Аэрация, как правило, представляет собой самую большую электрическую нагрузку на биологической станции очистки сточных вод, а воздуходувки часто работают круглосуточно при давлении от 0,4 до 1,0 бар. Покупатели, сравнивающие конструкции турбонагнетателей с воздушным подшипником и на магнитной подушке, видят две машины, которые на бумаге выглядят одинаково: тот же двигатель с постоянными магнитами, тот же привод, те же обещания значительной экономии по сравнению с лопастным нагнетателем. Разница заключается в компоненте, который не упоминается в технических паспортах.
Обе модели представляют собой высокоскоростные машины с прямым приводом и безмасляной конструкцией, в которых используются одинаковые технологии изготовления рабочего колеса и двигателя; реальное различие заключается в способе подвески ротора. В турбонагнетателе с воздушным подшипником вал удерживается на воздушной подушке, создаваемой самим ротором, поэтому в нем не требуется ни датчиков, ни контроллера, ни резервного подшипника, что делает его конструкцию более простой и дешевой. Турбонагнетатель с магнитной подвеской левитирует вал с помощью электромагнитов под управлением в режиме замкнутого контура, что обеспечивает активное демпфирование и диагностику, но также требует наличия электроники, вспомогательного подшипника и надежного источника питания. Для непрерывной работы при обычном качестве электроэнергии и чистом входящем воздухе конструкция с воздушным подшипником обычно обеспечивает более выгодную стоимость жизненного цикла. В случае широкого диапазона регулирования, удаленной диагностики или строгих ограничений по вибрации конструкция с магнитной подвеской оправдывает свою более высокую стоимость.
В приведенных ниже разделах сначала рассматриваются технические аспекты, а затем — финансовые.
Главное отличие в одном предложении
Если убрать корпус, то эти две машины отличаются лишь одним компонентом: подшипником. Одна из них использует воздух, который она уже перемещает; другая — электромагнитную силу и контур регулирования.
Вся система, расположенная выше по потоку, представляет собой единое целое: двигатель с постоянными магнитами напрямую приводит в движение обработанное рабочее колесо со скоростью от 20 000 до 60 000 об/мин без редуктора и масляного контура, причем скорость вращения, определяющая расход, регулируется приводом. В более широком диапазоне промышленные вентиляторы Используемый для аэрации, подшипник определяет модель исполнения.
Как воздушный подшипник поддерживает вал
В подшипнике с гибкой фольгой гладкая верхняя фольга располагается поверх гофрированной фольги с выпуклостями. По мере увеличения скорости вязкое сопротивление затягивает воздух в сужающийся клин между валом и фольгой, и создающееся там давление поднимает ротор на пленку толщиной от 10 до 20 микрон. Пленка действует самопроизвольно, поэтому не требуется ни внешнего подачи воздуха, ни электроники, а лопасть изгибается, гася колебания. До подъёма вал скользит по лопасти, причём контакт обеспечивается слоем твёрдого смазочного материала. Работа Исследовательский центр НАСА имени Гленна в нём как раз и описывается именно это: отсутствие износа при том, что плёнка поддерживает ротор, скользя при запуске и остановке. Подробности приведены на Турбонагнетатель с воздушным подшипником страница.
Как подшипник маглева поддерживает вал
Активный магнитный подшипник удерживает в подвешенном состоянии ламинированный ротор с обмотками статора. Датчики смещения фиксируют положение тысячи раз в секунду, а контроллер модулирует ток в обмотках, удерживая ротор вблизи центра зазора по пяти осям. Поскольку подвеска является активной, ее жесткость можно регулировать в пределах всего диапазона скоростей, что позволяет фильтровать синхронные колебания и генерировать данные о траектории движения для диагностики. Левитация существует только при подаче питания на контроллер, поэтому источник питания становится частью системы подшипника. При потере питания ротор опускается на вспомогательные подшипники, а контроллер, поддерживаемый ИБП или рекуперативным торможением, управляет процессом посадки. Турбонагнетатель с магнитной подвеской На этой странице показано, как это организовано.
