Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Beeinflussung der Strömungen im Schmierstoffzuführbereich von Radialkippsegmentlagern

zur Senkung maximaler Lagertemperaturen und Erhöhung der Lagerleistungsdichte

Im Bereich schnell laufender gleitgelagerter Turbomaschinen stellt die maximale Lagertemperatur in vielen Fällen die obere Grenze des zulässigen Betriebsbereiches dar, so dass ihrer gezielten Absenkung eine wichtige Bedeutung zukommt. Ziel des Projektes ist ein experimenteller Nachweis eines praxisrelevanten Einflusses konstruktiv bedingter Modifikationen der Wärmeübergangskoeffizienten an den Segmentstirnseiten zur Beeinflussung der Maximaltemperatur im Lager sowie eine verbesserte theoretische Beschreibung der Wärmeübergänge zwischen einem Segment und dessen Umgebung. Hierzu sollen zunächst auf Basis einer bestehenden Lagerkonstruktion und der Erkenntnisse der strömungsmechanischen Untersuchungen im Vorgängervorhaben konstruktive Varianten erstellt werden, die möglichst starke Differenzen der Wärmeübergangskoeffizienten erwarten lassen. Nachfolgend werden aus diesen Varianten mit Hilfe einer numerischen strömungsmechanischen Analyse zwei Versuchsträger, die zu maximalen Abweichungen der höchsten Messstellentemperaturen führen, ausgewählt, gefertigt und experimentell untersucht. Im Rahmen der weiteren theoretischen Untersuchungen sollen die Wärmeübergangskoeffizienten an den übrigen freien Segmentflächen bestimmt werden. Zur Umsetzung der Ergebnisse in die Praxis wird ein vereinfachtes strömungsmechanisches Modell entwickelt, das die als wesentlich identifizierten Effekte zur Charakterisierung der Wärmeübergange erfassen und in einer moderaten Echtzeit in Form von Wärmeübergangskoeffizienten der Gleitlagerberechnung zur Verfügung stellen soll. Anhand von Messdaten wird der Lagergrößeneinfluss auf die segmentspezifischen Wärmeübergänge untersucht und das Gesamtberechnungsverfahren validiert. Abschließend soll die Übertragbarkeit der Forschungsergebnisse auf Axialgleitlager beurteilt werden. Die Ergebnisse liefern Hinweise auf konstruktive Maßnahmen und erweiterte Berechnungsmöglichkeiten, die kostengünstig von KMU für neue innovative Lösungen genutzt werden können.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde eine neuartige Ölzuführung entwickelt, die zu einer signifikanten Reduktion der maximalen Lagertemperatur führt. Diese Reduktion wird durch konvektive Wärmeabfuhr am Segmentende, sowie durch Herabsetzen der Spalteintrittstemperatur erreicht. Die Reduktion der Temperatur konnte sowohl rechnerisch wie auch experimentell nachgewiesen werden.

Mit Methoden der numerischen Strömungsmechanik wurden Berechnungen mit konjugiertem Wärmeübergang von ausgewählten Lager- und Ölzuführungsvarianten durchgeführt. Die Strömung im Ölzuführungsbereich wurde dabei detailliert aufgelöst. Aus den Berechnungsergebnissen wurden die lokalen und mittleren Wärmeübergangskoeffizienten bestimmt.

Weiterhin wurde der Einfluss der Lagergröße untersucht. Hierbei stellte sich heraus, dass der Wärmeübergang mit steigender Reynoldszahl abnimmt.

Es wurde ein erweitertes Berechnungsverfahren entwickelt, mit dem sich die für die Gleitlagerberechnung notwendigen Wärmeübergangskoeffizienten der Segmentflächen praxisgerecht bestimmen lassen.

Die Ergebnisse ermöglichen die Optimierung der Ölzuführung von Radialkippsegmentlagern hinsichtlich der Tragfähigkeit. Dies bietet die Möglichkeit, die Leistungsdichte einer Maschine zu erhöhen, wodurch Ressourcen eingespart werden können.

Die Erweiterung des Berechnungsverfahrens erhöht die Zuverlässigkeit von Berechnungsnachweisen.

Das Forschungsziel wurde erreicht.