Experimentelle Untersuchungen des dynamischen Verhaltens von Gasfolienlagern und dessen konstruktive Beeinflussbarkeit

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Robert Liebich
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 279555280

Beim Bau von kleinen und leichten Turbomaschinen wie zum Beispiel Turboladern oder Kleingasturbinen können als alternative Lagerform auch Gaslager eingesetzt werden. Insbesondere bei sehr hohen Drehzahlen und hohen Prozesstemperaturen eignet sich diese spezielle Gleitlagerform, die Gase anstatt Öle als Schmierstoff verwendet. Der Entfall eines konventionellen Schmiersystems spart Gewicht, Wartung und Kosten und vermeidet eine Kontamination von Prozessmedien durch Schmierstoffe. Eine gesonderte Form stellen die Gasfolienlager (Gas-Foil-Bearing, kurz GFB) dar. GFBs minimieren mit Hilfe ihrer elastischen Struktur einige der wesentlichen Nachteile konventioneller Gaslager. Die elastische Struktur von GFBs erzeugt zusätzliche Reibung und Dämpfung und verbessert damit Stabilitätseigenschaften. Gleichzeitig lässt sich die Tragfähigkeit erhöhen.Eine der Hauptaufgaben bei der Optimierung der dynamischen Lagereigenschaften von GFBs ist die Minimierung der im Betrieb auftretenden großen, subharmonischen Schwingungen. Bei Übereinstimmung der subharmonischen Whirl-Frequenzen mit einer Systemeigenfrequenz kann es zu einem plötzlichen Anstieg der subharmonischen Amplituden kommen, die oft zu Schäden führen. Konstruktive Maßnahmen zur Schwingungsreduktion von GFBs, die zu einer Erhöhung der Dämpfung und Steifigkeit führen, existieren bereits. Dazu gehören unter anderen auch sogenannte Shims. Diverse eigene und externe Voruntersuchungen haben gezeigt, dass durch diese Maßnahmen das Einsetzen der subharmonischen Anteile und damit die Schwingungsamplituden beeinflusst werden. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass konservative Vorhersagen des Beginns der Whirl-Schwingungen auf der Basis von numerischen Simulationen getroffen werden können, die für eine Auslegung von Rotoren mit GFB-Lagerung sehr wichtig ist. Eine experimentelle Validierung dieser numerischen Simulationen fehlt allerdings. Im beantragten Projekt soll eine systematische, experimentelle Ermittlung der für die Abschätzung der Whirl-Frequenz erforderlichen linearisierten Lagerparameter unterschiedlicher GFB-Arten durchgeführt werden. Damit erfolgt eine Validierung eines Modells zur numerischen Parameterbestimmung. Dieses valide Modell soll für weitere rotordynamische Untersuchungen und numerische Stabilitätsanalysen, und -optimierungen verwendet werden. Im weiteren Verlauf des Projekts wird ein rotordynamischer Prüfstand gebaut, mit dem insbesondere das nichtlineare Schwingungsverhalten eines Rotors in GFB-Lagern systematisch untersucht werden kann. Die Experimente sollen Aufschluss über die Grenzdrehzahlen bei der subharmonische Schwingungen einsetzen als auch über die Wirksamkeit der konstruktiven Maßnahmen wie zum Beispiel von Shims geben. Die Ergebnisse werden eine qualitativ hochwertige Datenlage für die Auslegung und Erforschung von verschiedenen Typen von GFBs liefern und zukünftigen Simulationen von Gesamtmodellen (Gehäuse-Lager-Rotor) zur Verifikation und Validierung dienen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen