Robin Robrecht, M.Sc.

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Hydrodynamische Radialgleitlager und berührungslose Dichtspalte sind baulich sehr ähnliche Maschinenelemente, die überall in modernen Turbomaschinen zum Einsatz kommen. Beide zeichnen sich maßgeblich durch einen fluidgefüllten Radialspalt zwischen rotierender Welle und Gehäuse aus. Hinter der scheinbaren Ähnlichkeit und der geometrischen Simplizität beider Maschinenelemente verbergen sich jedoch komplexe strömungsmechanische Vorgänge im Spalt. Diese haben sowohl großen Einfluss auf die Funktionsfähigkeit, als auch auf die Energieeffizienz einer Maschine.

Die Strömung im Spalt kann prinzipiell mittels CFD-Rechnungen abgebildet werden. Dies gestaltet sich jedoch sehr aufwendig und ist gerade im Entwurfsprozess einer Turbomaschine für verschiedene Designiterationen nicht umsetzbar. Auch eine messtechnische Erfassung der gesuchten Größen ist aufgrund der Bewegung der Welle und dem sehr engen Spalt schwierig. In der Literatur dokumentierte Prüfstände unterliegen weitgehend maßgeblichen Einschränkungen. Daher werden am Institut für Fluidsystemtechnik zwei moderne, magnetgelagerte Spaltströmungsprüfstände entwickelt.

Durch den großen Aufwand eines zuverlässigen Experimentes oder einer CFD-Rechnung wird jedoch auch besonders deutlich, dass ein zusätzliches Bedürfnis nach effizienten, spezialisierten Berechnungswerkzeugen für Spaltströmungen besteht.

Bisher haben sich in diesem Bereich strikt getrennte Modellierungsansätze für Gleitlager und Dichtspalte entwickelt. Für Gleitlager, die üblicherweise rein laminar betrieben werden, findet die Reynolds’sche Schmierfilmtheorie Anwendung. Für Dichtspalte, die i.d.R. turbulente Strömung aufweisen, hat sich die Bulk-Flow-Theorie etabliert.

Insbesondere bei Dichtspalten ist die Vorhersagezuverlässigkeit der bestehenden Bulk-Flow-Modellansätze nach wie vor mangelhaft. Moderne Entwicklungen der Maschinenelemente, wie bspw. fördermediengeschmierte Gleitlager, lassen auch sonst bewährte Berechnungswerkzeuge der Reynolds’schen Schmierfilmtheorie versagen. In diesen Bauteilen treten Strömungen vom Übergangsgebiet bis in das voll turbulente Regime auf, welche nicht physikalisch sinnvoll von etablierten Gleitlagermodellen abgebildet werden können.

Am Institut für Fluidsystemtechnik ist daher das CAPM – das Clearance-Averaged-Pressure-Model – entwickelt worden. Das CAPM basiert auf axiomatisch motivierter, mathematisch-physikalischer Modellbildung und ermöglicht sowohl Berechnungen von laminar und turbulent betriebenen Gleitlagern, als auch von Dichtspalten. Berechnungsergebnisse des CAPM für turbulent durchströmte Dichtspalte liegen weitgehend in der Vorhersagegenauigkeit von CFD-Simulationen, erfordern jedoch lediglich einen um die Größenordnung 103 geringeren Berechnungsaufwand in CPU-Zeit.

Das CAPM wird konsequent weiterentwickelt, um den gesamten Anwendungsbereich von Spaltströmungen in Turbomaschinen abzudecken. Zukünftig angestrebte Forschungsgebiete sind Grenzschichtentwicklung im Spalt, Abbildung von komplexeren Bewegungszuständen der Welle und physikalische Modellierung von profilierten Dichtspaltgehäusen.