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渦輪壓縮機(jī)已成為現(xiàn)代水處理技術(shù)的支柱，它具有機(jī)械簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，朝陽(yáng)旭日重工可靠性和良好的能源效率。它們非常適用于在相對(duì)較低的壓力下生產(chǎn)大量壓縮空氣的情況，它們依賴于軸承，該軸承可以高速旋轉(zhuǎn)且阻力最小且可長(zhǎng)時(shí)間旋轉(zhuǎn)。如今，市場(chǎng)以兩種競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)為主導(dǎo)：翼型軸承和有源電磁軸承。
渦輪壓縮機(jī)中心的轉(zhuǎn)子由高速電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，通常沒(méi)有中間齒輪。在運(yùn)行中，電機(jī)軸和轉(zhuǎn)子組件的旋轉(zhuǎn)速度高達(dá)50，000 rpm，并且在大修之間可能會(huì)連續(xù)運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間。這些條件需要特殊類型的軸承，現(xiàn)代渦輪壓縮機(jī)設(shè)計(jì)中通常使用兩種方法。
翼型軸承
空氣箔軸承是一種氣體軸承，其設(shè)計(jì)利用氣體膜中的壓力將移動(dòng)和固定表面保持分開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)低摩擦，高速旋轉(zhuǎn)。氣體軸承運(yùn)行所需的壓力可以通過(guò)軸承本身的旋轉(zhuǎn)從外部提供或內(nèi)部產(chǎn)生?？諝獠S承使用后一種方法，因此，它們是動(dòng)態(tài)氣體軸承的一種。
空氣箔軸承由美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）在1960年代和1970年代開(kāi)發(fā)，專門(mén)用于渦輪機(jī)械應(yīng)用。在空氣箔設(shè)計(jì)中，旋轉(zhuǎn)軸和固定殼體之間的空間包含兩個(gè)薄箔，它們由涂有低摩擦材料（例如PTFE（聚四氟乙烯））的金屬制成。外部箔片（稱為凸塊箔片）是波紋狀的，可以彎曲以適應(yīng)軸承中的運(yùn)動(dòng)或未對(duì)準(zhǔn)。內(nèi)部箔片稱為頂部箔片，是圓柱形的，其形狀可緊密包裹在軸或軸頸上。當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，空氣在軸和頂部金屬箔之間被吸入，形成一個(gè)狹窄的間隙，允許以最小的摩擦旋轉(zhuǎn)。
電磁軸承
磁性軸承通過(guò)磁懸浮來(lái)支撐旋轉(zhuǎn)軸。大多數(shù)磁性軸承設(shè)計(jì)均使用圍繞軸承箱布置的磁鐵和包含鐵磁材料的軸。磁鐵吸引軸，并且當(dāng)平衡作用在軸上的力時(shí)，磁鐵會(huì)遠(yuǎn)離殼體，從而允許低摩擦旋轉(zhuǎn)。
此設(shè)計(jì)使用由電子控制系統(tǒng)提供動(dòng)力的電磁體，該電磁體可以調(diào)節(jié)其產(chǎn)生的力。外殼中的傳感器不斷監(jiān)測(cè)軸的位置，控制系統(tǒng)改變傳遞給磁鐵的功率，以將軸保持在最佳位置。
簡(jiǎn)單性與靈活性
空氣箔軸承和磁性軸承是高速應(yīng)用的可行解決方案。它們都具有低摩擦力，并且無(wú)需潤(rùn)滑即可運(yùn)行，從而使其基本上無(wú)需維護(hù)。設(shè)計(jì)得益于多年的改進(jìn)和在苛刻應(yīng)用中的經(jīng)驗(yàn)。
兩種設(shè)計(jì)各有優(yōu)缺點(diǎn)，但是這些差異可能會(huì)對(duì)給定應(yīng)用選擇最合適的軸承技術(shù)產(chǎn)生重大影響。
