Définition du concept de roulement de Don Bently

- Dec 05, 2019-

Définition du concept de roulement de Don Bently

Les paliers à huile à film fluide hydrodynamique sont standard dans les gros équipements depuis plus de 100 ans. Plus récemment, les paliers à huile Tilting Pad dominent dans les applications d'équipements rotatifs à haute énergie. De plus, au cours des dernières décennies, la technologie de palier à gaz hydrodynamique a été acceptée dans les applications d'étanchéité à gaz sec. Les paliers à gaz en feuille sont également un type de palier hydrodynamique et ont vu une acceptation croissante dans les CVC de l'aviation et les micro-turbines sous-mégawatt.

Les roulements en aluminium sont des roulements à film fluide supportés sur des bosses ou des feuilles flexibles, il y a donc une faible charge et rigidité, mais de grands écarts et une grande vitesse. En revanche, la technologie des roulements dans les joints à gaz secs utilise souvent du carbure de silicium rigide et une charge unitaire élevée avec de petits espaces. Tous ces cas sont des exemples de roulements dynamiques; c'est-à-dire des paliers à film fluide qui génèrent une pression pour supporter la charge du mouvement relatif entre les surfaces de palier. C'est à cela que nos industries turbo sont habituées.

Figure 1: Il s'agit d'un tableau «d'ensemble» pour conceptualiser la technologie de transport de gaz dans les équipements turbo. Il s'agit d'un diagramme de levage en fonction de la charge pour un palier à gaz poreux sous pression externe (EPP) qui a 10 pouces carrés de face de palier, 100 psi est alimenté au palier lorsque la charge sur le palier augmente. Les entrefers résultants sont indiqués sur l'axe inférieur en microns. La pente de la courbe est représentative de la rigidité du film. Les zones de fonctionnement typiques des joints à gaz secs et des roulements à feuille sont superposées, tout comme la zone de fonctionnement des roulements EPP. On peut voir que les roulements EPP fonctionnent avec un espace plus grand que les joints à gaz sec, réduisant les problèmes de chauffage et de contact, mais ayant toujours de bonnes capacités de rigidité, d'amortissement et de vitesse.

Ce que Don Bently suggérait était l'utilisation d'une pression externe et d'une compensation à la fois pour établir le film fluide et contrôler la rigidité et l'amortissement des roulements, de l'extérieur de la machine. Après toutes ces années passées à mesurer ce qui se passait avec un rotor / roulement ou joint, il montrait une manière de régler dynamiquement les roulements aux conditions de fonctionnement in situ. Vous avez un phoque chaud? Une augmentation de la pression d'entrée directement entre les faces d'appui augmentera l'écart proportionnellement, mais peu de choses sont nécessaires car le cisaillement dans l'espace est réduit par une fonction cubique de l'écart croissant. Ce sont des façons révolutionnaires de résoudre les problèmes de dynamique du rotor qui n'ont pas encore été acceptées par les industries turbo et c'est ce que Don suggérait.

De plus, les roulements sous pression externe offrent de nouvelles options dans l'architecture des machines. Par exemple, les paliers de poussée hydro et aérodynamiques ont des patins segmentés dans le but d'avoir des bords d'attaque pour que le coin du film fluide se développe. En raison de ces grands écarts radiaux, aucun ingénieur ne considérerait un palier de butée dynamique comme un joint. En pensant alternativement, les butées à pression externe ont une face contiguë à 360 degrés qui ressemble à une face de joint de gaz sec et parce que la pression est toujours la plus élevée dans l'espace de roulement, c'est déjà un joint! Cela fait penser à l'ingénieur: «Si je pouvais éliminer la lubrification à l'huile, combiner mon palier de butée avec mon joint de gaz sec, je pourrais même utiliser une zone sur la glissière de poussée pour remplacer le piston d'équilibrage.» Cela réduit considérablement les pièces mobiles et réduit les fuites du DGS à des pistons d'équilibrage (le fruit à faible accrochage d'une efficacité améliorée du compresseur). Le plus grand avantage cependant, comme le dirait Don, c'est que l'arbre, qui est le maillon faible, se raidit sur une fonction de cube lorsque vous la raccourcissez, améliorant considérablement la dynamique du rotor.

Figure 2: Un palier de poussée pressurisé extérieurement ressemble et agit un peu comme un joint à double face opposée, lorsqu'il est positionné du côté haute pression d'un compresseur centrifuge droit mais, la surface radiale sur le disque de poussée peut être utilisée comme le piston d'équilibrage raccourcissant le longueur d'arbre suffisante pour améliorer considérablement la dynamique du rotor.

Pourquoi Don n'a-t-il pas eu plus de succès avec ses nouveaux roulements? Et quelle est la compensation dans les roulements sous pression externe?

Les paliers à gaz sous pression externe sont également appelés paliers aérostatiques, car ils fournissent une portance même à zéro tr / min. Bien qu'ils n'aient pas de fines rainures de pompage comme les roulements dynamiques, ils nécessitent un certain type de restriction pour doser le gaz dans l'espace. La pression d'air est introduite directement entre les surfaces d'appui par des trous de précision, des orifices, des rainures, des marches ou des techniques de compensation poreuses. C'est ce processus de restriction appelé compensation qui est essentiel, mais qui n'est pas encore bien apprécié.

