más fáciles de usar que los rodamientos de orificio.

Entonces, un problema fundamental para Don Bently fue que la compensación del orificio que estaba usando no era tan buena como los cojinetes dinámicos o los cojinetes porosos presurizados externamente en pequeños espacios que se vuelven críticos en condiciones extremas o molestas.

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