Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Modellierung und Identifikation nicht-drehzahlsynchroner dynamischer Kippsegmentlagereigenschaften zur Verbesserung der Stabilitätsanalyse von Rotor-Lager-Systemen unter besonderer Berücksichtigung von Strukturelastizitäten

Die Erhöhung der Leistungsdichte führt im Bereich schnell laufender, gleitgelagerter Maschinen zur immer schlankeren Gestaltung der Rotoren, die mit erhöhten Anforderungen an die dynamischen Lagereigenschaften einhergehen.

Das Forschungsprojekt hat die Entwicklung eines experimentell validierten Modells zur Beschreibung der linearen dynamischen Eigenschaften von Kippsegmentlagern bei nicht-drehzahlsynchronen Schwingungen auf Basis einer theoretischen Systemanalyse zum Ziel. Hierzu werden sämtliche Bewegungsfreiheitsgrade eines Radialkippsegmentlagers berücksichtigt und auf Basis der Interaktion mit dem Schmierfilm in ein lineares dynamisches Modell für die rotordynamische Eigenwertanalyse überführt. Zur Quantifizierung des wichtigen Einflusses der dynamischen Lagerstrukturelastizität als Eingangsgröße der Simulation sind sowohl experimentelle als auch theoretische Untersuchungen geplant. Darüber hinaus werden experimentelle Untersuchungen am Hochleistungsgleitlagerprüfstand für zwei Versuchslager durchgeführt, die zu Beginn des Forschungsvorhabens auf Basis bestehender dynamischer Lagermodelle ausgelegt werden. Die Ergebnisse dienen zur Validierung der neuentwickelten Lagermodelle. Nachfolgend werden theoretische Parameterstudien durchgeführt, die die Ergebnisse unterschiedlicher Modellansätze vergleichen und auf dieser Basis Hinweise auf notwendige Modelltiefen liefern. In einem weiteren Arbeitsschritt werden die unterschiedlichen Modelle für Radialkippsegmentlager an ein Rotordynamikprogramm angebunden und der Einfluss der Modelle auf die Eigenwerte unterschiedlicher Rotor-Lager-Systeme untersucht.

Die Ergebnisse sämtlicher Untersuchungen werden in den Kontext des internationalen Standes der Forschung eingeordnet. KMU können auf dieser Basis dynamische Lagereigenschaften wesentlich genauer berechnen und den Einfluss der Modelltiefe auf die rotordynamische Analyse einordnen. Ihre Position als wichtiger Zulieferer und Berater mit hohem Spezialwissen wird gestärkt.

Ergebniszusammenfassung:

Im AiF-Antrag zum Forschungsvorhaben wurden Forschungsziele definiert, mit deren Umsetzung folgende Forschungsergebnisse angestrebt wurden:

Wissenschaftlich-technische Ergebnisse

1. Ermittlung zweier Lagerkonfigurationen, von denen die eine starke und die andere eine schwache Abhängigkeit der dynamischen Lagerkennwerte vom Frequenzverhältnis im experimentell zu untersuchenden Parameterbereich zeigt.

2. Entwicklung eines Lagermodells zur Beschreibung der linearen dynamischen Eigenschaften von Radialkippsegmentlagern auf Basis konstanter Koeffizienten.

3. Aufbau von strukturmechanischen Modellen, die eine theoretische Nachbildung der Deforma-tionsvorgänge sowohl für das Einzelsegment als auch für das Gesamtlager erlauben.

4. Ermittlung der dynamischen Lagerkoeffizienten zur Validierung des Kippsegmentlagermodells.

5. Parameterstudien, Sensitivität und Validierung der unterschiedlichen Kippsegmentlagermodelle.

6. Aufbau von Schnittstellen zu Rotordynamikprogrammen.

7. Untersuchung des Einflusses der Kippsegmentlagermodellierung auf die rotordynamische Analyse eines realen Rotors.

8. Bewertung der Forschungsergebnisse

• Das Forschungsziel (1) wurde erreicht. Trotz der geringen Unterschiede der dynamischen Koeffizienten im untersuchten Parameterbereich, konnten zwei Lagerkonfigurationen ausgewählt werden, die die gewünschten Eigenschaften aufweisen.

• Zur Erreichung des Forschungsziels (2) wurde das Kippsegmentlagermodell erweitert. Das entwickelte Kippsegmentlagermodell beseitigt die Abhängigkeit der dynamischen Koeffizienten vom Frequenzverhältnis, da sich die dynamischen Eigenschaften des Kippsegmentgleitlagers durch konstante Koeffizienten beschreiben lassen. Es entfällt die Annahme, dass Kräfte nur in Richtung der Segmentabstützung aufgenommen werden können. Die Segmentmassen und Massenträgheitseinflüsse der Segmente werden in dem erweiterten Kippsegmentlagermodell berücksichtigt. Das Modell liefert somit eine vertiefende Beschreibung bezüglich d