用于大功率涡轮机械的气浮轴承
在本技术论文中，我们将讨论通用电气研究中心机械系统部的 Bugra Ertas 在
为大功率无油涡轮机械启用轴承技术中提出的使用无油涡轮机械操作的注意事项和解决方案。
Ertas 讨论了气膜轴承技术的进步以及推动使用过程流体运行的流体动力轴承所涉及的工作。该论文的结论是多孔介质气浮轴承代表涡轮机械的下一个发展的潜力。而且，我们在这一点上进行了扩展，以证明 New Way® 产品在需要高阻尼和最大负载支撑轴承的涡轮机械应用中的资格。
对于兆瓦级的发电，几乎任何类型的压缩机或涡轮机都使用油润滑轴承。但是，随着对效率和功率密度要求的提高，该行业正在寻求使用轴承来润滑和处理机器自身的过程流体。虽然油能够通过其天然的高粘度产生巨大的流体动压和高阻尼，但它们因需要复杂的泵系统以及保护润滑剂免受工艺流体的影响而受到阻碍 - 反之亦然 - 如前所述通过厄塔斯。
Ertas 指出，转向气体/流体轴承的两个主要挑战是它们的负载能力和阻尼能力。
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目前最常用的气体轴承是
箔轴承（如下图 1 所示）——一种流体动力轴承，它利用顺应轴承“箔”和顶面之间产生的压力来承载轴载荷。
箔轴承代表了在涡轮机械中使用气体轴承的坚实基础，但它并非没有缺点，如下图 2 中的扭矩-速度图表所示。
图 2. 展示了箔片轴承在其运行周期内的扭矩-速度图表。在 0 RPM 时，我们发现扭矩峰值，因为箔片和轴承表面仍在接触。提离后，轴承在正常运行时会产生稳定的润滑膜。但是，这种初始滑动摩擦及其相关的扭矩峰值仍然需要使用表面涂层来抵抗持续的摩擦接触。
这种接触最终将箔轴承的应用限制在更轻的转子上，从而限制了更低功率的应用。在这里，我们看到第一个障碍已经阻碍了一项技术，因为箔轴承在启动时的接触摩擦降低了它的极限负载能力。
减震
采用气体轴承的第二个主要障碍是阻尼，Ertas 将其定义为与机械系统中的振动速度相反的机械力。从功能上讲，
阻尼降低了系统的频率和幅度，直到它处于静止状态，使其成为减少机械系统中有害振动或潜在共振的有价值的工具。
图 3.，如下所示，代表了一个简单系统中振动水平和阻尼系数之间关系的基本说明，该系统由一个不平衡的旋转力作为强制振动输入组成。这个简单的例子表明，随着阻尼系数的增加和刚度保持不变，振动水平会降低。
下面的图 4 展示了一个类似的例子。然而，这次阻尼系数保持不变，刚度是变化的。在这里，我们看到较低的刚度会导致更快地恢复到稳定、不受干扰的状态。
Ertas 指出，在高刚度情况下对阻尼的需求会增加，以保持与低刚度情况相同的放大系数。因此，单独的阻尼不足以定义弹簧阻尼系统的阻尼能力。
为了充分实现阻尼和刚度能力，我们必须检查刚度与阻尼的比率，我们将其定义为阻尼比（等式 1）。阻尼比与临界阻尼（等式 2）相关，其中系统在没有任何振荡的情况下恢复平衡，与系统的绝对阻尼相关。
定义了这些方程后，我们看到为了最大化我们的阻尼比，我们必须设计一个机械解决方案，它允许低刚度和最大阻尼。虽然气膜轴承通常具有较高的刚度比，但较新的流体动力学设计推翻了这种古老的理念。
含气系统的演变
在本节中，Ertas 重点介绍了现代气体轴承系统的演变以及它们各自的设计特征如何演变以更好地适应更高负载情况并提供更多阻尼。
图 5. 定义了径向气体轴承设计空间的基本参数。这里定义了一个基本的相关性；随着额定功率的增加，转子直径也必须增加。因此，为了适应这种发电能力，重量会变大。这个设计空间为现有和新接受的气体轴承解决方案的适用性提供了宝贵的见解。
例如，我们看到箔轴承在很大程度上仅限于在 250 KW 以下运行的小直径轴，这是由于其流体动力膜的塌陷以及较重的轴应用所维持的相应表面接触。在箔轴承状态之上，静水增压开始发挥作用。
流体静力学涉及利用外部压力源来提升转子，提供更高水平的流体力来悬挂旋转组件，否则无法通过工艺气体箔轴承提供。
Ertas 指出，在更高的额定功率下，用于支撑旋转轴的流体力也会引起不稳定的动态力（例如振动），这反过来又需要更高水平的阻尼。这使我们回到了采用合规气体轴承系统的最初障碍之一。并且，Ertas 将软轴承支架与气膜结合使用，以提供足够的阻尼。
与流体动力或流体静力系统的刚性几何结构相比，柔性支架上的软安装提供了更有利的刚度阻尼比。因此，具有出色的阻尼能力。值得注意的是，该系统已在飞机发动机中广泛采用；软支架的使用将转子弯曲力矩转化为刚体力矩。因此，减少了传递轴承载荷和转子振动的幅度。
图 6 中的上图展示了软支撑如何帮助最大限度地提高弹簧质量阻尼器系统的等效阻尼。将 K a定义为气膜刚度，将 K b定义为轴承支撑刚度；一个简单的关系表明，当 K a /K b接近无穷大时，等效阻尼接近轴承支撑阻尼。换句话说，在保持气膜刚度不变的同时降低轴承支撑刚度，可以提高等效阻尼。
