Advanced high-speed bearings technology for green applications

Recently an increasing interest has been directed towards green alternatives to traditional oil bearings. This thesis work deals with the design of an oil-free support for a hydrogen compressor starting from an existing layout supplied by Baker Hughes which features oil-film bearings. A state-of-the-art analysis highlights the most recent oil-free support technologies able to accomplish such high-speed application. The most adequate solution is analysed through finite element modelling to assess its rotordynamic feasibility and the modifications required by the original design. The selection of active magnetic bearings (AMB) includes the development of a 5-axis SISO enhanced PID controller, which is embedded into an advanced electro-mechanical model. Afterwards, a comparative analysis is made between the developed AMB system and an industrial solution generated by Baker Hughes. Finally, a rotordynamic analysis of the hydrogen compressor is exerted according to API617 (8th edition) whose Annex E is dedicated to AMBs. The results assess the feasibility of the developed super-critical machine whose supports can withstand the dynamic load required by the application and prevent excessive vibrations inside and close to the operating field.

Gli ultimi anni hanno visto un interesse crescente verso alternative green ai cuscinetti ad olio tradizionali. L’obiettivo del presente lavoro di tesi è la progettazione di una configurazione oil-free per un modello di compressore a idrogeno, fornito da Baker Hughes, originariamente equipaggiato con cuscini a film d’olio. Una ricerca sullo stato dell’arte riporta le più recenti tecnologie oil free in grado di sostenere tale applicazione ad alta velocità. La soluzione più promettente è analizzata mediante un modello agli elementi finiti, al fine di verificarne la fattibilità rotodinamica e valutare le modifiche richieste dal progetto originale. La scelta di cuscinetti magnetici attivi (AMB) implica lo sviluppo di un controllore PID avanzato a 5 assi di controllo che è integrato nel sistema elettro-meccanico. In seguito, viene svolta un’analisi comparativa tra il sistema AMB sviluppato e una versione industriale generata da Baker Hughes, al fine di verificarne prestazioni e livello di stabilità. Infine, si esegue un’analisi rotodinamica per verificare che il compressore rispetti gli standard imposti dalla normativa API617 (ottava edizione), il cui Annex E è dedicato ai cuscinetti magnetici. I risultati dimostrano la fattibilità della macchina progettata: i supporti riescono a reggere il carico dinamico richiesto dalla applicazione e anche a prevenire vibrazioni eccessive all’interno e nelle vicinanze del campo operativo.