Coupling design and analysis for high-speed drivetrain supported by three active magnetic bearings
Narsakka, Juuso (2022)
Diplomityö
Narsakka, Juuso
2022
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022042029697
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022042029697
Tiivistelmä
High-speed machines have proved capacity to work with high efficiency, power density and reliability during many decades. However, high-speed machines are still designed case -by -case. This study focuses on megawatt range high-speed drivetrains, where a working machine is most often a compressor, or a turbine coupled with an electric machine. The target is to design coupling between electric machine and working machine in way that in the working machine can be done changes, but the electric machine stays the same. A turbine or an impeller of the working machine is placed on an additional extension shaft that is supported only by one radial active magnetic bearing. Drivetrain configuration is not well known so it’s explored at the same time with the coupling.
Machine design equations based on centrifugal force, torque transfer and static equilibrium have been used in the design to calculate boundary values from the initial requirements. From the limiting values can be created a baseline model for more specific analysis. Requirements and limiting values can be also used for the comparison of the commercial coupling alternatives. Dynamic analysis methods, such as critical speed of the system and unbalance response, have been applied to the analysis of the whole drivetrain.
In the study, it was observed that with the analytical equations one was able to design solid circular shaft with specific diameter and length to match the required speed and power for the coupling. Also, from commercial couplings one was able to find a disc coupling suitable for the drivetrain. After the dynamic analysis could be seen that with the disc coupling can be obtained slightly wider operating range. Benefits of the solid shaft coupling can be found from capability to transfer axial load and wider possibilities for installation. The results also show that with three bearing drivetrain changes in impeller does not affect the usability of electric machine as much as in case of impeller attached directly on the rotor. Suurnopeuskoneet ovat operoineet korkealla hyötysuhteella, tehotiheydellä ja luotettavuudella usean vuosikymmenen ajan. Koneet kuitenkin suunnitellaan edelleen jokaista toimilaitetta varten tapauskohtaisesti. Tämä työ keskittyy megawattiluokan suurnopeuskäyttöihin, joissa toimilaitteena on kompressori tai turbiini kytkettynä sähkökoneeseen. Tavoitteena on suunnitella sähkökoneen ja toimilaitteen kytkentä tavalla, joka mahdollistaa muutokset toimilaitteessa sähkökoneen pysyessä samana. Juoksupyörä asetetaan ylimääräiseen jatkoakseliin, jota tuetaan vain yhdellä radiaalisella aktiivimagneettilaakerilla. Kyseinen voimansiirto ei ole hyvin tunnettu, joten sitä on tutkittu samanaikaisesti kytkennän kanssa.
Suunnittelussa käytettävä laskenta perustuu pyörivään kappaleeseen kohdistuviin ilmiöihin kuten keskipakovoimaa, väännön välityskykyyn ja rakenteen voimatasapainoon. Käyttämällä toimilaitteen suorituskyky vaatimuksia kuten teho ja pyörimisnopeus saadaan laskettua rajoittavat arvot kytkimelle. Raja-arvoista luodaan perusmalli, josta analysointi aloitetaan. Raja-arvoja käytetään myös kaupallisten kytkinvaihtoehtojen tarkastelemiseen. Dynaamisia analyysimenetelmiä kuten roottorin kriittinen nopeus ja epätasapainon vaste on käytetty koko voimansiirron analysoimiseksi.
Työssä havaittiin analyyttisten yhtälöiden avulla pystyvän luomaan perusmalliksi roottoria selvästi ohuempi liitosakseli, joka täyttää voimansiirron nopeus ja teho vaatimuksen. Kaupallisista vaihtoehdoista levykytkin osoittautui myös toimivaksi vaihtoehdoksi. Dynaamiset analyysit osoittivat, että levykytkimen avulla saadaan hieman laajempi toimialue aikaiseksi. Ohutsakselin tapauksessa voidaan siirtää myös aksiaalista voimaa. Ohutsakselin hyödyiksi löydettiin myös sen yksinkertainen rakenne ja moninaiset liitosmahdollisuudet. Työssä havaittiin myös, etteivät toimilaitteen muutokset aiheuta niin suurta vaikutusta voimansiirron käytettävyyteen uudessa kolmen laakerin ratkaisussa kuin perinteisesti käytetyssä 2 laakerin versiossa, jossa toimilaite on asennettu suoraan roottoriin.
Machine design equations based on centrifugal force, torque transfer and static equilibrium have been used in the design to calculate boundary values from the initial requirements. From the limiting values can be created a baseline model for more specific analysis. Requirements and limiting values can be also used for the comparison of the commercial coupling alternatives. Dynamic analysis methods, such as critical speed of the system and unbalance response, have been applied to the analysis of the whole drivetrain.
In the study, it was observed that with the analytical equations one was able to design solid circular shaft with specific diameter and length to match the required speed and power for the coupling. Also, from commercial couplings one was able to find a disc coupling suitable for the drivetrain. After the dynamic analysis could be seen that with the disc coupling can be obtained slightly wider operating range. Benefits of the solid shaft coupling can be found from capability to transfer axial load and wider possibilities for installation. The results also show that with three bearing drivetrain changes in impeller does not affect the usability of electric machine as much as in case of impeller attached directly on the rotor.
Suunnittelussa käytettävä laskenta perustuu pyörivään kappaleeseen kohdistuviin ilmiöihin kuten keskipakovoimaa, väännön välityskykyyn ja rakenteen voimatasapainoon. Käyttämällä toimilaitteen suorituskyky vaatimuksia kuten teho ja pyörimisnopeus saadaan laskettua rajoittavat arvot kytkimelle. Raja-arvoista luodaan perusmalli, josta analysointi aloitetaan. Raja-arvoja käytetään myös kaupallisten kytkinvaihtoehtojen tarkastelemiseen. Dynaamisia analyysimenetelmiä kuten roottorin kriittinen nopeus ja epätasapainon vaste on käytetty koko voimansiirron analysoimiseksi.
Työssä havaittiin analyyttisten yhtälöiden avulla pystyvän luomaan perusmalliksi roottoria selvästi ohuempi liitosakseli, joka täyttää voimansiirron nopeus ja teho vaatimuksen. Kaupallisista vaihtoehdoista levykytkin osoittautui myös toimivaksi vaihtoehdoksi. Dynaamiset analyysit osoittivat, että levykytkimen avulla saadaan hieman laajempi toimialue aikaiseksi. Ohutsakselin tapauksessa voidaan siirtää myös aksiaalista voimaa. Ohutsakselin hyödyiksi löydettiin myös sen yksinkertainen rakenne ja moninaiset liitosmahdollisuudet. Työssä havaittiin myös, etteivät toimilaitteen muutokset aiheuta niin suurta vaikutusta voimansiirron käytettävyyteen uudessa kolmen laakerin ratkaisussa kuin perinteisesti käytetyssä 2 laakerin versiossa, jossa toimilaite on asennettu suoraan roottoriin.