【壓縮機(jī)網(wǎng)】引言

　　能源是人類(lèi)進(jìn)化和社會(huì)發(fā)展過(guò)程重要的因素，人類(lèi)利用能源需要實(shí)現(xiàn)能量形式的轉(zhuǎn)化，如把熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能等。機(jī)械旋轉(zhuǎn)是能量轉(zhuǎn)化的重要手段，通常轉(zhuǎn)速越高能量轉(zhuǎn)化的效率越高，轉(zhuǎn)化機(jī)械的能量密度越大，因而高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械應(yīng)運(yùn)而生。

　　高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械大體可分為三類(lèi)：高速電動(dòng)機(jī)械、高速發(fā)電機(jī)械、高速非電機(jī)械。1）高速電動(dòng)機(jī)械是指由高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械，實(shí)現(xiàn)電能到機(jī)械能再到更具體的能量形式的轉(zhuǎn)化，如鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等；2）高速發(fā)電機(jī)械是指由熱能、水能、風(fēng)能能轉(zhuǎn)化為機(jī)械旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)高速發(fā)電機(jī)發(fā)電的機(jī)械，實(shí)現(xiàn)能源到機(jī)械能再到電能的轉(zhuǎn)換，如汽輪發(fā)電機(jī)、燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)等；3）高速非電機(jī)械是指不經(jīng)過(guò)電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)，直接以機(jī)械能作為中間載體的能量轉(zhuǎn)換機(jī)械，例如由膨脹機(jī)直接帶動(dòng)壓縮機(jī)做功。

　　高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械由高速軸承、高速動(dòng)力源、高速能量轉(zhuǎn)化裝置三個(gè)要素部分組成。高速旋轉(zhuǎn)對(duì)軸承帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)，高速帶來(lái)軸承線(xiàn)速度上升，對(duì)于接觸軸承來(lái)講機(jī)械摩擦引起的磨損和發(fā)熱都快速增加，潤(rùn)滑代價(jià)增加，壽命極大降低，甚至根本無(wú)法運(yùn)行，磁懸浮軸承從根本上解決了高速帶來(lái)的一系列支撐難題、無(wú)機(jī)械摩擦引起的磨損和發(fā)熱問(wèn)題，不需要潤(rùn)滑，可以說(shuō)磁懸浮軸承為高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械打開(kāi)了一扇大門(mén)。

　　在第1）類(lèi)高速電動(dòng)機(jī)械中，高速動(dòng)力源是高速電機(jī)，高速能量轉(zhuǎn)化是流體機(jī)械等轉(zhuǎn)化裝置；第2）類(lèi)高速發(fā)電機(jī)械是第1）類(lèi)高速電動(dòng)機(jī)械的逆操作；第3）類(lèi)旋轉(zhuǎn)機(jī)械則是前兩類(lèi)的結(jié)合，中間省略了發(fā)電和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)化。一個(gè)典型的高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械可以進(jìn)一步定義其組成包括：高速軸承、高速電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)、高速能量轉(zhuǎn)化裝置，其中高速電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)可統(tǒng)稱(chēng)為高速電機(jī)，下面分別進(jìn)行論述。

 

　　1 高速軸承

　　軸承是旋轉(zhuǎn)機(jī)械中支承轉(zhuǎn)子的關(guān)鍵部件，常規(guī)的軸承包括滾動(dòng)軸承、滑動(dòng)軸承、懸浮軸承，滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承都屬于接觸式軸承，雖然定轉(zhuǎn)子可能通過(guò)油膜不直接接觸，但本質(zhì)上油膜也不能承受過(guò)高的線(xiàn)速度，因而極大地限制了高速應(yīng)用。懸浮軸承真正意義上不產(chǎn)生機(jī)械接觸，因而是高速軸承的主要解決方案，懸浮軸承包括磁懸浮軸承和空氣懸浮軸承，空氣懸浮軸承又分為靜壓軸承和動(dòng)壓軸承，由于空氣承載力較小，因而只限制在小功率轉(zhuǎn)子較輕的應(yīng)用上；磁懸浮軸承有比非常寬的適應(yīng)范圍，承載能力強(qiáng)，對(duì)工作介質(zhì)沒(méi)有特殊，真空中也可以運(yùn)行，因而是最適合高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸承。

