ターボコンプレッサー向け非接触ベアリングの選択肢：エアフォイル vs 磁気軸受

ベアリングはあらゆる回転機械において重要な役割を果たします。回転シャフトアセンブリの荷重を支えるだけでなく、可動部と固定部の間で発生する摩擦を軽減します。一般的なベアリングタイプには、玉軸受、ローラーベアリング、テーパーローラーベアリングがあります。これらは通常速度で動作する機器には適していますが、発熱量が多いため非常に高速での運転には制限があります。10,000 RPM以上で回転機械を動かすには、早期故障を防ぐための別のソリューションが必要です。

そこで登場するのが非接触ベアリングです。名前が示す通り、これらのベアリングは回転アセンブリを他の表面と接触させることなく支持します。非接触ベアリングは、転動要素間の摩擦による典型的なベアリング損失を排除することで、最高の効率を提供します。非接触ベアリングには主に2種類あります：流体軸受と磁気軸受です。

流体軸受はさらに動圧軸受（ハイドロダイナミック）と静圧軸受（ハイドロスタティック）に分かれます。どちらもオイル、水、空気などの流体を支持媒質とします。静圧軸受は外部から加圧された流体をポンプで供給してシャフトを支持します。動圧軸受は高速回転するアセンブリ自体がシャフトとベアリング面の間に加圧された楔を形成することに依存します。本記事では、高速ターボコンプレッサーの選択肢として、空気箔軸受（エアフォイルベアリング）と磁気軸受に焦点を当て、それらの仕組みと利点を詳しく見ていきます。

エアフォイルベアリング

エアフォイルベアリングは、流体のノースリップ条件によって機能します。回転シャフトの速度が上がると、空気分子がシャフトに付着し、やがてシャフトの下に引き込まれて支持用の空気クッションを形成します。このクッションがシャフトと周囲のコンポーネントを分離し、シャフトを自由に回転させます。エアベアリングに必要なもう一つの要素は、エアフォイルとそれを支えるスプリング構造で、これがベアリングの荷重容量を与えます。

エアフォイルベアリングの利点は、外部ポンプやコンプレッサーで空気を加圧する必要がないことです。フォイルは適切なフォイル構造に成形された薄い耐熱鋼片で構成されます。これにより、運転中の非接触と十分な荷重容量を、非常に低い製造コストで実現できます。

エアフォイルベアリングの欠点の一つは、従来のローラータイプベアリングより荷重容量が低いことです。したがって、支持されるシャフトアセンブリはローラーベアリング支持のものより小さくする必要があります。このため、このタイプのベアリングを使用する機械は数百馬力に限定されます。運転中は非接触ですが、機械の起動・停止期間には摺動摩擦が発生します。この起動・停止時の摩擦は、テフロンなどの非粘着コーティングをトップフォイル表面に施すことで緩和されることが多いです。しかし、コーティングはやがて摩耗し、起動・停止時の摩擦が高くなりすぎるとベアリングは故障します。

磁気軸受

磁気軸受は、電磁石を使って運転中にローターを浮上させます。ローター周りのコイルアセンブリに電流を流すと、アクティブなときにシャフトが各コイルに引き寄せられます。一般的な浮上制御に加え、注入電流はローターをその軸の中心付近で回転させ、固定部との接触を防ぐためにも使用されます。高速回転のため、シャフト位置を非常に高いレートで分析し、適切なコイルに電流を注入してシャフトを所定位置に保持する必要があります。これには高度なベアリングコントローラーが必要です。

磁気軸受にはいくつかの利点があります。第一に、起動・停止操作中も機械的摩耗がありません。したがって、このタイプのベアリングには実質的な疲労寿命がありません。さらに、サージングを経験するターボ機械は、サージング時の損傷から保護されます。磁気軸受はサージング力を能動的に検知し、シャフトを軸上で回転させ続けるよう電流を注入できます。欠点は、磁気コイルアセンブリとアクティブベアリングコントローラーの追加コストです。要約すると、磁気軸受の長寿命と高信頼性は、ベアリングアセンブリの高コストと引き換えです。

非接触ベアリングを採用したブロワーは高価になりますが、従来のベアリング摩擦損失を排除することで、最大の効率とエネルギー節約によるROIを提供します。専門家にご相談いただき、省エネ機器導入でどれだけ節約できるかご確認ください。