空氣箔軸承無(wú)需外部電源或控制系統(tǒng)即可運(yùn)行。這有助于降低其成本，這是設(shè)計(jì)的主要優(yōu)勢(shì)，特別是在小型機(jī)器中使用時(shí)。但是，當(dāng)空氣軸承啟動(dòng)時(shí)，其各部分彼此接觸，直到軸旋轉(zhuǎn)得足夠快以形成加壓膜為止。通常，直到達(dá)到5，000 rpm的軸轉(zhuǎn)速，空氣軸承才會(huì)“起飛”。隨著時(shí)間的流逝，多次啟動(dòng)和停止會(huì)導(dǎo)致鋁箔表面的磨損，最終將需要對(duì)其進(jìn)行更換。
為了最大程度地減少啟停循環(huán)次數(shù)，空氣軸承壓縮機(jī)有時(shí)會(huì)空轉(zhuǎn)運(yùn)行，這種做法會(huì)大大增加機(jī)器使用壽命內(nèi)的能耗。對(duì)于要求不連續(xù)供應(yīng)空氣的應(yīng)用，空氣軸承的這一特性可能是一個(gè)重大限制。
如果顆粒物質(zhì)進(jìn)入軸承并滯留在軸和箔之間，則空氣軸承也容易受到損壞。為了降低這種風(fēng)險(xiǎn)，大多數(shù)空氣設(shè)計(jì)都要求對(duì)進(jìn)入的空氣進(jìn)行嚴(yán)格的過(guò)濾。有源電磁軸承克服了許多這些限制。磁支撐系統(tǒng)在軸靜止時(shí)起作用，因此停止啟動(dòng)操作對(duì)機(jī)器壽命沒(méi)有影響，并且不需要空轉(zhuǎn)。
大小限制
空氣軸承的其他局限性出現(xiàn)在大型機(jī)器上?？諝獠O(shè)計(jì)的總體承載能力相對(duì)較低，尤其是在軸向方向上，因此大型空氣軸承渦輪壓縮機(jī)通常采用雙葉輪設(shè)計(jì)，從而降低了機(jī)器的整體效率。大型空氣軸承也容易過(guò)熱，因?yàn)闅饽さ膲嚎s會(huì)升高其溫度。結(jié)果，150 kW或更大的機(jī)器通常需要單獨(dú)的液體冷卻系統(tǒng)。
電磁軸承可以承受更大的力，從而可以在大型機(jī)器上使用，而無(wú)需額外的冷卻。它們還具有良好的阻尼特性，有助于它們適應(yīng)由電涌或機(jī)器其他地方的問(wèn)題所產(chǎn)生的瞬態(tài)力。
控制創(chuàng)新
電磁軸承系統(tǒng)最大的缺點(diǎn)在于其復(fù)雜性。有源電磁軸承需要復(fù)雜的控制電子設(shè)備和持續(xù)的動(dòng)力源。前者意味著磁性軸承比空氣軸承具有更高的前期成本，而后者對(duì)機(jī)器設(shè)計(jì)具有影響。
使用磁性軸承系統(tǒng)的渦輪壓縮機(jī)通常會(huì)集成備用電源，無(wú)論是電容器還是電池，在外部電源中斷的情況下，它們都可以提供足夠的能量來(lái)安全地使機(jī)器停機(jī)。為了在出現(xiàn)重大問(wèn)題時(shí)進(jìn)一步保護(hù)機(jī)器，電磁軸承設(shè)計(jì)（例如在蘇爾壽（Sulzer）的HST渦輪壓縮機(jī)系列中使用的那些軸承）采用了備用機(jī)械軸承，該機(jī)械軸承距軸的距離只有十分之幾毫米。在極不可能的情況下，電磁軸承系統(tǒng)發(fā)生故障，這些備用單元會(huì)“卡住”軸，從而使機(jī)器安全地停止。
盡管電磁軸承所需的控制系統(tǒng)十分復(fù)雜，但近年來(lái)電子技術(shù)的發(fā)展已大大提高了其可靠性并降低了成本。用于檢測(cè)軸位置的感應(yīng)式傳感器是簡(jiǎn)單，堅(jiān)固且具有高可靠性的組件。
互聯(lián)的未來(lái)
作為工業(yè)4.0世界的另一個(gè)好處，電磁軸承系統(tǒng)為壓縮機(jī)提供了“內(nèi)置”狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能。控制系統(tǒng)不斷收集有關(guān)軸的精確位置的數(shù)據(jù)，從而可以檢測(cè)和分析潛在問(wèn)題的振動(dòng)，不對(duì)中以及其他預(yù)警跡象。
蘇爾壽（Sulzer）在HST渦輪壓縮機(jī)系列中使用磁性軸承已有25年了。第一臺(tái)HST機(jī)器于1996年安裝，目前仍在運(yùn)行。這些單元中使用的軸承和控制系統(tǒng)是內(nèi)部開(kāi)發(fā)的，直到今天，該公司仍在繼續(xù)開(kāi)發(fā)自己的軸承和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。這項(xiàng)經(jīng)驗(yàn)使人們對(duì)該技術(shù)充滿信心，并幫助其性能和可靠性不斷提高。
