Gasfolienlager (aus dem Englischen Gas Foil Bearing, kurz GFB) sind aufgrund ihres Aufbaus sowie ihres Schmiermediums umweltfreundliche, verlustarme und kostengünstige Maschinenkomponenten, die besonders bei leichten und schnellen Rotoren Anwendung finden. Dank ihrer elastischen Lagerwand können sie im Gegensatz zu Gleitlagern leichte Druckschwankungen im Schmierfilm während des Betriebs selbst regulieren. Diese Lagertechnologie wurde jedoch noch nicht ausreichend erforscht. Daher ist das Hauptziel dieser Arbeit die experimentelle Untersuchung von GFBs sowie von GFB-gelagerten Rotoren. Die elastische Lagerwandstruktur, die, wie bereits erwähnt, die Besonderheit der GFBs darstellt, ist das erste Untersuchungsobjekt in dieser Arbeit. Dabei wird das Strukturverhalten sowohl numerisch simuliert als auch experimentell untersucht. Es werden im analytischen Teil statische sowie dynamische Modelle nach Iordanoff, Heshmat sowie Le Lez implementiert und einander gegenübergestellt. Dabei zeigt das Modell von Le Lez gute Ergebnisse und wird als Strukturmodell für den weiteren numerischen Teil bevorzugt. Die experimentellen Versuche an der elastischen Lagerwand werden statisch sowie dynamisch durchgeführt. Bei der statischen Untersuchung wird das GFB von einer statischen Kraft belastet, um den Weg-Kraft-Verlauf aufzunehmen. Die Messung wird an einem mit Shims modifizierten sowie einem nicht modifizierten Lager durchgeführt. Es handelt sich bei den Shims um metallischen Lehrenbleche, die zwischen Bumpfolie und Gehäuse hineingebracht werden. Diese Modifikation des Lagers sorgt für einen Anstieg der Lagersteifigkeit und eine Reduzierung des Nominalspalts. Bei der dynamischen Messung gilt das Interesse dem Verhalten der Struktur in Abhängigkeit der Erregerfrequenz, der Schwingungsamplituden und der statischen Lagerlast. Das Lagerstrukturverhalten wird anschließend hinsichtlich Steifigkeit und Dämpfung analysiert. Die Versuche zeigen bei zunehmenden Frequenzen eine Erhöhung der Steifigkeit, während die Dämpfung abnimmt. Dieses Verhalten ist unabhängig von den Schwingungsamplituden. Im realen Betrieb setzt sich jedoch die Steifigkeit und die Dämpfung von GFBs sowohl aus der elastischen Lagerwandstruktur als auch aus dem Schmierfilm zusammen. Zur Bestimmung dieser Lagerparameter werden Versuche bei unterschiedlichen konstanten Drehzahlen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass durch den dabei aufgebauten Schmierfilm die Steifigkeit des Lagers sinkt. Außerdem lässt sich ein Anstieg der Lagersteifigkeit durch die Modifizierung des Lagers mit Shims beobachten. Die Untersuchungen zur Bestimmung der Lagerparameter sind zeit- und kostenintensiv. Daher ist die Reproduktion dieser Versuche durch numerische Simulationen anzustreben. Dabei werden sowohl der Schmierfilm als auch die elastische Lagerwandstruktur modelliert. Ein Vergleich mit den experimentellen Ergebnissen deutet darauf hin, dass das Modell etwas konservativer ist, denn die Lagerparameter werden ein wenig unterschätzt. Dennoch liefert das Modell eine gute Vorhersage für die Auslegung von GFBs. Beim letzten Experiment wird untersucht, wie ein mit GFB-gelagerter Rotor auf reale Einflüsse, wie Beschleunigungsänderung oder Unwucht, reagiert. Dabei liegt der Fokus auf den subharmonischen Schwingungen, die bei GFB-gelagerten Systemen im höheren Drehzahlbereich auftreten. Aufgrund der niedrigen Dämpfung der GFBs können diese Schwingungen nicht ausreichend gedämpft werden. Solche Schwingungen können zur Lagerversagen führen, wenn ihre Amplitude ausreichend hoch ist. Im Rahmen dieser rotordynamischen Untersuchung wird durch passive Maßnahmen (Shims) die Entstehung von subharmonischen Schwingungen beeinflusst. Diese Maßnahme zeigt positiven Effekte auf das rotordynamische Verhalten unter anderem die Reduzierung der Schwingwege und die Unterdrückung der subharmonischen Schwingungen im niedrigen Drehzahlbereich. Es wurden somit diverse Parameter von GFBs untersucht und deren Einflüsse qualitativ und quantitativ zusammengefasst.


    Access

    Download


    Export, share and cite



    Title :

    Experimentelle Untersuchungen des dynamischen Verhaltens von Gasfolienlagern und dessen konstruktive Beeinflussbarkeit


    Additional title:

    Experimental studies of the dynamic behavior of gas foil storage and its constructive influence


    Contributors:

    Publication date :

    2022



    Type of media :

    Miscellaneous


    Type of material :

    Electronic Resource


    Language :

    German



    Classification :

    DDC:    629