　　磁懸浮軸承技術(shù)萌芽于20世紀(jì)三十年代，德國(guó)和美國(guó)相繼有人成功的進(jìn)行了主動(dòng)磁懸浮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家在六七十年代開(kāi)始工程應(yīng)用，最早以NASA等研究機(jī)構(gòu)為主，之后歐洲較多學(xué)者和工程人員開(kāi)始研究，尤其以瑞士、德國(guó)、法國(guó)、芬蘭等較為集中。中國(guó)的系統(tǒng)性研究大概開(kāi)始于20世紀(jì)90年代，以清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)為代表。磁懸浮技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化始于歐洲，法國(guó)S2M公司1976年成立，開(kāi)始將研究轉(zhuǎn)化為工業(yè)應(yīng)用，中國(guó)的產(chǎn)業(yè)化則整整晚了30年，代表性的企業(yè)有：飛旋科技成立于2006年，是國(guó)內(nèi)首家從事磁懸浮軸承產(chǎn)品研發(fā)和推廣的專(zhuān)業(yè)公司；磁谷科技是第二家主要從事磁懸浮軸承技術(shù)研究、開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的公司[1]。

　　磁懸浮軸承是利用磁力使轉(zhuǎn)子懸浮于定子中心，從而獲得無(wú)接觸支承的一種電磁裝置。英國(guó)數(shù)學(xué)家Earnshaw從理論上證明了單純依靠永磁不能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)下的全懸浮，因而采用主動(dòng)控制方法的主動(dòng)磁懸浮軸承(active magnetic bearing)是工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的主要懸浮形式[2]。主動(dòng)磁懸浮軸承由位移傳感器、軸承本體、控制器和輔助軸承等部分組成，軸承本體又分為兩組徑向軸承和一組軸向軸承，如圖1所示。主動(dòng)磁懸浮軸承本質(zhì)上是一套帶有閉環(huán)控制的電磁裝置，傳感器采集轉(zhuǎn)子的位移，控制器進(jìn)行控制算法實(shí)現(xiàn)，輸出控制電流控制軸承本體產(chǎn)生電磁場(chǎng)懸浮轉(zhuǎn)子。輔助軸承的作用是在轉(zhuǎn)子未懸浮狀態(tài)提供備用支承，或在緊急情況下提供保護(hù)。

　　磁懸浮軸承定轉(zhuǎn)子不接觸，不需要潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂，沒(méi)有機(jī)械摩擦，可以支承轉(zhuǎn)子達(dá)到很高的線(xiàn)速度，打破了常規(guī)軸承的諸多限制，尤其在高速應(yīng)用的場(chǎng)合，擁有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，是一種革命性的軸承。

 

　　2 高速電機(jī)

　　高速電機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，既可以以電動(dòng)機(jī)的方式驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)等負(fù)載，也可以作為發(fā)電機(jī)配合汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等工作。由于直連負(fù)載或原動(dòng)機(jī)，取消了變速箱和油潤(rùn)滑系統(tǒng)，體積重量都大大減小。永磁電機(jī)相比電勵(lì)磁同步電機(jī)和異步電機(jī)，轉(zhuǎn)子沒(méi)有導(dǎo)條，不需要采用硅鋼片，因此具有極為簡(jiǎn)單和結(jié)實(shí)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，非常適合高速運(yùn)行。同時(shí)永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子損耗非常小，具有天然的高效率優(yōu)勢(shì)，因此目前國(guó)內(nèi)外的主流大功率高速電機(jī)多采用永磁電機(jī)方案[3]。

