Aufgabe
In Pumpen werden zur Lagerung der rotierenden Welle zumeist fördermediengeschmierte Gleitlager eingesetzt, bei deinen das geförderte Medium gleichzeitig als Schmierstoff für die Gleitlagerung dient. Aufgrund großer Lagerspiele und kleiner Viskositäten der zur Schmierung eingesetzten Fördermedien sowie der Überlagerung einer axialen Strömung durch axiale Druckgradienten treten in mediengeschmierten Gleitlagern häufig turbulente Strömungszustände auf. Durch das niederviskose Schmiermedium (oftmals Wasser) kommt es zudem vermehrt zu Mischreibungszuständen sowie zu lokal hohen hydrodynamischen Drücken, die elastische Deformationen der Welle und insbesondere der Lagerschale nach sich ziehen. Die heutzutage gängigen Auslegungsrichtlinien ISO 7902 und VDI 2204 sowie die ihnen zugrundeliegenden Berechnungsmethoden sind vorrangig für ölgeschmierte Gleitlager geeignet und dementsprechend unzureichend zur Beschreibung fördermediengeschmierter Gleitlager. Stand der Technik für mediengeschmierte Gleitlager sind somit unsichere und nicht ausreichend für den Anwendungsfall validierte Auslegungsverfahren unter der Annahme hoher Sicherheitsfaktoren. Zudem fehlt es an Berechnungsmöglichkeiten zur schnellen Beschreibung des Betriebsverhaltens bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen.
experimentelle Validierung
Im Verlauf des Projekts wurden an der Technischen Universität Darmstadt zwei weltweit einzigartige Gleitlagerprüfstände entworfen aufgebaut und betrieben. Die Prüfstände erlauben die experimentelle Untersuchung laminarer als auch turbulenter Strömung innerhalb des Gleitlagers. Zudem bieten sie die Möglichkeit den Einfluss eines axialen Druckgefälles auf die Tragkraft und den Verlagerungswinkel sowie auf den Volumenstrom durch das Gleitlager zu quantifizieren.
Ziel
Ziel des Forschungsvorhabens „Fördermediengeschmierte Gleitlager in Pumpen“ war daher die (i) Erarbeitung eines analytischen Auslegungsverfahren für mediengeschmierte Radial-gleitlager unter Berücksichtigung von Mischreibung und turbulenten Betriebszuständen mit und ohne axialer Durchströmung, (ii) die Erweiterung des Berechnungsansatzes auf Basis der Reynolds’schen Differentialgleichung um Turbulenz und axiale Durchströmung, (iii) die Erarbeitung physikalisch basierter Methoden auf Basis des integro-differentiellen-Ansatzes zur Vorhersage umfassender Lagerkennfelder auf Basis weniger Stützstellenmessungen sowie (iv) die experimentelle und numerische Validierung beider Berechnungsmethoden für einen charakteristischen Bereich von Geometrie- und Betriebsparametern.
Simulation fördermediengeschmierter Gleitlager
An der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg wurden Berechnungsverfahren zur Analyse fördermediengeschmierter Gleitlager untersucht. Hierzu wurden CFD-Simulationsmodelle zur numerischen Validierung aufgebaut. Zudem wurde ein Berechnungsprogramm auf Basis der Reynolds‘schen Differentialgleichung um ein Turbulenzmodell und die axiale Durchströmung erweitert. Die Erkenntnisse sind in die Erweiterung eines schnellen analytischen Auslegungsverfahrens eingeflossen
Ergebnisse
Ergebnis des Forschungsvorhabens „Fördermediengeschmierte Gleitlager in Pumpen“ ist die (i) Schaffung zweier Berechnungsprogramme für mediengeschmierte Radialgleitlager unter Berücksichtigung von turbulenten Betriebszuständen mit und ohne axialer Durchströmung. Das erste Auslegungsverfahren auf Basis funktioneller Zusammenhänge bietet zudem die Möglichkeit der Berücksichtig von Mischreibungszuständen, elastischen Verformungen sowie von turbulenten Strömungszuständen, wohingegen das zweite Berechnungsprogram auf Basis einen Neuronalen Netzes beruht und Gleitlager mit turbulenten Strömungszuständen sowie mit und ohne axiale Druckdifferenz berechnen kann. Weitere Ergebnisse des Projekts sind (ii) die Erweiterung des Berechnungsansatzes auf Basis der Reynolds’schen Differentialgleichung um Turbulenz und axiale Durchströmung, (iii) die Erarbeitung physikalisch basierter Methoden auf Basis des integro-differentiellen-Ansatzes zur Vorhersage umfassender Lagerkennfelder auf Basis weniger Stützstellenmessungen sowie (iv) die experimentelle und numerische Validierung beider Berechnungsmethoden für einen charakteristischen Bereich von Geometrie- und Betriebsparametern. Die Verfahren dienen zur verbesserten Auslegung fördermediengeschmierter Gleitlager in Pumpen und führen demnach zu einem vorwettbewerblichen Vorteil der KMUs.
