Maximilian Kuhr

Maximilian Kuhr, M. Sc.

+49 6151 16-27107
+49 6151 16-27111

Otto-Berndt-Straße 2
64287 Darmstadt

Raum: L1|01 471

Forschungsthema: Rotordynamische Modellierung von Dichtspalten und mediengeschmierten Gleitlagern in Kreiselpumpen

Magnetlager zur Abbildung exzentrischer Bewegungen
Magnetlager zur Abbildung exzentrischer Bewegungen

Rotordynamische Modellierung von Dichtspalten

Berührungslose Fluiddichtungen in Turbomaschinen dienen zur Aufrechterhaltung von Druckdifferenzen zwischen Strömungsgebieten, welche aufgrund der Relativbewegung zwischen Rotor und Stator nicht mithilfe stehender Bauteile voneinander getrennt werden können. Ähnlich wie bei einem Gleitlager erzeugen die Fluidströmungen im Dichtspalt hydrodynamische Kräfte auf den Rotor, welche mit sinkender Dichtspalthöhe immer größer werden. Aus diesem Grund können diese zusätzlichen „Lagerstellen“ in der rotordynamischen Auslegung heutiger Turbomaschinen nicht mehr vernachlässigt werden

Zur Vorhersage der rotordynamischen Eigenschaften berührungsloser Fluiddichtungen in Kreiselpumpen wird am Institut für Fluidsystemtechnik ein analytisches Modell der rotierenden Strömung im Dichtspalt sowie in dessen Ein- und Austrittsbereich entwickelt.

Rotordynamische Modellierung von mediengeschmierten Gleitlagern

Wie auch schon die Fluiddichtungen üben Gleitlager in Pumpensystemen hydrodynamische Kräfte auf die rotierende Welle aus. Grundsätzlich wird hierbei zwischen öl- und fördermediengeschmierten Gleitlagern unterschieden. Bei der Berechnung der Lager ist eine wesentliche Annahme die Ausbildung einer laminaren Strömung im Schmierspalt zwischen Lagerbuchse und Welle. Als Grenze des Betriebsbereiches wird eine kritische Reynoldszahl herangezogen. Im Falle ölgeschmierter Gleitlager bleibt die Reynoldszahl aufgrund hochviskoser Schmiermedien und kleiner Lagerspiele unterhalb des kritischen Wertes. Bei fördermediengeschmierten Gleitlagern hingegen kommt es, bedingt durch die niedrige Viskosität und vergrößerten Lagerspiele, zur Überschreitung der kritischen Reynoldszahl. Somit ist die Berücksichtigung von Turbulenz bei der Behandlung fördergeschmierter Gleitlager notwendig. Die größeren Reynoldszahlen führen ebenfalls dazu, dass Trägheitsterme in den Impulsbilanzen nicht mehr generell vernachlässigt werden dürfen.

Die gängigen Auslegungsrichtlinien behandeln vorrangig ölgeschmierte Gleitlager. Eine Übertragung und Erweiterung auf fördermediengeschmierte Lager war bisher noch kein Untersuchungsgegenstand. Durch die vermehrte auftretende Mischreibung in diesen Lagern kommt es zudem zu einem weiteren Unterschied. Es stellt sich allgemein die Frage ob das Verhalten dieser Gleitlager nicht experimentell bestimmt und in Kennfeldern wiedergegeben werden kann. Durch die Vielzahl an Veränderlichen ist eine vollfaktorielle Ermittlung von Lagerkennfeldern inakzeptabel. Am Institut für Fluidsystemtechnik werden, in Kooperation mit dem Institut für Maschinenkonstruktion der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, auf Grundlage physikalisch basierte Modellbildung, analytische Beziehungen zwischen den Betriebsparametern erarbeitet. Diese Beziehungen ermöglichen die Vorhersage der Lagereigenschaften im gesamten Parameterraum auf Basis weniger zu vermessender Stützstellen.

Um die korrekte Funktionsweise der Modelle sicherzustellen und die Genauigkeit der analytischen Vorhersagen beurteilen zu können, wird am Institut zusätzlich ein Prüfstand zur experimentellen Validierung aufgebaut. Das Prüfstandskonzept ermöglicht, durch den gezielten Einsatz von Magnetlagern, die Untersuchung exzentrischer Wellenbewegungen sowie eines Winkelversatzes der Welle innerhalb des Dichtspaltes und der Gleitlager. Zudem gestattet der Einsatz von Magnetlagern eine inhärente Messung der Lagerkräfte sowie der Exzentrizität der Welle.

Rotordynamischer Dichtspalt/Gleitlagerprüfstand
Rotordynamischer Dichtspalt/Gleitlagerprüfstand

zur Liste