　　高速電機(jī)按照功率劃分，可以分為以下四個(gè)等級(jí)：1）小功率高速電機(jī)：功率在數(shù)十瓦至數(shù)千瓦范圍，轉(zhuǎn)速一般超過(guò)10萬(wàn)轉(zhuǎn)/分鐘；2）中小功率高速電機(jī)：功率為數(shù)十千瓦，轉(zhuǎn)速范圍一般在5～10萬(wàn)轉(zhuǎn)/分鐘；3）中等功率高速電機(jī)：功率為數(shù)百千瓦，轉(zhuǎn)速范圍一般在1～6萬(wàn)轉(zhuǎn)/分鐘；4）大功率高速電機(jī)：功率為數(shù)兆瓦，轉(zhuǎn)速范圍一般在0.6～2萬(wàn)轉(zhuǎn)/分鐘。第1）、2）類(lèi)高速電機(jī)主要可以用在慣性導(dǎo)航裝置、牙科磨頭、離心機(jī)、雕刻機(jī)、微型或小型電輔助渦輪增壓器、制冷壓縮機(jī)、微型或小型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)系統(tǒng)、高速電主軸等。這兩類(lèi)的高速電機(jī)，國(guó)內(nèi)外已取得了不少成果，許多相關(guān)技術(shù)基本成熟，其應(yīng)用也日益廣泛。第3）類(lèi)高速電機(jī)可以應(yīng)用在大型高速鼓風(fēng)機(jī)、大型空氣壓縮機(jī)和制冷壓縮機(jī)、大型儲(chǔ)能裝置等，這一類(lèi)高速電機(jī)近10年在工業(yè)領(lǐng)域得到了快速發(fā)展，涌現(xiàn)出一批國(guó)內(nèi)外企業(yè)，鼓風(fēng)機(jī)、制冷壓縮機(jī)等都大量裝機(jī)。第4）類(lèi)高速電機(jī)的研究和應(yīng)用在國(guó)際上很少，所見(jiàn)的報(bào)道僅有美國(guó)麻省理工學(xué)院研制的1.5萬(wàn)r/min、5MW高速感應(yīng)發(fā)電機(jī)，以及美國(guó)Calnetix公司研制的1.9～2.25萬(wàn)r/min、2兆瓦高速永磁發(fā)電機(jī)。

　　高速電機(jī)取消了變速箱，直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，沒(méi)有傳動(dòng)損失，是一種革命性的電機(jī)。

 

　　3 高速能量轉(zhuǎn)化裝置

　　高速能量轉(zhuǎn)化裝置，是一種高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械，是“高速”和“旋轉(zhuǎn)”兩個(gè)概念的復(fù)合，以高速旋轉(zhuǎn)為主要特征點(diǎn)，典型應(yīng)用包括汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵、水輪機(jī)、機(jī)床、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等廣泛應(yīng)用于電力、石化、冶金、環(huán)保、航空航天等領(lǐng)域。除機(jī)床、儲(chǔ)能飛輪等領(lǐng)域外，大多屬于流體機(jī)械。

　　流體機(jī)械是以流體為對(duì)象，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的機(jī)械裝置，按照工作原理、結(jié)構(gòu)可以大體分為容積式和動(dòng)力式兩種。動(dòng)力式流體機(jī)械通過(guò)葉片的高速旋轉(zhuǎn)和流體之間傳遞能量，也稱(chēng)為透平機(jī)械。以往，高速的獲得通過(guò)齒輪箱實(shí)現(xiàn)，隨著磁懸浮軸承技術(shù)和高速電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，高速直驅(qū)成為透平機(jī)械的首選解決方案。磁懸浮高速電機(jī)在處理空氣的鼓風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)，處理工藝氣體的工藝壓縮機(jī)，處理冷媒的制冷壓縮機(jī)等領(lǐng)域都獲得了大量成功的應(yīng)用。

　　三元流技術(shù)是我國(guó)科學(xué)家吳仲華首先提出的基礎(chǔ)理論[4]，目前已經(jīng)成為國(guó)際流體機(jī)械高效氣動(dòng)設(shè)計(jì)的通用性技術(shù)，通過(guò)把葉輪內(nèi)部三元立體空間無(wú)限地分割，對(duì)葉輪流道各工作點(diǎn)進(jìn)行分析，建立完整的流動(dòng)數(shù)學(xué)模型，效率明顯提高，通常葉輪效率可以高達(dá)95%以上。

 

　　通常速度越高，能量轉(zhuǎn)換裝置的體積越小，能量密度越大，因而高速化是能量轉(zhuǎn)換裝置的發(fā)展趨勢(shì)。

 

