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电磁轴承与翼型轴承:优点和缺点

涡轮压缩机已成为现代水处理技术的支柱,它具有机械简单的设计,可靠性和良好的能源效率。它们非常适用于在相对较低的压力下生产大量压缩空气的情况,它们依赖于轴承,该轴承可以高速旋转且阻力最小且可长时间旋转。如今,市场以两种竞争技术为主导:翼型轴承和有源电磁轴承。

涡轮压缩机中心的转子由高速电动机提供动力,通常没有中间齿轮。在运行中,电机轴和转子组件的旋转速度高达50,000 rpm,并且在大修之间可能会连续运行较长时间。这些条件需要特殊类型的轴承,现代涡轮压缩机设计中通常使用两种方法。

翼型轴承

空气箔轴承是一种气体轴承,其设计利用气体膜中的压力将移动和固定表面保持分开,从而实现低摩擦,高速旋转。气体轴承运行所需的压力可以通过轴承本身的旋转从外部提供或内部产生。空气箔轴承使用后一种方法,因此,它们是动态气体轴承的一种。

空气箔轴承由美国国家航空航天局(NASA)在1960年代和1970年代开发,专门用于涡轮机械应用。在空气箔设计中,旋转轴和固定壳体之间的空间包含两个薄箔,它们由涂有低摩擦材料(例如PTFE(聚四氟乙烯))的金属制成。外部箔片(称为凸块箔片)是波纹状的,可以弯曲以适应轴承中的运动或未对准。内部箔片称为顶部箔片,是圆柱形的,其形状可紧密包裹在轴或轴颈上。当轴旋转时,空气在轴和顶部金属箔之间被吸入,形成一个狭窄的间隙,允许以最小的摩擦旋转。

电磁轴承

磁性轴承通过磁悬浮来支撑旋转轴。大多数磁性轴承设计均使用围绕轴承箱布置的磁铁和包含铁磁材料的轴。磁铁吸引轴,并且当平衡作用在轴上的力时,磁铁会远离壳体,从而允许低摩擦旋转。

此设计使用由电子控制系统提供动力的电磁体,该电磁体可以调节其产生的力。外壳中的传感器不断监测轴的位置,控制系统改变传递给磁铁的功率,以将轴保持在最佳位置。

简单性与灵活性

空气箔轴承和磁性轴承是高速应用的可行解决方案。它们都具有低摩擦力,并且无需润滑即可运行,从而使其基本上无需维护。设计得益于多年的改进和在苛刻应用中的经验。

两种设计各有优缺点,但是这些差异可能会对给定应用选择最合适的轴承技术产生重大影响。

空气箔轴承无需外部电源或控制系统即可运行。这有助于降低其成本,这是设计的主要优势,特别是在小型机器中使用时。但是,当空气轴承启动时,其各部分彼此接触,直到轴旋转得足够快以形成加压膜为止。通常,直到达到5,000 rpm的轴转速,空气轴承才会“起飞”。随着时间的流逝,多次启动和停止会导致铝箔表面的磨损,最终将需要对其进行更换。

为了最大程度地减少启停循环次数,空气轴承压缩机有时会空转运行,这种做法会大大增加机器使用寿命内的能耗。对于要求不连续供应空气的应用,空气轴承的这一特性可能是一个重大限制。

如果颗粒物质进入轴承并滞留在轴和箔之间,则空气轴承也容易受到损坏。为了降低这种风险,大多数空气设计都要求对进入的空气进行严格的过滤。有源电磁轴承克服了许多这些限制。磁支撑系统在轴静止时起作用,因此停止启动操作对机器寿命没有影响,并且不需要空转。

大小限制

空气轴承的其他局限性出现在大型机器上。空气箔设计的总体承载能力相对较低,尤其是在轴向方向上,因此大型空气轴承涡轮压缩机通常采用双叶轮设计,从而降低了机器的整体效率。大型空气轴承也容易过热,因为气膜的压缩会升高其温度。结果,150 kW或更大的机器通常需要单独的液体冷却系统。

电磁轴承可以承受更大的力,从而可以在大型机器上使用,而无需额外的冷却。它们还具有良好的阻尼特性,有助于它们适应由电涌或机器其他地方的问题所产生的瞬态力。

控制创新

电磁轴承系统最大的缺点在于其复杂性。有源电磁轴承需要复杂的控制电子设备和持续的动力源。前者意味着磁性轴承比空气轴承具有更高的前期成本,而后者对机器设计具有影响。

使用磁性轴承系统的涡轮压缩机通常会集成备用电源,无论是电容器还是电池,在外部电源中断的情况下,它们都可以提供足够的能量来安全地使机器停机。为了在出现重大问题时进一步保护机器,电磁轴承设计(例如在苏尔寿(Sulzer)的HST涡轮压缩机系列中使用的那些轴承)采用了备用机械轴承,该机械轴承距轴的距离只有十分之几毫米。在极不可能的情况下,电磁轴承系统发生故障,这些备用单元会“卡住”轴,从而使机器安全地停止。

尽管电磁轴承所需的控制系统十分复杂,但近年来电子技术的发展已大大提高了其可靠性并降低了成本。用于检测轴位置的感应式传感器是简单,坚固且具有高可靠性的组件。

互联的未来

作为工业4.0世界的另一个好处,电磁轴承系统为压缩机提供了“内置”状态监测功能。控制系统不断收集有关轴的精确位置的数据,从而可以检测和分析潜在问题的振动,不对中以及其他预警迹象。

苏尔寿(Sulzer)在HST涡轮压缩机系列中使用磁性轴承已有25年了。第一台HST机器于1996年安装,目前仍在运行。这些单元中使用的轴承和控制系统是内部开发的,直到今天,该公司仍在继续开发自己的轴承和控制系统的设计。这项经验使人们对该技术充满信心,并帮助其性能和可靠性不断提高。

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