Explorando opciones de cojinetes sin contacto para turbocompresores

Los cojinetes desempeñan un papel crítico en cualquier maquinaria rotativa. No solo soportan la carga del conjunto del eje rotativo, sino que también mitigan la fricción generada entre las partes móviles y fijas. Los tipos comunes incluyen cojinetes de bolas, rodillos y rodillos cónicos. Son aceptables para equipos a velocidades normales, pero limitados a velocidades muy altas debido al calor generado. Para operar maquinaria rotativa a más de 10.000 RPM, se necesita una solución diferente para evitar fallos prematuros.

Cojinetes sin contacto

Como su nombre indica, estos cojinetes permiten que el conjunto rotativo sea soportado sin contactar ninguna otra superficie. Ofrecen la mayor eficiencia al eliminar las pérdidas típicas por fricción entre elementos rodantes. Hay dos tipos principales: cojinetes de fluido y magnéticos.

Los cojinetes de fluido se subdividen en hidrodinámicos o hidrostáticos. En ambos, un fluido (aceite, agua o aire) sirve como medio de soporte. Los estáticos usan fluido presurizado externamente de una bomba para soportar el eje. Los dinámicos dependen del conjunto rotativo de alta velocidad para crear una cuña presurizada entre el eje y la superficie del cojinete. En este artículo nos centraremos en los cojinetes de lámina de aire y magnéticos como opciones para turbocompresores de alta velocidad. Veamos cómo funcionan y sus ventajas.

Cojinetes de lámina de aire (Air Foil Bearings)

Los cojinetes de lámina de aire funcionan en parte debido a la condición de no-deslizamiento de los fluidos. A medida que el eje aumenta su velocidad, las moléculas de aire se adhieren al eje y son arrastradas debajo para formar un cojín de aire de soporte. Este cojín separa el eje y los componentes circundantes y permite que el eje gire libremente. El otro componente requerido es la lámina de aire y la estructura de muelle de soporte que da al cojinete su capacidad de carga.

Los cojinetes de lámina de aire tienen la ventaja de no necesitar bomba o compresor externo para presurizar el aire. Las láminas consisten en finas piezas de acero de alta temperatura formadas en la estructura adecuada. Esto significa que ofrecen las ventajas de no contacto durante la operación y buena capacidad de carga a muy bajo coste de fabricación.

Una desventaja es una capacidad de carga menor que los cojinetes de rodillos tradicionales. Esto significa que los ejes soportados deben ser más pequeños. Por ello, las máquinas con este tipo de cojinete se limitan a unos pocos cientos de CV. Aunque no tienen contacto durante operación normal, sí lo tienen durante el arranque y parada. Este período de fricción deslizante se alivia a menudo aplicando un recubrimiento antiadherente (ej. Teflón) en la superficie de la lámina superior. Sin embargo, el recubrimiento acaba desgastándose hasta que la fricción en arranques/paradas es demasiado alta y los cojinetes fallan.

Cojinetes magnéticos

Los cojinetes magnéticos funcionan usando electroimanes para levitar el rotor durante la operación. Se inyecta corriente en un conjunto de bobinas alrededor del rotor que atraen el eje a cada bobina cuando están activas. Además de la levitación general, la corriente inyectada mantiene el rotor girando sobre el centro de su eje para evitar contacto con partes fijas. La alta velocidad rotacional requiere que la posición del eje se analice a una tasa muy alta para inyectar corriente en las bobinas adecuadas y mantener el eje rotando en su lugar. Esto requiere un controlador de cojinete avanzado.

Los cojinetes magnéticos tienen varias ventajas. Primero, no hay desgaste mecánico ni siquiera durante arranque y parada. Por tanto, no hay vida útil práctica por fatiga para este tipo de cojinete. Además, la turbomaquinaria que experimenta sobrepresión (surge) puede protegerse de daños durante el surge. Los cojinetes magnéticos pueden detectar activamente fuerzas de surge e inyectar corriente para mantener el eje rotando en su eje. La desventaja viene del coste extra de los conjuntos de bobinas magnéticas y el controlador activo de cojinete. En resumen, la longevidad y fiabilidad añadidas de los cojinetes magnéticos tienen un precio más alto para el conjunto del cojinete.

Los sopladores que usan cojinetes sin contacto pueden ser más caros, pero entregan la mayor eficiencia y ROI en forma de ahorro energético al eliminar pérdidas por fricción de cojinetes tradicionales. Contacte a uno de nuestros expertos para ver cuánto podría ahorrar instalando una máquina de alta eficiencia energética.