　　4 磁懸浮高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械及其市場(chǎng)分析

　　采用磁懸浮軸承支承，高速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)高速能量轉(zhuǎn)化裝置工作，就產(chǎn)生了高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械這一革命性的機(jī)械形式。磁懸浮高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械結(jié)合了磁懸浮軸承無(wú)摩擦、無(wú)需潤(rùn)滑的優(yōu)點(diǎn)，高速電機(jī)傳動(dòng)效率高的優(yōu)點(diǎn)，以及高速能量轉(zhuǎn)化裝置轉(zhuǎn)化效率高的優(yōu)點(diǎn)于一身，體積遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)機(jī)械，節(jié)約制造材料；效率高，節(jié)約能源；不需要潤(rùn)滑油機(jī)械維護(hù)簡(jiǎn)單，節(jié)約使用成本；壽命更長(zhǎng)，節(jié)約設(shè)備投資。從整個(gè)生命周期來(lái)看，能夠減少大量二氧化碳的排放。隨著國(guó)家對(duì)產(chǎn)業(yè)升級(jí)和節(jié)能減排的大力推動(dòng)，高速化成為旋轉(zhuǎn)機(jī)械的大勢(shì)所趨，其市場(chǎng)空間廣闊。

　　軸承方面，2020年，全國(guó)軸承行業(yè)營(yíng)業(yè)收入達(dá)到1930億元[5]，隨著旋轉(zhuǎn)機(jī)械高速化的進(jìn)程推動(dòng)，磁懸浮軸承將會(huì)占據(jù)越來(lái)越多的份額，即使按照1/10的份額計(jì)算，也將達(dá)到100億規(guī)模。

　　電機(jī)方面，2020年全國(guó)工業(yè)電機(jī)產(chǎn)量為32334.1萬(wàn)千瓦，銷(xiāo)售收入達(dá)到3291.4億元[6]。平均單位千瓦售價(jià)約1000元/千瓦，目前磁懸浮高速電機(jī)的售價(jià)大概在1500元/千瓦高于該平均值，但隨著批量生產(chǎn)帶來(lái)的規(guī)模效應(yīng)，當(dāng)磁懸浮高速電機(jī)年產(chǎn)量達(dá)到200萬(wàn)千瓦時(shí)（即年產(chǎn)20000臺(tái)100千瓦電機(jī)），即可達(dá)到1000元/千瓦的平均線(xiàn)，對(duì)應(yīng)銷(xiāo)售收入20億元。加之高速化附帶的對(duì)增速齒輪箱的替代，磁懸浮高速電機(jī)的發(fā)展空間巨大，至少應(yīng)達(dá)到500億市場(chǎng)規(guī)模。

　　按照國(guó)民經(jīng)濟(jì)分類(lèi)，能量轉(zhuǎn)化裝置可以歸屬于通用設(shè)備制造領(lǐng)域，涵蓋內(nèi)燃機(jī)、汽輪機(jī)、泵及真空設(shè)備、氣體壓縮機(jī)械、風(fēng)機(jī)、制冷、空調(diào)設(shè)備等眾多領(lǐng)域，2020年通用設(shè)備制造業(yè)銷(xiāo)售收入40065.7億元[7]，其中磁懸浮高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械可以覆蓋的范圍在1000億規(guī)模。

 

　　5 結(jié)論

　　磁懸浮高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械是磁懸浮軸承、高速電機(jī)、高速能量轉(zhuǎn)換裝置的有機(jī)結(jié)合體，是一種動(dòng)力的革命，是我國(guó)實(shí)現(xiàn)裝備制造業(yè)升級(jí)和換道超車(chē)的重要機(jī)遇。

 

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 張維煜, 朱熀秋, 袁野. 磁懸浮軸承應(yīng)用發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)綜述[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(012):12-20.

　　[2] CHWEITZER. 主動(dòng)磁軸承基礎(chǔ)、性能及應(yīng)用[M]. 虞烈，袁崇軍譯，北京:新時(shí)代出版社，1997

　　[3] 張鳳閣，杜光輝，王天等. 高速電機(jī)發(fā)展與設(shè)計(jì)綜述[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2016，4(7)

　　[4] Chong-hua Wu. A General Though-Flow Theory of Fluid Flow With Subsonic or Supersonic Velocity in Turbomachines of Arbitrary Hub and Casing Shapes [J].NACA TN2302，1952

　　[5] 中商情報(bào)網(wǎng)

　　[6] 前瞻產(chǎn)業(yè)研究院《中國(guó)工業(yè)電機(jī)行業(yè)發(fā)展前景預(yù)測(cè)與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》

　　[7] 國(guó)家統(tǒng)計(jì)局

 

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