Сравнение подшипников «бок о бок»
| Параметр | Воздушный подшипник (гибкая пленка) | Маглев (активная магнитная подвеска) |
| Опора ротора | Самообразующаяся воздушная подушка | Электромагнитная сила, создаваемая катушками |
| Аппаратное обеспечение системы управления | Нет; геометрия фольги определяет жесткость | Датчики, контроллер, усилители |
| Контакт в состоянии остановки | Да, на фольге с покрытием | После опускания на вспомогательные опоры |
| Стартап | Разгон до скорости взлета | Парит в воздухе, прежде чем повернуть |
| Потеря мощности | Укладывается на фольгу, без электронных компонентов | Контроллер должен выдержать режим выбега |
| Мониторинг | Вибрация, температура | Орбита, смещение, ток, количество падений |
| Относительная цена | Нижний | Выше |
Эффективность: вот где проявляется настоящая разница
В расчетных условиях показатели этих двух типов подшипников различаются на 1–3 процентных пункта, что укладывается в пределы погрешности большинства полевых испытаний. Решающим фактором при выборе является поведение подшипника при частичной нагрузке, а не номинальные характеристики.
Расчетная точка и частичная нагрузка
Удельная мощность, выраженная в кВт на кубический метр в минуту при указанном давлении, является единственным показателем, позволяющим объективно сравнивать агрегаты разных типоразмеров. Указанные диапазоны являются ориентировочными для манометрического давления 0,6 бар при стандартных условиях на входе и не являются гарантированными значениями.
| Тип вентилятора | Удельная мощность, кВт на м³/мин | Практическое уменьшение мощности |
| Лопастной (объёмный) | от 1,45 до 1,75 | от 100 до 60 процентов |
| Многоступенчатая центробежная | от 1,15 до 1,35 | от 100 до 70 процентов |
| Турбокомпрессор с воздушным подшипником | от 1,00 до 1,15 | от 100 до 50 процентов |
| Турбо-маглев | от 0,98 до 1,12 | от 100 до 50 процентов |
Нижние строки пересекаются, поскольку в средней области диаграммы производительность ограничивается не типом подшипников, а запасом по пульсациям и охлаждением двигателя. Установка, которая на 5 процентов уступает в расчетной точке, но сохраняет КПД на уровне 55 процентов при данном расходе, может превосходить ту, которая незначительно лучше при полном расходе, поэтому просите предоставить кривую, а не одно число.
Что на самом деле влияет на сумму счета за электроэнергию
Министерство энергетики США отмечает в своём рекомендации по заключению контрактов на энергосбережение для объектов по регенерации водных ресурсов что на аэрацию обычно приходится более 50 процентов энергопотребления объекта. Региональный анализ также показал, что Высокоскоростные турбонагнетатели позволяют сократить энергозатраты на аэрацию на 15–20 процентов по сравнению с традиционными технологиями. Однако уже одно только регулирование содержания растворенного кислорода позволяет сэкономить от 10 до 30 процентов, поэтому установка, на которой лучший нагнетатель работает на фиксированной скорости, использует лишь небольшую часть этого потенциала.
Работа в режиме «старт-стоп» и продолжение работы при сбое питания
Именно эту часть чаще всего упускают в технических паспортах. Воздушный подшипник изнашивается только во время запуска и торможения, поэтому его срок службы измеряется не в часах, а в циклах. Магнитоплавающий подшипник не соприкасается ни с чем во время левитации, но для поддержания левитации должен постоянно находиться под напряжением, поэтому сбой питания становится скорее проблемой электрической конструкции, чем механической.
Износ контактных поверхностей в подшипниках с фольгой
Поскольку контакт происходит только на низких скоростях, износ фольговых подшипников зависит от количества пусков, а не от наработки. Опубликованные номинальные показатели обычно составляют от 20 000 до 100 000 циклов в зависимости от покрытия и нагрузки. Два запуска в день на непрерывно работающем предприятии означают около 730 циклов в год, поэтому номинальный ресурс в 20 000 циклов рассчитан на десятилетия, в то время как реактор периодического действия, работающий шесть раз в час, делает подшипник расходным материалом, замену которого необходимо планировать заранее. Защита обеспечивается за счёт соблюдения технологического порядка: необходимо устанавливать минимальное время работы, плавно наращивать скорость вместо прямого пуска и снижать скорость вместо полной остановки.