La compensation permet aux faces d'appui de s'approcher très près les unes des autres sans se toucher, car plus elles se rapprochent, plus la pression de gaz entre elles est élevée, repoussant les faces séparément. Sous un gaz plat portant la pression moyenne dans l'espace sera égale à la charge totale sur le roulement divisée par la surface frontale. C'est le chargement unitaire. Donc, si la pression du gaz source est de 100 psi et que la face du joint a une surface de 10 pouces carrés et qu'il y a 600 lb. de charge, il y aura en moyenne 60 psi dans l'espace de roulement. Parce qu'il y a un restricteur d'un certain type juste avant l'écart, si la charge augmente à 700 lb, l'écart de roulement diminue, ce qui obstrue le débit dans l'espace et donc le restricteur peut laisser la pression moyenne dans l'espace augmenter à 70 psi.

De toutes les techniques de compensation, la compensation par orifice est la plus populaire ou la plus utilisée. C'est également la technologie utilisée par Don. La compensation de l'orifice utilise généralement des orifices de taille précise qui sont stratégiquement placés sur la face d'appui et souvent combinés avec des rainures pour distribuer l'air sous pression à travers la face d'appui. Cependant, si la face du roulement est rayée à travers une rainure ou près d'un orifice, le volume d'air qui s'échappe à travers la rayure peut bien être supérieur à ce que l'orifice peut fournir, provoquant le contact ou le crash des faces du roulement. Les roulements à orifice peuvent également être en proie à une contamination obstruant l'orifice et privant la face de pression et d'écoulement. Les orifices ont généralement un diamètre de 100 à 250 µm (0,004 à 0,010 po) et peuvent donc être facilement colmatés par du ruban de téflon ou du matériau s'échappant de l'intérieur du tube ou par toute autre contamination particulaire.

Figure 3: Roulements à orifice de Bently Pressurized Bearing Company

Enfin, les roulements d'orifice subissent un effondrement à de très petits intervalles. Au fur et à mesure que la face du roulement se rapproche de la surface de guidage, l'afflux autour du trou d'alimentation devient obstrué et n'est pas suffisant pour fournir une pression et un écoulement au reste de la face. Cet effondrement peut être observé en sens inverse lors du décollage initial. En augmentant lentement la pression d'air d'alimentation de «0» à un palier à orifice mis à la terre par une charge, on peut voir qu'un pourcentage élevé de la pression d'alimentation est nécessaire avant que le palier n'apparaisse lorsque le débit s'établit sur la face de le roulement. En effet, un orifice plat portant sur une surface plane n'a que la surface d'orifices et de rainures pour établir la portance initiale (figure 4).

Figure 4: Il s'agit d'une vue latérale en coupe d'un palier à air à orifice typique trouvé dans une machine à mesurer tridimensionnelle (MMT). Si un système pneumatique doit être considéré comme un «palier à air ou à gaz», il doit avoir une restriction en amont de la restriction de l'écart de palier.

Il existe une méthode plus élégante pour fournir cette compensation. La conception idéale du roulement à air fournirait une pression égale sur toute la face du roulement et restreindrait et amortirait automatiquement le flux d'air vers la face en même temps. Ceci peut être réalisé en diffusant de l'air à travers un palier poreux ou une face d'étanchéité, nous utilisons souvent du graphite (figure 5). La stabilité de la compensation des milieux poreux est due à l'effet d'amortissement des passages tortueux que le gaz doit traverser pour atteindre le visage. Cet effet d'amortissement fait qu'il est difficile pour le volume d'air dans l'espace de changer rapidement, résultant en un film de gaz naturellement stable qui ne peut pas être obstrué par des particules. Comme même avec les tubes d'alimentation et / ou les ports complètement remplis de particules (sable, poussière, etc.), cela ne crée toujours pas autant de restrictions que le milieu poreux lui-même. En cas de contact, le graphite est un excellent matériau de palier lisse.

Figure 5: Lorsque la pression de l'air saigne uniformément sur toute la surface du visage, toute la surface développe une pression même lorsqu'elle est mise à la terre. Les roulements à orifice n'ont que la surface des orifices et des éventuelles rainures pour que la pression établisse la levée initiale. Le profil de pression uniforme des paliers à gaz poreux les rend plus adaptés aux équipements lourds.

Figure 6: Il est bien connu dans l'industrie des joints à gaz sec que les petits entrefers ont une rigidité très élevée. Étant donné que l'écoulement à travers un espace est une fonction cubique de l'espace, les petits espaces sont parfaits pour réduire les flux. La compensation poreuse dans la technologie des paliers à gaz a donné les meilleurs résultats dans les applications à faible hauteur de vol.

Cela fonctionne également bien pour de très petits écarts et donc de petits débits. Avec des roulements poreux, une faible levée initiale est obtenue avec un faible pourcentage de pression d'alimentation, et l'écart augmente avec l'augmentation de la pression d'alimentation. En effet, la face entière contribue à la levée, tout comme la zone exposée d'un vérin hydraulique, comme illustré à nouveau sur la figure 5. Cela rend les roulements poreux plus faciles à utiliser que les roulements à orifice.

Donc, un problème fondamental pour Don Bently était que la compensation de l'orifice qu'il utilisait n'était pas aussi bonne que les roulements dynamiques ou les roulements poreux sous pression externe à de petits intervalles qui deviennent critiques dans des conditions de perturbation ou extrêmes.

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