Experimentelle Untersuchung der instationären, dreidimensionalen Flüssigkeitskavitation in der Schmierspaltströmung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Peter Reinke
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Strömungs- und Kolbenmaschinen
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 462581008

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Schmierfilm eines hydrodynamischen Gleitlagers tritt Flüssigkeitskavitation unter gewissen Betriebsbedingungen auf. Flüssigkeitskavitation lässt sich in drei Kavitationsformen unterscheiden: Gas- und Dampfkavitation sowie Pseudo-Kavitation. Nur Dampfkavitation kann in Verbindung mit Werkstoffkavitation zum Schaden führen, woraus im Ernstfall ein späterer Ausfall des Gleitlagers folgt. Eine mögliche Ursache zur Entstehung von Dampfkavitation findet sich in der Dynamik der Spaltweitenänderung, die die Verlagerung der rotierenden Welle hervorruft. In der Literatur wird diese Kavitationsart als Saugkavitation bezeichnet. Basierend auf einer Analyse von Verlagerungsbahnen haben der Antragsteller und sein Team einen Ansatz formuliert, der das Kavitationsrisiko und kinematische Parameter der Spaltweitenänderung verknüpft und die Hypothese aufgestellt, dass schadensrelevante Dampfkavitation erzeugt wird, wenn eine kritische Spaltweitenänderungsgeschwindigkeit in Verbindung mit einer kritischen Exzentrizität vorliegen. Der Antragsteller hat diese kinematischen Parameter unter Einhaltung von Ähnlichkeitsgesetzen auf ein Modellexperiment übertragen. Das Gleitlager-Modellexperiment wurde auf wissenschaftlichen Konferenzen vorgestellt und die Weiterentwicklung durch regelmäßige Veröffentlichungen kontinuierlich dokumentiert. Mit diesem Modellexperiment ist es möglich, kavitierende Schmierspaltströmungen sowohl qualitativ als auch quantitativ zu untersuchen. Das Experiment beinhaltet ein speziell entwickeltes Fluid, dass Reynolds- und thermodynamische Ähnlichkeit erfüllt. Im abgeschlossenen Vorhaben haben die Antragsteller erstmalig implodierende Dampfblasen in einer Spaltströmung in Folge einer transienten, radialen Spaltweitenänderung nachgewiesen. Dieser Abschlussbericht zeigt experimentelle Ergebnisse in Form von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen, die eine detaillierte Analyse der Blasenentwicklung mit einer Bildrate von 10.000 Bildern pro Sekunde (fps) ermöglicht. Dabei wird zwischen Gas- und Dampfkavitation unterschieden und gezeigt, dass diese Kavitationsformen anhand der kinematischen Parameter signifikant unterschieden werden können. Ein Mitverantwortlicher (Beckmann) hat für diesen Zweck eine radiale Spaltweitenverstellung für das Experiment entwickelt und erfolgreich implementiert. Ein Mitverantwortlicher (Schmidt) hat das numerische Modell erweitert und den zweiten Freiheitsgrad, die laterale Spaltweitenänderung untersucht. Er zeigt, das Kavitationsrisiko steigt, wenn der Minimalspalt stromauf (gegen die Wellendrehrichtung) wandert. Auch das numerische Modell und seine Weiterentwicklung wurde detailliert veröffentlicht.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Experimentelle Untersuchung der instationären, dreidimensionalen Flüssigkeitskavitation in der Schmierspaltströmung. 28. Fachtg. Exp. Strömungsmechanik, 25-1 – 25-8. ISBN: 978-3-9816764-7-1, 2021.
  T. Beckmann; M. Schmidt; J. Ahlrichs & P. Reinke
  
• Analyse von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen der Flüssigkeitskavitation in der exzentrischen Schmierspaltströmung. 29. Fachtg. Exp. Strömungsmechanik, 46-1 – 46-8. ISBN: 978-3-9816764-8-8, 2022.
  T. Beckmann; M. Schmidt; J. Ahlrichs & P. Reinke
  
• High-Speed Digital Photography of Gaseous Cavitation in a Narrow Gap Flow. Fluids, 7(5), 159.
  Reinke, Peter; Ahlrichs, Jan; Beckmann, Tom & Schmidt, Marcus
  
• Analyse der Blasendynamik der Flüssigkeitskavitation im Schmierfilm eines hydrodynamischen Gleitlagers. 30. Fachtagung Experimentelle Strömungsmechanik, 10-1 – 10-8. ISBN: 978-3-9816764-9-5, 2023.
  T. Beckmann; M. Schmidt; J. Ahlrichs & P. Reinke
  
• Dampfkavitation in der Schmierspaltströmung. Vortrag FEM-Kolloquium, Universität Erlangen, 02. März 2023.
  M. Schmidt
  
• Digital High-Speed Photography of Cavitation in Journal Bearings. SAE Technical Paper Series, 1. Society of Automotive Engineers of Japan.
  Reinke, Peter; Rienaecker, Adrian; Schmidt, Marcus & Beckmann, Tom
  
• High-Speed Digital Photography of Vapor Cavitation in a Narrow Gap Flow. Fluids, 8(2), 44.
  Reinke, Peter; Beckmann, Tom; Ahlers, Caroline; Ahlrichs, Jan; Hammou, Lamyaa & Schmidt, Marcus
  
• High-speed Photography of Cavitation in Oil-filled Narrow Gaps. Eingeladener Vortrag, Seminar Nichtlineare Dynamik, Institut für Physik, Lehrstuhl Soft Matter, 20. Juni 2023 in Magdeburg.
  P. Reinke & M. Schmidt
  
• Hochgeschwindigkeitsaufnahmen von Kavitation im Schmierfilm. Eingeladener Vortrag, Ehemaligentreffen der Mechanik, Leibniz Universität Hannover, 16. Juni 2023 in Garbsen.
  P. Reinke; M. Schmidt; T. Beckmann; J. Ahlrichs & A. Rienäcker
  
• Hochgeschwindigkeitsaufnahmen von Kavitation in ölgefüllten engen Spalten. Eingeladener Vortrag, Session: Kavitation mit Schwerpunkt maritimer Kontext 2, Nr. DAGA2023/554. Jahrestagung für Akustik, DAGA 2023, 06.-09. März 2023 in Hamburg.
  P. Reinke; M. Schmidt; T. Beckmann; J. Ahlrichs & A. Rienäcker