40、微型涡轮机械中无油轴承的挑战

微型涡轮机械中无油轴承的挑战

1. 引言

如今，微型涡轮机械为满足小型化需求，对转速的要求越来越高，趋势是向小型化发展，以获得更紧凑、能量重量比更高的设备。其应用广泛，包括飞机空气管理系统、辅助动力装置、发电用微型燃气轮机、燃料电池混合动力系统、工业涡轮压缩机和鼓风机、涡轮膨胀机、低温泵、低温冷却器以及汽车涡轮增压器等。

通常，微型涡轮机由流体膜径向轴承支撑，相较于滚动轴承，它能在更高转速下承受高负载。然而，油润滑的动压轴承并不比传统滚动轴承更具吸引力。一是液体润滑剂的气穴现象使其无法在极高转速下应用；二是除非使用工艺流体作为润滑剂，否则需要外部系统提供润滑剂；三是需要密封系统防止润滑剂泄漏，这会造成固有损失。

当使用气态流体或环境空气作为润滑剂时，情况则有所不同。气体轴承相对于油润滑轴承具有低摩擦和低发热的优点，由于气态润滑剂粘度至少比油低两个数量级，因此功率损失降低。此外，它不需要复杂昂贵的润滑剂循环系统，省去油润滑轴承后，系统更简单紧凑。但气体轴承也存在负载能力低、流体阻尼小、间隙小/公差紧等缺点，而且为实现更紧凑设计而进行的系统缩放会导致工作温度升高。

随着对经济、紧凑、轻便和环保的能量转换系统需求的增加，气体轴承在无油涡轮机械领域具有挑战性。其挑战包括环境友好性、低功率损失、在极端温度下工作的可能性以及达到极高转速的可能性。

2. 应用领域

对于高速应用，气体轴承是一种清洁的无油解决方案，广泛应用于高精度电主轴和微加工的超高速主轴。以下是功率高达200kW的微型涡轮机械应用：
- 有机朗肯循环机（ORC） ：用于将低温热能转化为电能，热能来源包括废热、地热能、