Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Betriebssichere aerodynamische Folienlager für die Lagerung schnell laufender Rotoren

Aerodynamische Folienlager finden zunehmend Einsatz an leichten schnell laufenden Rotoren (z.B. in Mikrogasturbinen und Turboladern) und haben gegenüber konventionellen Lagern Vorteile aufgrund ihrer Öl- und (nahezu) Verschleissfreiheit. Ihre Auslegung erfolgt bisher nur begrenzt nach festen Gestaltungsregeln und hat einen hohen empirischen Anteil. Die dafür notwendigen Versuche sind zeit- und kostenintensiv und stellen eine hohe Entwicklungshürde dar, insbesondere für Anwender aus dem KMU-Bereich mit begrenzten F&E-Ressourcen. Dieser Fakt verbessert sich mit der Verfügbarkeit eines experimentell validierten Auslegungstools (Ziel dieses Projekts) zur betriebssicheren Folienlagerauslegung, das die Lagerkennwerte auch in kritischen Betriebsbereichen beim Anfahren und bei hohen Drehzahlen sowie unter Berücksichtigung betriebsbedingter Verformungen zuverlässig berechnen kann. Hierzu wird zuerst mittels Tests an einem Strukturimpedanz-Prüfstand die stark nichtlineare frequenzabhängige Struktursteifigkeit und –Dämpfung der Lager (durch Quetschfilm-, Reibungs- und stick-slip-Effekte) erfasst. Stabilitätserhöhende Schmierspaltformen (z.B. Bohrungsprofilierung) und Maßnahmen zur Erhöhung der Lagertragfähigkeit (z.B Fischgrätbemusterung der Welle) werden untersucht. Umfassende Parametervariationen werden durchgeführt, um die Lagereigenschaften Abhebedrehzahl, Systemdämpfung, Stabilitätsgrenze sowie Robustheit gegen Stöße zu optimieren und entsprechende Auslegungsdiagramme zu schaffen. Durch eine systematische Untersuchung von Lagerimperfektionen (z.B. Welligkeit der Tragfolie) werden Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit definiert. Auf dem Anfahrprüfstand wird das Anfahrreibmoment und die Abhebedrehzahl von Bump- und Leaf-type Folienlagern bestimmt und mit den Berechnungen verglichen. An einem Schnellläuferprüfstand wird bei hohen Drehzahlen das rotordynamische Verhalten (Schwingungsamplituden, Eigenfrequenzen und Systemdämpfung als Funktion der Drehzahl) bestimmt.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsprojekts "Folienlager II" wurden am IAF der TU Braunschweig Berechnungsprogramme zur Berechnung der Kennwerte von aerodynamischen Folienlagern (Bump-type und Leaf-type Folienlager) und radialen Spiralrillenlagern entwickelt und am VFA der BTU Cottbus-Senftenberg entsprechende Prüfstände zur Messung der Folienlagerkennwerte errichtet. Im Einzelnen werden Versuchsstände aufgebaut für die Anfahrversuche (Ermittlung der Abhebedrehzahl) und die Hochgeschwindigkeitsversuche (Lagerstabilität), zur Messung der Dynamikkoeffizienten und zur Messung der Lagerimpedanz der radialen Folienlager sowie zur Ermittlung der Tragfähigkeit von axialen Folienlagern. Die Auslegungsgrundlagen und Berechnungstools zur Berechnung der aktuellen Leaf-type und Bump-type Folienlager und zur Berechnung aerodynamischer Federlager einschließlich Spiralrillenlager konnten anhand von Literaturwerten und Messergebnissen validiert werden. Weiterhin werden systematische Parametervariationen an Leaf-type und Bump-type Folienlagern zur Optimierung der Lagereigenschaften mit dem Ziel einer niedrigen Abhebedrehzahl und einer möglichst hohen Stabilitätsgrenzdrehzahl durchgeführt. Es wurden umfangreiche Versuche zum Abhebeverhalten und dynamischen Stabilität des bump-type und leaf-type Folienlagers durchgeführt.