Торможение накатом и резервное электропитание на маглев-поездах
На полной скорости ротор накапливает достаточно энергии, чтобы продолжать вращаться в течение нескольких минут после отключения, и контроллер должен либо удерживать его в центрированном положении, либо контролируемым образом передавать эту энергию на вспомогательные подшипники. Обычно для этого используют ИБП, рассчитанный на работу в режиме выбега, рекуперативную схему, питающую контроллер за счет обратной ЭДС двигателя, либо и то, и другое. Каждая остановка сокращает срок службы вспомогательных подшипников, поэтому счетчик остановки является одним из параметров, учитываемых при техническом обслуживании, а номинальное количество остановок должно быть указано в коммерческом предложении. Качество электроэнергии также имеет значение: провалы напряжения, переходные процессы и гармоники достигают контроллера раньше, чем двигателя.
Техническое обслуживание, виды отказов и условия эксплуатации
Ни одна из этих машин не требует замены масла, натяжения ремня или выравнивания муфт, и обе действительно не требуют особого обслуживания по сравнению с лопастным нагнетателем. Разница заключается в том, что именно подлежит обслуживанию: в воздушном подшипнике изнашиваются механические детали, а в устройстве на магнитной подвеске — электронные компоненты.
| Симптом | Вероятная причина — воздушный подшипник | Вероятная причина сбоя системы маглев |
| Увеличение вибрации при постоянной нагрузке | Износ фольги, потеря покрытия, загрязнение | Дрейф датчика, неисправность катушки, дисбаланс |
| Повторный сбой при запуске | Не достигнута высота подъёма, ограничение на входе | Сбой левитации, неисправность контроллера, провисание |
| Высокая температура на выходе | Загрязнённое рабочее колесо, забитый фильтр | То же самое, плюс неисправность системы охлаждения шкафа |
| Внезапное падение давления | Перенапряжение, повреждение рабочего колеса | Перенапряжение, отключение усилителя |
Вентилятор, удельная мощность которого на 8 процентов превышает значения, указанные при вводе в эксплуатацию, сигнализирует о неисправности фильтра или износе подшипников ещё до выхода из строя. Срок службы ламельных картриджей составляет от пяти до восьми лет или до достижения номинального числа циклов, а электроники контроллера — примерно от 8 до 12 лет. Уровень шума обеих конструкций составляет 70–80 дБ(А) на расстоянии одного метра при наличии кожуха, в то время как у лопастного вентилятора без кожуха этот показатель составляет 95–105 дБ(А); производительность обеих конструкций снижается примерно на 1 % на каждые 100 м выше 1 000 м над уровнем моря.
Общая стоимость владения: практический способ сравнения
Покупная цена обычно составляет от 45 до 60 процентов от десятилетней стоимости любой из этих машин, поэтому решение, основанное исключительно на первоначальной стоимости, принимается с учетом меньшей цифры.
| Статья расходов | Воздушный подшипник | Маглев | Примечание |
| Покупка и установка | Исходные данные | на 10–25 процентов выше | Скольжение, привод, защита, ввод в эксплуатацию |
| Энергетика за 10 лет | Исходные данные | на 0–5 процентов ниже | Зависит от профиля нагрузки |
| Плановое техническое обслуживание | Фильтры, картриджы с фольгой | Фильтры, электроника | Преобладает местная ставка оплаты труда |
| Незапланированные простои | Механический, с возможностью ремонта на месте | Замена платы или датчика | Проверить глубину опоры |
Расходы на электроэнергию для установки мощностью 90 кВт, работающей 8 000 часов в год при цене 0,10 доллара США за кВт·ч, составляют около 72 000 долларов США, а повышение КПД на 8 % позволяет сэкономить примерно 5 760 долларов США в год. При надбавке в 30 000 долларов США окупаемость составляет около 5,2 года, а не один–два года, как подразумевается в маркетинговых материалах. Методика изложена в данном руководстве по Окупаемость инвестиций в воздушные компрессоры в производственной сфере.
Подбор технологии с учетом особенностей вашего завода и режима работы
Ориентируйтесь на режим работы и условия эксплуатации, а не на то, насколько передовой кажется данная технология. Важно понять, перезапускается ли оборудование много раз в день и смогут ли ваши специалисты по электрооборудованию и техническому обслуживанию обеспечить работу каждой из предложенных конструкций.
