Berührungsfreie Lageroptionen für Turbo-Kompressoren untersuchen

Lager spielen eine kritische Rolle in jeder rotierenden Maschine. Sie tragen nicht nur die Last der rotierenden Wellenbaugruppe, sondern mindern auch die Reibung zwischen beweglichen und stationären Teilen. Gängige Lagertypen sind herkömmliche Kugellager, Rollenlager und Kegelrollenlager. Diese Lager sind für Geräte bei normalen Drehzahlen akzeptabel, aber aufgrund der entstehenden Wärme auf sehr hohe Drehzahlen beschränkt. Um rotierende Maschinen bei 10.000+ Umdrehungen pro Minute (RPM) zu betreiben, ist eine andere Lösung nötig, um vorzeitigem Ausfall vorzubeugen.

Hier kommen berührungsfreie Lager ins Spiel. Wie der Name andeutet, ermöglichen diese Lager die Unterstützung der rotierenden Baugruppe ohne Kontakt mit anderen Oberflächen. Berührungsfreie Lager bieten die höchste Effizienz, indem sie typische Lagerverluste durch Reibung zwischen Wälzelementen eliminieren. Es gibt zwei Haupttypen berührungsfreier Lager: Fluidlager und Magnetlager.

Fluidlager unterteilen sich weiter in hydrodynamische oder hydrostatische Lager. In beiden Typen wird ein Fluid wie Öl, Wasser oder Luft als Tragmedium verwendet. Statische Lager nutzen extern unter Druck gesetztes Fluid von einer Pumpe zur Wellenunterstützung. Dynamische Lager verlassen sich auf die hochdrehende Baugruppe, um einen unter Druck stehenden Keil zwischen Welle und Lagerfläche zu erzeugen. Für diesen Artikel konzentrieren wir uns auf Luftfolien-Fluidlager und Magnetlager als Optionen für Hochgeschwindigkeits-Turbo-Kompressoren. Sehen wir uns genauer an, wie diese Lager funktionieren und welche Vorteile sie bieten.

Luftfolienlager (Air Foil Bearings)

Luftfolienlager funktionieren teilweise aufgrund der No-Slip-Bedingung von Fluiden. Wenn eine rotierende Welle an Geschwindigkeit zunimmt, haften Luftmoleküle an der Welle und werden schließlich darunter hindurchgezogen, um ein tragendes Luftkissen zu bilden. Dieses Kissen trennt die Welle von den umgebenden Komponenten und ermöglicht der Welle freie Rotation. Die andere für das Luftlager erforderliche Komponente ist die Luftfolie und die tragende Federstruktur, die dem Lager seine Tragfähigkeit verleiht.

Luftfolienlager haben den Vorteil, keine externe Pumpe oder keinen Kompressor zur Druckbeaufschlagung der Luft zu benötigen. Die Folien bestehen aus dünnen Stücken hochtemperaturbeständigen Stahls, die in die richtige Folienstruktur geformt sind. Das bedeutet, die Lager bieten die Vorteile von berührungsfreiem Betrieb und anständiger Tragfähigkeit bei sehr geringen Herstellungskosten.

Ein Nachteil von Luftfolienlagern ist eine geringere Tragfähigkeit als herkömmliche Rollenlager. Das bedeutet, die getragene Wellenbaugruppe muss kleiner sein als die von Rollenlagern getragene. Aus diesem Grund sind Maschinen mit diesem Lagertyp auf einige hundert PS begrenzt. Obwohl Luftlager während des Normalbetriebs keinen Kontakt haben, haben sie Kontakt während der Anlauf- und Bremsphasen. Diese Periode der Gleitreibung wird oft durch Aufbringen einer Antihaftbeschichtung, wie Teflon, auf die obere Folienoberfläche gemildert. Allerdings nutzt sich die Beschichtung schließlich ab, bis die Reibung beim Anlauf und Bremsen zu hoch wird und die Lager versagen.

Magnetlager

Magnetlager funktionieren, indem sie Elektromagnete nutzen, um den Rotor während des Betriebs zu levitieren. Strom wird in eine Spulenanordnung um den Rotor eingespeist, die die Welle bei Aktivierung zu jeder Spule hin anzieht. Zusätzlich zur allgemeinen Levitation wird der eingespeiste Strom genutzt, um den Rotor um seine Mittelachse rotieren zu lassen und Kontakt mit stationären Teilen zu verhindern. Die hohe Drehzahl erfordert, dass die Wellenposition mit sehr hoher Rate analysiert wird, um Strom in die richtigen Spulen einzuspeisen und die Welle in Position zu halten. Dies erfordert einen fortschrittlichen Lagercontroller.

Magnetlager haben mehrere Vorteile. Erstens gibt es keinen mechanischen Verschleiß selbst während Anlauf und Bremsen. Daher gibt es keine praktische Ermüdungslebensdauer für diesen Lagertyp. Zusätzlich können Turbomaschinen, die Surging erleben, während des Surgings vor Schäden geschützt werden. Magnetlager können Surge-Kräfte aktiv erkennen und Strom einspeisen, um die Welle in ihrer Achse rotieren zu lassen. Der Nachteil liegt in den zusätzlichen Kosten der Magnetspulenanordnungen und des aktiven Lagercontrollers. Zusammenfassend: Die erhöhte Langlebigkeit und Zuverlässigkeit der Magnetlager kommt zu einem höheren Preis für die Lagerbaugruppe.

Gebläse, die berührungsfreie Lager nutzen, können teurer sein, liefern aber die höchste Effizienz und ROI in Form von Energieeinsparungen durch Eliminierung traditioneller Lagerreibungsverluste. Wenden Sie sich an einen unserer Experten, um zu sehen, wie viel Sie durch Installation einer energieeffizienten Maschine sparen könnten.