即使在处理相对较低的气膜阻尼值时，这种关系也允许通过最小化轴承支撑刚度（即软安装）来实现高阻尼系统。
在图 7 中，我们看到了在过去十年中顺应气体轴承的进展和演变。从具有出色尺寸重量比的箔轴承开始，我们进入 Gen1，它利用方形横截面作为静压凹槽，在轴承表面和轴颈之间形成润滑膜层。通过实施金属网阻尼器来提高负载能力和阻尼，这对箔轴承进行了改进，但减振仍然有限。
Gen2 使用具有多个孔的分布式气体输送系统来产生其挤压膜效果。而且，虽然它提供了更高的阻尼，但其由 500 个部件组成的模块化流体阻尼器组件使得制造和组装变得不切实际。Gen3 概念通过增材制造提供两全其美的解决方案，并提供具有成本效益的解决方案。然而，正如 Ertas 所指出的，轴承和轴颈的磨损仍然存在。
Ertas 通过解释气膜轴承在涡轮机械应用中面临的剩余挑战来结束他的论文。也就是说，它们必须能够承受意外的着陆条件。此外，他强调多孔介质气浮轴承是最大负载情况下的潜在解决方案，并建议将多孔介质气浮轴承与 Gen3 兼容轴承相结合。
涡轮机械气浮轴承案例
既然我们已经涵盖了 Ertas 关于将气膜轴承应用于涡轮机械行业的全面讨论，我们 New Way Air Bearings 想阐述他的最后一点并深入讨论多孔介质气浮轴承如何特别适合到我们刚刚讨论的最大负载涡轮机械应用。
本次讨论主要来自我们自己的内部测试、产品规格以及我们的首席技术官 Drew Devitt 的工作以及他的白皮书
Damping and Stiffness, A Primer。
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在之前的论文中，Ertas 将箔轴承的有限负载能力确定为大型机器广泛采用的主要障碍，因为轴承必须承受滑动摩擦和柔性箔上的接地重量。
New Way 的轴承技术从根本上是可扩展的，我们的
径向气浮轴承已经用于
转子平衡和其他高速
旋转应用，允许高负载轴应用。
S32150L 、
150mm x 300mm 径向气浮轴承可以在理想的 5 微米浮空高度下支撑 2,350 磅，并且能够支撑直径从 250 毫米到 1250 毫米不等的轴。高度模块化的特性允许在承载位置应用多个轴承，包括轴向和径向，以支持更重的轴应用
我们的多孔碳的性质是形成气浮膜不可或缺的一部分，它也解决了接地和滑动摩擦的问题。我们的多孔碳具有 13,200 psi 或 91Mpa 的压缩强度，使其相对柔软，使其能够在负载和意外着陆下压缩，从而防止振动和损坏。
阻尼和刚度
New Way 的 Porous Media™ 气浮轴承通过应用
挤压膜效应提供了刚度和阻尼的理想组合。虽然大多数机械系统发现刚度和阻尼呈负相关，但在这里，它们是正相关的（如下图 7 所示，摘自
技术报告一）。
由于气浮轴承将 5 微米的浮空高度范围作为其最佳工作区域，因此气浮轴承已经具有优化的刚度阻尼比。并且，减小气隙进一步增加了阻尼能力。如果需要在降低刚度的同时保持阻尼，则可以软安装气浮轴承系统（根据 Ertas 的建议）。
New Way 的气浮轴承产品已经过独立测试，以确定它们相对于传统滚柱轴承系统的阻尼能力，与流体轴承技术相比，这一优势也同样适用。
麻省理工学院的 Michael Chiu 进行的测试（
见技术报告三）确定了线性气浮轴承在 4000Hz 频率扫描范围内的频率响应，与等效滚柱轴承系统相比。结果如下所示，描绘了一条几乎完美平滑的渐近曲线，没有滚柱轴承产生的众多磁极，每个磁极都能够产生共振行为。
此外，Devitt 指出，流体膜的弹簧刚度或压缩弹簧（或充当弹簧的膜）通过单位距离所需的力高度依赖于膜厚度。而且，对于工艺气体箔轴承，油膜厚度是转速的结果。
如果使用油基轴承，温度会影响粘度。并且，它反过来会影响薄膜的厚度。这种温度峰值是流体剪切产生热量的结果，但由于气浮静压轴承中的流体剪切要低得多，New Way Air Bearings 回避了这两个问题，提供外部压力以保持薄膜厚度并允许通过气隙。这允许外部加压轴承保持其刚度和阻尼特性，不受速度或温度的影响，并解决接地时的磨损问题。
易于制造
Ertas 强调 Gen2 和 Gen3 轴承是对广泛应用的气膜轴承的出色创新，但其制造的复杂性却阻碍了它们的发展。Gen2 轴承有 500 个单独的部件，而 Gen3 轴承需要增材制造，并且轴承和轴颈之间仍然存在磨损。
New Way 轴承不仅制造简单且始终如一，而且是
在内部设计和加工的，而且我们提供的几乎所有产品都可以按您的确切规格进行放大和制造。
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在所有相关指标中，无论是负载、阻尼、刚度还是易于制造，外部加压多孔介质都可以使气膜轴承成为涡轮机械的支柱。如果您想就涡轮机械应用与我们交流，请
联系我们，以便我们讨论 New Way Air Bearings 可以为您做什么！