Когда воздушный подшипник является более подходящим вариантом
Непрерывная эксплуатация с небольшим количеством запусков в неделю, чистый входящий воздух, ограниченный инвестиционный бюджет, среднее качество электроэнергии, а также бригада технического обслуживания, специализирующаяся на механическом, а не электронном оборудовании, особенно в тех случаях, когда запасные части для контроллеров поставляются с задержкой.
Когда маглев является более подходящим вариантом
Необходимо отслеживать значительные колебания расхода без сброса давления, соблюдать строгие ограничения по вибрации, обеспечивать передачу данных об орбите в диспетчерскую, стабильное электроснабжение, а также иметь регионального партнера, гарантирующего соблюдение сроков реагирования.
Когда ни один из вариантов не является лучшим ответом
При производительности ниже примерно 15 кубических метров в минуту капитальные затраты на любую из высокоскоростных машин трудно оправдать по сравнению с хорошо отрегулированным нагнетателем прямого вытеснения, а при давлении выше примерно 1,2 бара турбоступень превращается в проблему компрессора с иными экономическими показателями. При периодическом режиме работы и ограниченном бюджете предпочтение может отдаваться более простой установке, низкий КПД которой компенсируется более низкой ценой, например безмасляному винтовому нагнетателю.
Контрольный список по закупкам перед подписанием договора
Сопоставимые предложения нужно составлять, а не просто получать. Укажите в запросе условия гарантии, метод оценки и меры по устранению недостатков, иначе цифры будут иметь разное значение.
- Укажите удельную мощность в расчетной точке, а также при расходе 75, 60 и 50 процентов, с поправкой на высоту над уровнем моря и температуру окружающей среды.
- Укажите условия, при которых гарантируются указанные значения, а также допуск при испытании.
- Укажите акустический стандарт и расстояние, а также требуйте предоставления данных по октавным полосам, а не одного значения в дБ(А).
- Уточните, предусмотрены ли заводские приемочные испытания и проводятся ли после монтажа испытания в реальных условиях эксплуатации.
- Для агрегатов с пневматическим подшипником необходимо уточнить номинальное количество циклов; для агрегатов с магнитной подвеской — номинальное количество падений, время выбега и наличие источника бесперебойного питания (ИБП).
Часто задаваемые вопросы
Эти три вопроса возникают практически при каждом рассмотрении технических предложений и выходят за рамки вышеуказанных разделов.
Может ли любой из этих типов выдерживать высокие температуры окружающей среды и запыленность на входе?
Оба варианта возможны, но с разными ограничениями. При температуре выше 40 градусов по Цельсию следует ожидать снижения номинальной мощности и повышения температуры двигателя, поэтому лучше запрашивать скорректированные кривые, а не данные с заводской таблички. Пыль представляет собой более серьёзное ограничение для воздушного подшипника, поскольку твердые частицы нарушают целостность плёнки, в то время как устройство на магнитной подушке выдерживает загрязнённый воздух, но для его корпуса требуется чистый и прохладный воздух.
Какие запасные части следует иметь в наличии для каждого типа подшипников?
Для машины с пневматическим подшипником следует иметь в запасе комплект фильтров, фольгированный картридж (если машина часто работает), а также рекомендованные датчики и уплотнения. Для машины с магнитным подвесом следует иметь в запасе фильтры, плату контроллера, датчик перемещения и вспомогательный подшипник, поскольку выход платы из строя приводит к немедленной остановке машины.
Можно ли заменить лопастной нагнетатель турбонагнетателем без изменения трубопровода?
С механической точки зрения — как правило, да, поскольку обе системы подают воздух под аналогичным давлением в общий коллектор. С гидравлической точки зрения — не всегда, поскольку машина с объёмным рабочим механизмом работает при высоком противодавлении, в то время как турбокомпрессор имеет предел гидравлического удара и может подвергаться гидравлическому удару, если расходный объём и регулирующий клапан соответствуют другой характеристике. Перед заказом проверьте объём коллектора, расположение датчика относительно обратного клапана и производительность сброса.
