Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Rotordynamischer Einfluss Fördermediengeschmierter Gleitlager in Pumpen

Die Verfügbarkeit von Turbomaschinen wie Kreiselpumpen wird oft durch ihr schwingungsdynamisches Verhalten begrenzt. Infolge einer dynamischen Anregung durch Betriebskräfte oder Unwuchten kommt es zu einer Antwort des Gesamtsystems welche maßgeblich durch die induzierten Kräfte in engen Ringspalten, wie sie in Gleitlagern vorliegen beeinflusst wird. In fördermediengeschmierten Gleitlagern von Kreiselpumpen werden diese induzierten Kräfte nicht nur durch den hydrodynamischen Effekt, sondern auch durch eine axiale Durchströmung wesentlich beeinflusst. Zudem kann es infolge von größeren Lagerspielen und deutlich geringeren Viskositäten der vorliegenden Schmiermedien zu turbulenten Strömungszuständen kommen. Diese im Spalt vorliegende laminare oder turbulente Strömung definiert sowohl die Steifigkeit der Lagerung als auch das Abklingverhalten einer auftretenden Schwingung. Erfolgt die Auslegung aufgrund unzureichender Kenntnis der jeweiligen Effekte kann es im schlimmsten Fall zur Resonanz und im Folgenden zum Totalausfall der Maschine und zu wartungsbedingten und kostspieligen Ausfallzeiten der gesamten industriellen Anlage kommen.

Ziel des Projekts ist die Erarbeitung einer umfangreichen Datenbasis rotordynamischer Koeffizienten und Identifizierung instabiler Betriebszustände sowie die experimentelle Validierung verbesserter numerischer Berechnungsmodelle für dynamische Betriebszustände auf Grundlage einer erweiterten Reynolds‘schen Differentialgleichung, sowie des integro-differentiellen Ansatzes für fördermediengeschmierte Gleitlager in Pumpen. Nach Projektende liegen für die KMU experimentelle sowie numerische Datenbasen, validierte effiziente Berechnungswerkzeuge sowie ein analytisches Auslegungstool für die Industrie zum unmittelbaren Einsatz vor. Der konkrete Nutzen für die KMU ist somit eine präzisere, verlässlichere und effizientere Auslegung mediengeschmierter Gleitlager im Vergleich zu aktuellen Auslegungsmethoden.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Projekts sind sowohl umfassende physikalisch basierte Modellentwicklungen auf Basis komplexer CFD Simulationen, eines integro-differentiellen Ansatzes (Clearance-Averaged Pressure Model) sowie der Reynolds’schen Differentialgleichung zur Bestimmung rotordynamischer Koeffizienten durchgeführt worden. Die Ergebnisse wurden mit umfangreich durchgeführten experimentellen Untersuchungen an zwei Gleitlagerprüfständen validiert. Insgesamt konnten durch zahlreiche Parameterstudien wichtige Einflussgrößen und ihre Relevanz für die verschiedenen Koeffizienten aufgezeigt werden. Zudem wurde die Relevanz der virtuellen Massenterme, des Lomakin-Effekts sowie die Relevanz der, gegenüber klassischen Betrachtungen, zusätzlichen 36 Koeffizienten aufgezeigt. Die Bedeutung der zusätzlichen Koeffizienten wurden dabei anhand von Stabilitätsbetrachtungen und einem praktischen Anwendungsbeispiel aus der Industrie bewertet. Diese Erkenntnisse können innerhalb der Auslegung fördermediengeschmierter Gleitlager direkt berücksichtigt werden. Die entwickelten numerischen Methoden, insbesondere auch die effizienten Ansätze, sind zudem umfassend dokumentiert und können durch Anwender in eigene Berechnungssysteme übernommen werden. Darüber hinaus wurde ein analytisches Berechnungsprogramm (JoBs) zur Bestimmung rotordynamischer Koeffizienten entwickelt, das den Unternehmen übergeben wird und auch KMUs in die Lage versetzt eigenen rotordynamische Betrachtungen durchzuführen.

Durch die erzielten Forschungsergebnisse wird eine präzisere und damit kostengünstigere Auslegung mit einer höheren Produktsicherheit ermöglicht. Als potentieller Nutzerkreis können damit die gesamte Pumpenindustrie sowie weitere Hersteller von Maschinen angesehen werden, in denen fördermediengeschmierte Radialgleitlager bzw. Gleitlager mit vergleichbaren Strömungszuständen im Lagerspalt eingesetzt werden.