Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Transiente Simulation der nichtlinearen Dynamik von Abgasturbolader-Rotoren unter Berücksichtigung der Wechselwirkungen von Radial- und Axialgleitlagern über das Ölversorgungssystem

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Verbesserung der bestehenden Berechnungsmethodik für schnell drehende Abgasturbolader (ATL) mit hydrodynamischen Lagern. Dadurch sollen einerseits Software entwickelnde KMU als Entwicklungspartner gefördert werden. Andererseits wird die vorhandene technische Expertise Entwicklungsdienstleistern und Zulieferern, die oft selbst zu den KMU zählen (z.B. Lagerhersteller), voll zugänglich gemacht. Nachdem im Vorgängervorhaben die Radiallagerung in Form von Schwimmbuchsenlagern im Fokus stand, adressiert das aktuelle Projekt den Einfluss der Axiallager (einfache sowie Schwimmscheibenlager) sowie deren Kopplung zu den Radiallagern auf die Rotordynamik, was auch praxisrelevante Gegenlaufanregungen einschließt.

Durch die Bewegung der Welle kommt es zur dynamischen Schiefstellung der Spurscheibe sowie ggf. der Schwimmscheibe. Die dabei auftretenden kleinen Spalte führen zu hohen Scherspannungen und damit zu einem signifikanten Wärmeeintrag in das System. Gleichzeitig existieren Wechselwirkungen zwischen den Temperaturen und den hydrodynamischen Eigenschaften (thermische Dehnungen, Viskosität), weshalb die transiente Temperaturentwicklung der Lagerpartner und des Öls modelliert werden muss. Zusätzlich sind Radial- und Axiallager über die Ölversorgungsleitungen miteinander verbunden, deren Einfluss thermo- und hydrodynamisch zu erfassen ist.

Die einzelnen Aspekte werden in einem ganzheitlichen Simulationsmodell, welches Rotor-, Hydro- und Thermodynamik umfasst, abgebildet und die zugrundenliegenden Differentialgleichungen numerisch im Rahmen einer Zeitintegration gelöst, wobei die Ergebnisse des Vorgängervorhabens konsequent weiterentwickelt werden.

Letztendlich soll die verlässliche Simulation subharmonischer Schwingungen in Frequenz und Amplitude ermöglicht werden, da diese sowohl sicherheitsrelevante Fragestellungen (Anstreifvorgänge) bedingen, als auch drastische Auswirkungen auf die Verlustleistung und die Lebensdauer der Lager haben.

Ergebniszusammenfassung:

Ergebnisse

- Beitrag zum Verständnis der Axialgleitlager in Abgasturboladern

- Berechnungsergebnisse zeigen: Zur präzisen Simulation des Bewegungsverhaltens schnelldrehender Rotoren kann die Berücksichtigung der Axiallagerung entscheidend sein. Dabei haben Kavitationsvorgänge und die Temperaturentwicklung in den Lagern großen Einfluss. Auch hydraulische und thermische Kopplungen zwischen den Lagern können die Rotorbewegung bzw. das Schwingungsverhalten beeinflussen.

- Erstmals überhaupt dynamische Berechenbarkeit von Schwimmscheibenlagerungen für allgemeine Fälle

- Das bestehende Berechnungsprogramm (EMD Basic - FVV Version) wurde um diese Einflüsse erweitert. Der verwendete Berechnungsansatz mit Online-Lösung der Systemgleichungen ist neu. Dadurch ist im Gegensatz zu bisher verfügbaren Berechnungsprogrammen eine individuelle Druck- und Temperaturentwicklung für die gängigen Axiallagerkonstruktionen berechenbar. Das bedeutet deutlich bessere Modellgüte.

Anwendungsmöglichkeiten

- Berechenbarkeit des Verhaltens von Turbolader-Rotorsystemen unter Berücksichtigung des nichtlinearen Einflusses der radialen Schwimmbuchsenlagerung und Axiallagerung

- Untersuchung komplexer hydraulischer und thermischer Kopplungen in verschiedenen Lagerkonstruktionen

- Auslegung und Dimensionierung von Schwimmscheibenlagerungen innerhalb komplexer Rotorsysteme

- Optimierung von Lagerkonstruktionen durch rechnerische Untersuchung von Konstruktionsänderungen (Variationsrechnungen), Ermittlung des Einflusses verschiedener Designmerkmale