Einem generalüberholten Radialkompressor ein zweites Leben geben

Von Andrea Fusi, Andrea Betti und Emanuele Burberi07. März 2022

Während der Lebensdauer von Radialkompressoren kommt es bei Endbenutzern und Serviceunternehmen häufig zu Leistungseinbußen sowie einer Verschlechterung/Fehlfunktion von Komponenten oder sie müssen sich sogar mit der Notwendigkeit auseinandersetzen, die Maschine auf die neuen geforderten Betriebsbedingungen umzurüsten. Selbstverständlich ist es von grundlegender Bedeutung, einen nutzlosen, kostspieligen und zeitaufwändigen Maschinenaustausch nach Möglichkeit zu verhindern. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die immer größeren Möglichkeiten zu nutzen, die sich bei der Sanierung/Umrüstung alter Radialkompressoren bieten, um ihnen ein zweites, effizientes Leben zu ermöglichen.

Mehrere in den letzten Jahrzehnten entwickelte innovative Technologien ermöglichen die Durchführung von Sanierungsmaßnahmen, die vor einiger Zeit nicht möglich waren. Neuere Fertigungstechnologien gepaart mit der Entwicklung innovativer Materialien mit verbesserten mechanischen Eigenschaften erlauben es heute, die bisherigen technischen Grenzen für die industrielle Anwendung immer weiter zu überschreiten. Darüber hinaus ermöglichen die neuesten fortschrittlichen Tools zur Geometrieerfassung (z. B. 3D-Scan) die Untersuchung möglicher Schäden, Defekte und anderer geometrischer Details, die andernfalls nicht erkannt würden. Die zunehmende Genauigkeit und Zuverlässigkeit moderner Simulationswerkzeuge wie CFD, FEA und Rotordynamikanalysen (lateral und torsional) ermöglichen es schließlich, genauere Untersuchungen der physikalischen Phänomene durchzuführen, die die möglicherweise auftretenden Probleme verursachen.

Das Hauptziel dieses Dokuments besteht darin, das Wissen über solche Innovationen zu verbreiten und Endbenutzern, Serviceunternehmen und allen Personen, die an industriellen Prozessanlagen beteiligt sind, einige der unzähligen Möglichkeiten bewusst zu machen, die die neuen Technologien im Bereich der Wartung von Radialkompressoren geschaffen haben und Upgrades. Unter den verschiedenen Sanierungs-/Neubewertungsaktivitäten, die von Compression Service Technology – CST in den letzten Jahren an Turbomaschinen durchgeführt wurden, werden in diesem Dokument zwei Fallbeispiele beschrieben, die zeigen, wie Probleme unterschiedlicher Art erfolgreich gelöst werden können, um die Effektivität selbst sehr alter Maschinen zu verbessern .

Ein Verbrennungsluftgebläse einer Schwefelsäureproduktionsanlage, das von einem Elektromotor angetrieben und von einer Einlassleitschaufel (IGV) gesteuert wird, saugt Luft bei atmosphärischen Bedingungen an und liefert sie mit einem Auslassdruck von 1,4 bara; Der erforderliche Luftmassenstrom beträgt ca. 200.000 kg/h, die Wellenleistung ca. 2,6 MW. Wie in Abbildung 1 dargestellt, handelt es sich bei dem Kompressor um ein einstufiges fliegendes Laufrad, das aus einem geschweißten halboffenen 3D-Laufrad (Außendurchmesser 1600 mm) mit einem Verbindungsring an der Schaufelspitze am Einlassabschnitt, einem kurzen schaufellosen Diffusor und einem geschweißten -förmige Spirale mit rechteckigem Querschnitt.

Im Laufe seiner Lebensdauer musste der Endbenutzer einen zunehmenden Leistungsabfall des Kompressors feststellen, sowohl hinsichtlich der gelieferten Durchflussrate als auch der Effizienz, bis er sich entschied, ihn zu überholen, um die ursprüngliche Leistung wiederherzustellen. CST war an dieser Tätigkeit durch den für die Wartung des Verbrennungsluftgebläses zuständigen Dienstleister beteiligt.

Um ein Kompressor-3D-Modell für die Untersuchung zu erhalten, wurde ein 3D-Laserscanning durchgeführt. Wie in Abbildung 2 dargestellt, wurde beim Laufrad-Scan ein großes Spiel festgestellt. Es wurde ein durch Erosion verstärkter großer Spalt zwischen der Spitze der Laufradschaufeln und dem Statormantel beobachtet: Die Größe schwankte entlang der Schaufellänge zwischen 3,5‰ und 8‰ des Laufraddurchmessers, statt des normalerweise erwarteten Bereichs von 1–2‰. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass der Spalt zwischen dem Laufradschaufelring und dem relevanten statischen Schlitz recht groß ist.

Eine CFD-Analyse wurde durchgeführt, um das strömungsdynamische Verhalten des beschädigten Kompressors zu überprüfen, wobei der Schwerpunkt darauf lag, wie stark die Kompressorleistung durch den oben erwähnten hohen Spitzenspalt beeinträchtigt werden könnte. Wie in Abbildung 3 dargestellt, führt das Vorhandensein eines übermäßigen Spiels zu einem nicht optimalen Strömungsfeld. Es wurden zwei wesentliche strömungsdynamische Phänomene identifiziert, die sich negativ auf die optimale Strömung auswirken:

Diese Anomalien wurden als Hauptursache für die verringerte Stufeneffizienz und Fördermenge angesehen.

