Development of a comprehensive cylinder lubrication model for reciprocating piston compressors to minimise oil consumption

Abstract

Die Schmierung der Zylinderlaufbahn von doppelwirkenden Kolbenkompressoren wird als Verlustschmierung ausgeführt. Diese minimiert die Reibung zwischen Zylinderwand und Ringen und erhöht die Lebensdauer letzterer. Mangelschmierung führt zu höherem Verschleiß, Überschmierung hingegen bringt kaum Vorteile, führt aber häufig zu zusätzlichen Problemen von Komponenten stromabwärts. Mangels fehlender Alternativen wird in der Kompressorindustrie die Schmierrate mittels einfacher, empirischer Formeln und Richtlinien bestimmt. Diese gehen nicht auf systemspezifische Parameter wie z.B. Spaltmaße, Kolbenlayout, Ölviskosität ein, und geben keinen Aufschluss darüber, wie eine fallabhängige Schmierstrategie aussehen sollte, welche neben der minimalen Schmierrate den optimalen Zeitpunkt der Schmieröleinbringung berücksichtigt. Ziel dieser Arbeit ist es diese Forschungslücke zu schließen und die für den Ölverbrauch verantwortlichen Mechanismen zu untersuchen und eine Schmierstrategie zu entwickeln. Dies ist mit ausschließlich experimentellen Methoden kaum möglich. Um den Ölverbrauch abschätzen zu können wurde ein Simulationsmodell entwickelt, welches die wechselseitigen Abhängigkeiten von Ölfilm, komprimierten Gas, Kolben-- und Tragringen, Kolbenbewegung, Kolbenstangendurchbiegung sowie der Kreuzkopfbewegung abbildet. Zur Problembeschreibung werden unterschiedliche Skalen benötigt: Die Makroskala beschreibt das globale Systemverhalten des Kompressors. Die Beschreibung der für die Aufgabenstellung wichtigen Sekundärbewegungen des Kolbens (Bewegungen normal zur Hauptrichtung der Kolbenbewegung) verlangt sowohl die Betrachtung des Kurbeltriebs, als auch die Berücksichtigung der Kreuzkopfbewegungen (Sekundärbewegung und Kippen). Die Spalte zwischen Ringflächen und Zylinderwand, sowie zwischen Kreuzkopf und Kreuzkopfführungen ergeben die Mesoskala und sind essentiell zur Lösung der Bewegungsgleichungen in der Makroskala. Auf der Ebene der Mesoskala werden elastohydrodynamische Effekte und ihre Auswirkungen auf den Netto-Ölstrom untersucht. Hierfür wird das kommerzielle Finite-Elemente Programm ABAQUS/Standard verwendet, um die elastischen Ringverformungen zu berechnen und so das vollgekoppelte elastohydrodynamische Schmierproblem zu lösen. Der hierzu notwendige Schmierspaltdruck wird in einer benutzerdefinierten Subroutine gerechnet und mittels eines Finiten Volumen Schemas 2. Ordnung implementiert. Das so aufgestellte numerische Modell erlaubt eine genaue Betrachtung der Interaktion Zylinderwand-Ölfilm-Kolbenring-Tragring und eröffnet so zum ersten Mal die Möglichkeit, den Einfluss verschiedener Parameter auf den Netto-Ölstrom, und folgend auf die kompressorspezifische Schmierstrategie mittels einer Parameterstudie zu ermitteln.

Cylinder loss lubrication is common practice in the piston compressor industry to reduce friction between rings and cylinder wall and to extend their lifetime. While starved lubrication shortens the lifetime, over-lubrication adds little benefit while potentially giving rise to additional problems in downstream components due to oil carry-over not to forget the environmental aspect. Due to a lack of alternatives, it is state-of-the-art to lube compressors according to basic empirical guidelines. These guidelines disregard system-specific parameters such as clearance, piston assembly, oil viscosity, etc. and provide no guidance on an optimal lube strategy (e.g. timing of lube injection). It is therefore the objective of this study to substantially deepen the insight into the mechanisms of oil loss to get a solid understanding of the mechanisms that are responsible for the accumulated net oil flow along the piston and to shed light on what constitutes an optimal lube strategy --- something that is almost impossible to achieve by purely experimental means. Thus a comprehensive simulation model has been developed that accounts for the mutual interactions between the oil film, the compressed gas, the piston rings and rider rings, the piston motion, the bending of the piston rod, and the crosshead motion. The approach pursued is of spatial multi-scale nature. The presented model deals with the macroscopic characteristics as covered in formulating the dynamical behaviour of the entire drive, which is capable of describing the secondary piston movements --- the piston motion normal to the primary direction of piston movement. This necessarily includes the crank and the crosshead. The resulting gaps between cylinder and rings as well as between crosshead and crosshead shoes form the meso-scale and are essential ingredients for closing the hitherto unclosed equations of motion on the macro-scales. A fully coupled elastohydrodynamic calculation is done to research elastohydrodynamic effects in the ring regions, using the commercial finite-element analysis program ABAQUS/Standard to calculate the elastic ring deformations. The corresponding lubrication pressure is computed via a user-defined subroutine that employs a finite-volume scheme with second-order accuracy as adopting the finite-element discretisation. The simultaneously calculated pressure distribution between crosshead and crosshead slide governs the coupled dynamics of crosshead. The resultant numerical model takes a close look at the interaction cylinder wall-oil film-rider-- and piston rings and allows for an accurate numerical parametric study placing emphasis on the oil flow rate.