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磁悬浮风机的电磁轴承在废水处理中的应用

发表时间:2020-10-03 08:22

1.翼型轴承

磁悬浮风机的机翼轴承最初替代了高速空气循环机中的滚动元件和轴颈轴承,而后者是燃气轮机飞机上环境控制系统的核心。其他常见应用包括引气涡轮压缩机和涡轮膨胀机。这些应用通常具有轻负载和恒定速度。下图显示了自1960年代Garrett AiResearch(现为Allied Signal)推出Multipad Foil轴颈轴承(图1a)以来,翼型轴承的演变。霍尼韦尔(Honeywell),汉密尔顿标准(Hamilton Standard),机械技术公司(MTI),ABG-Semca,Sunstrand,British Aerospace,Tupolev等许多公司都对基本设计进行了改进。目前的研究工作集中在增加阻尼和负载能力,先进的减摩箔涂层,

机翼轴承技术的发展

图1-机翼轴承技术的发展。
(a)Garrett AiResearch开发的多垫箔轴承概念;
(b)汉密尔顿标准公司开发的反向多层铝箔轴颈轴承概念;
(c)R&D Dynamics开发的反向多垫铝箔轴颈轴承概念




2.电磁轴承


典型电磁轴承的定子

图2-典型电磁轴承的定子



包括系统在内的无源磁悬浮可以追溯到一个世纪以前。但是,无源系统本质上是不稳定的。如今,采用电磁体,复杂的控制器和算法的有源系统几乎全部被使用。主动磁性轴承的最初研究始于1930年代,用于超速离心机,协助研究分子生物学,生物化学,聚合物科学等。如今,磁性轴承已成为海底石油和天然气工业中久经考验的技术应用,冷却器,高精度仪器,真空储能等。下图显示了典型的磁性轴承定子。早期的研究是在弗吉尼亚大学进行的,1988年将电磁轴承引入了涡轮机械行业。MagneticBearing Inc.进行了进一步的开发。并由NOVA Gas Transmission Ltd.进行了改进。NOVA后来创建了一个独立的磁性轴承公司-Revolve Technologies Inc.(现在是瑞典SKF的一部分)。当前的研究工作集中在改进仿真技术,提高稳定性,甚至减少对反馈系统(例如Halbach电磁轴承)的依赖上。

运作原理

1.机翼

翼型轴承的工作方式与油衬套或轴颈轴承类似,但以空气为工作介质。在启动磁悬浮风机之前,轴和轴承之间存在少量的预紧力。此外,在水平轴定向的机器中,由于重力,轴会抵靠轴承。因此,一些箔片在轴静止时直接与轴接触。当轴在提起之前开始相对于箔片旋转时,这种接触会导致摩擦。

由于在轴和轴承之间产生的流体动力压力,旋转组件将轴承抬起。在任何流体系统(空气,水,油)中,即使流体流以更大的比例运动,直接在固体边界表面的流体的速度也始终为零。因此,流体流的速度随着距固体边界的距离而以某种速率增加。该速度差意味着对流体施加了一些剪切力。翼型轴承利用这种小规模剪切力产生流体动力压力并使轴悬浮。悬浮后,轴在大约2,000至5,000 RPM时变为非接触状态。下图显示了与翼型轴承相同的原理的油润滑轴颈轴承。

为了减轻启动过程中缓慢旋转过程中滑动摩擦的负面影响(例如发热和磨损),在表面上进行了固体润滑。用作轴承表面润滑剂的常见涂料类型是Teflon-S和Korolon(氧化铬)。一些军事应用使用由磁悬浮风机开发的聚酰亚胺涂层。其他涂层包括氧化铝,氮化钛,碳化钛和各种氮化硼混合物。尽管研究表明涂层具有极好的耐磨性,但轴承不能很好地承受箔涂层的磨损。一旦固体润滑剂磨损到基材上,增加的摩擦力就会导致机器磨损和卡住。轴承气流中的任何污染物,例如灰尘或沙土,都会加速磨损。

油轴颈轴承的工作原理与翼型轴承相同

图3-油轴颈轴承的工作原理与机翼轴承相同。

2.电磁轴承

主动磁轴承系统依靠动态驱动的电磁铁来悬浮。如果磁悬浮风机直接与油轴颈或翼型轴承进行比较,则电磁轴承的工作介质是与油或空气相反的电流,并且轴由与油膜或气压相反的有效磁场支撑。当轴承打开时,电磁体将旋转组件推向轴承中心。该系统之所以称为主动系统,是因为轴承中的传感器检测旋转组件中心的实际位置,并将信息传递给电磁轴承控制器(MBC)。控制器决定是否必须调节流向任何磁体的功率,以实现更居中的位置,并据此进行调整。系统原理图如图4所示。

一旦轴悬浮,旋转就可以基本没有摩擦。在正常运行期间,每秒对轴的位置进行数千次监控,并相应地调整电磁体。主动调节可自动校正旋转组件的不规则性,例如不平衡。在运行期间,可以通过传感器监控和记录各种性能特征,这些传感器是轴承组件的自然组成部分。这可以深入了解温度,振动,推力载荷,接近浪涌和设备的系统稳定性。可以对数据进行进一步的统计分析,以显示机器的状态和运行状况,运行趋势以及系统的任何早期预警信号。

在停电的情况下,将故障安全机制作为轴承设计的一部分是标准的行业惯例。一种这样的机制是简单的UPS,该UPS继续向磁性轴承系统供电,直到轴旋转停止为止。在废水处理应用中,由于排放背压,轴的旋转将非常迅速地减速,并且最多在几分钟内就会停止。轴承保护的另一种方法不需要UPS。在停电时,电动机变成发电机,然后将收集到的动力用于悬浮旋转的组件。

电磁轴承示意图

图4-电磁轴承示意图。间隙传感器检测转子的位置,并将信息发送到控制器。控制器调整电磁体的功率以使转子重新居中。


两种保护方法都辅以另一种保护系统–“备用”轴承。如果UPS故障或其他问题,旋转组件将降落在安装在系统内的滚动轴承的内圈上。在典型情况下,旋转组件不会与滚动轴承接触,因为滚动轴承ID略大于旋转轴的外径。轴向支承轴承也是磁性轴承的标准组件,并且以相同的原理运行。


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