Turbodmuchawy AERZEN - powietrze jako łożysko

Jako efektywny system łożyskowania bez mechanicznego zużycia promuje AERZEN sprężone powietrze w dwóch łożyskach promieniowych wału napędowego i łożysku osiowym do absorbcji sił osiowych. Jednakże w żadnym wypadku powietrze pod wysokim ciśnieniem nie jest pompowane z zewnątrz, a używa się tutaj zasady kompresji w genialny sposób. Szybko obracający się wał generuje podczas startu turbo dmuchawy w szczelinie powietrznej łożyska, poprzez naturalne niewyważenie, ruch mimośrodowy. Ponieważ wał zwiększa ciśnienie w sekcji na drodze minimalnej do ściany łożyska, powstaje siła reakcji w formie wzrostu ciśnienia. Wciska ona wał –podobnie jak kompresor lub silnik Wankla – w przeciwnym kierunku. Na skutek szybkiego wzrostu obrotów wał samoczynnie centruje się w łożysku i zwiększa ciśnienie w szczelinie łożyska do 30 bar. Powstała w ten sposób para sił jest tak duża, iż wał także przy silnie zmieniających się i wymagających warunkach pracy trwale pozostaje w środku łożyska i w dodatku unosi się bez kontaktu powierzchniowego. Geniusz tego rozwiązania polega na fakcie, iż poduszka powietrzna tworzy się w trakcie pracy automatycznie zupełnie inaczej niż w przypadku łożysk magnetycznych (patrz porównanie na końcu artykułu) – bez jakiegokolwiek dodatkowego impulsu energetycznego. Pierwotnie łożyska powietrzne były skonstruowane przez NASA a obecnie zostały zoptymalizowane przez AERZENERa w zakresie technologii turbodmuchaw.

Zgodnie z zasadą działania łożysk powietrznych żadna elektryczna, mechaniczna czy pneumatyczna regulacja nie jest wymagana – nawet w przypadku zmiennych obciążeń dynamicznych. Prawdą jest, iż zużycie łożysk może występować podczas fazy start/stop turbodmuchawy do czasu uformowania się poduszki powietrznej. Aby sprostać temu teoretycznemu wyzwaniu, AERZEN opracował innowacyjny system łożyskowania powietrznego. AERZEN używa komponentów powlekanych 2-warstwowo celem zapewnienia maksymalnej ochrony powierzchni łożysk podczas kontaktu z wałem.   Ponieważ efekt sprężania w łożyskach znacznie zwiększa ciśnienie powietrza, tak więc warstwa pomiędzy pierścieniem łożysk a wałem jest praktycznie tak twarda jak stal. Konsekwentnie, AERZEN skonstruował indywidualnie dla tego zastosowania specjalną warstwę tłumiącą – folię sprężynową.  W tym wypadku chodzi o walcowaną faliście blachę grubości jednego milimetra, która chroni warstwę ślizgową łożysk i równocześnie tłumi drgania.

Energooszczędny tryb pracy na biegu jałowym

Unikalną cecha turbodmuchaw AERZENERa jest energooszczędny tryb pracy na biegu jałowym. Konstrukcja łożysk powietrznych AERZENERa umożliwia ekstremalnie niskie prędkości obrotowe. Oznacza to, iż ciągłe włączanie i wyłączanie się maszyny może być wyeliminowane. Dodatkowo  poprzez bieg jałowy eliminuje się potencjalne zużycie łożysk, jako iż wał znajduje się cały czas w fazie lewitacji. Związane z tym zużycie energii kształtuje się na poziomie 1-2% wartości nominalnej silnika turbodmuchawy. 

Powietrze zapewnia rezerwę przy wyższych prędkościach obrotowych

Stosując wyrafinowaną koncepcję foliowych łożysk powietrznych Aerzenerowi udało się jednocześnie zachować prostotę konstrukcji turbo dmuchawy z synchronicznym silnikiem magnetycznym jako energetycznie efektywnym napędem. Ten typ łożysk ciągle posiada rezerwę w przypadku pracy z wyższymi prędkościami obrotowymi, inaczej niż to jest w przypadku łożysk magnetycznych. W konsekwencji tzw. gęstość mocy może być zwiększona jako skutek szybciej wirujących łopatek wirnika, jeśli tylko zastosuje się odpowiednie silniki.

Łożyska powietrzne kontra łożyska magnetyczne

Alternatywnie funkcjonują turbodmuchawy innych producentów z łożyskami magnetycznymi, które podobnie mająza zadanie uporać się z wysokimi prędkościami obrotowymi bez łożyskowania mechanicznego. W przypadku łożysk magnetycznych konieczny jest jednakże prąd elektryczny, tak aby cewki umieszczone kołowo wokół wału napędowego mogły wytworzyć w trakcie pracy siły utrzymujące wał w stanie wolnym od mechanicznego tarcia. Szczególnie zmieniające się warunki pracy wystawiają ten wysoce skomplikowany system regulacyjny na próbę, dlatego też częstokroć prowadzi to do technologicznie uwarunkowanych awaryjnych wyłączeń całego agregatu turbodmuchawy. Aby system, w przypadku zakłóceń, wyłączeń awaryjnych czy braku zasilania elektrycznego przez jakiś czas pozostał aktywny, łożyska magnetyczne turbo dmuchaw są zawsze wyposażane w system zabezpieczenia przed zanikiem napięcia. System ten zapewnia, w przypadku zaniku napięcia, iż pole magnetyczne jest wytwarzane tak długo, jak tylko wał osiągnie bezpieczną prędkość obrotową dla mechanicznych łożysk bezpieczeństwa. Jednakże zabezpieczenie przed zanikiem napięcia tylko wtedy zapewnia bezpieczeństwo, jeśli samo w sobie jest niezawodne. Ponadto należy liczyć się z wydatkami energetycznymi, gdyż system łożyskowania magnetycznego wymaga ciągłej dostawy energii. Skomplikowana technika monitoringu także wymaga nakładów serwisowych. Natomiast innowacyjne łożyska powietrzne AERZENERa zostały skonstruowane na teoretyczną żywotność ponad 80.000 godzin pracy niezależnie od ilości cyklów start/stop i tym samym ustanowiły nowy standard na rynku.