Aufgrund des großen Spalts zwischen dem Laufradschaufelring und dem Statorschlitz wurde auf das mögliche Vorhandensein einer Labyrinthdichtung in der ursprünglichen Kompressorkonfiguration geschlossen. Diese Dichtung könnte sich durch Erosion oder andere Ereignisse während des Kompressorbetriebs lösen. Leider konnten aus den verfügbaren Dokumenten und Zeichnungen keine Informationen gefunden werden, die diese Annahme bestätigen würden.

Um eine gute Kompressorleistung wiederherzustellen und gleichzeitig eine zu lange Zeit für die Installation und daraus resultierende längere Ausfallzeiten der Anlage zu vermeiden, wurde die folgende zweistufige Lösung nacheinander implementiert und stützte sich dabei auf eine tiefgreifende theoretische CFD-Untersuchung:

Die CFD-Untersuchungskampagne wurde mit der schrittweisen Umsetzung dieser „zweistufigen“ Sequenz durchgeführt. Die CFD-Untersuchung verdeutlichte die Bedeutung der Verringerung des Spalts zwischen rotierenden und statischen Komponenten. Der Abstand zwischen der Spitze der Laufradschaufeln und dem Statorgehäuse erwies sich als äußerst wichtig für die Leistungswiederherstellung.

Schließlich wurde das gleichzeitige Vorhandensein der Labyrinthdichtung im statischen Schlitz am Laufradeinlassring und eine Reduzierung des Schaufelspitzenspiels um etwa 50 % im Vergleich zu den gemessenen Werten untersucht, um die endgültige Laufradkonfiguration zu ermitteln. Das Ergebnis war, dass durch die eingeführten Modifikationen eine Steigerung des Kompressorwirkungsgrads um +1 % und des geförderten Volumenstroms um +6 % erreicht werden konnte, wodurch eine zufriedenstellende Wiederherstellung der Leistung des Verbrennungsluftgebläses erreicht werden konnte.

Die durch die obige Untersuchung definierten Korrekturmaßnahmen wurden erfolgreich vor Ort umgesetzt und der Kunde erlebte eine Leistungswiederherstellung, die den Prognosen der CFD-Analyse entsprach.

Bei einer routinemäßigen Überholung eines 6-stufigen Radialkompressors mit horizontal geteilter Luft stellte das Serviceunternehmen starke Erosionsschäden am letzten Laufrad fest und bat CST, eine Lösung für dieses Problem zu finden. Das ursprüngliche geschlossene Laufrad wurde mit einer alten Fertigungstechnologie hergestellt, bei der die Schaufeln mit Nieten an der Scheibe und dem Gehäuse befestigt wurden (siehe Abbildung 4).

Es wurde beschlossen, das Laufrad durch ein neues mit demselben meridionalen Kanal und demselben Schaufelkrümmungsprofil zu ersetzen, um die Kompressorleistung wiederherzustellen. Da die ursprünglichen Konstruktionszeichnungen und Materialspezifikationen nicht verfügbar waren, wurden einige 3D-Scans von Geometriemessungen und chemischen Analysen durchgeführt.

Anstelle des ursprünglichen Kohlenstoffstahls wurde ASTM A705 Gr.630 (17-4 PH) verwendet, wodurch die Korrosions- und Erosionsbeständigkeit verbessert und das Auftreten der aufgetretenen Erosionsschäden vermieden wurde. Darüber hinaus wurde die einteilige EDM-Fertigungstechnologie für das neue Laufrad übernommen, wodurch ein besseres Schaufelprofil mit folgenden Vorteilen erzielt wurde:

Es wurden neue Fertigungszeichnungen und -spezifikationen erstellt, einschließlich Anweisungen zum Auswuchten und Übergeschwindigkeitstests. Abbildung 5 zeigt das neue Laufrad während der EDM-Herstellung.

Zur vollsten Zufriedenheit des Kunden wurde das neue Laufrad auf den neuen Rotor montiert und in den vorhandenen Kompressor eingebaut. Tatsächlich wurde zusätzlich zur Sanierung von Erosionsschäden eine höhere Leistung des Kompressors aufgrund der höheren Effizienz der sanierten Stufe (ca. +2 %) erreicht.

Die oben genannten Beispiele zeigen, dass alte Geräte nach der Überholung weiterhin effizient und mit verbesserter Leistung arbeiten können, auch wenn sie jahrzehntelang in Betrieb waren und mehrere wiederkehrende Ausfälle hatten. Sanierungsmaßnahmen können durchgeführt werden, um Probleme im Zusammenhang mit Maschinenalterung, Erosion und Verschleiß zu beheben und die ursprüngliche Leistung wiederherzustellen oder zu verbessern. Darüber hinaus können Radialkompressoren modernisiert und neu dimensioniert werden, um sie an neue Betriebsbedingungen der Anlage anzupassen.

Serviceunternehmen und Endbenutzer, die sich mit dem Kompromiss „Reparatur oder Austausch“ befassen, sollten sich der unzähligen Möglichkeiten zur Überholung von Turbomaschinen bewusst sein, die dank der verschiedenen innovativen Technologien, die in den letzten Jahrzehnten entwickelt wurden, heutzutage verfügbar sind. Neue fortschrittliche Fertigungstechnologien, innovative Materialien, die Verfügbarkeit neuer Geräte zur Geometrieerfassung und nicht zuletzt die hohe Genauigkeit moderner Werkzeuge für strömungsdynamische und mechanische Analysen können erheblich dazu beitragen, alten Radialkompressoren ein effizienteres zweites Leben zu ermöglichen.