Radialkippsegmentlager-Ölzuführungseinfluss

Beeinflussung der Strömungen im Schmierstoffzuführbereich von Radialkippsegmentlagern zur Senkung maximaler Lagertemperaturen und Erhöhung der Lagerleistungsdichte

Im Rahmen des Forschungsprojektes „Radialkippsegmentlager-Ölzuführungseinfluss II“ wurden die Strömungsvorgänge im Bereich der Ölzuführung von Radialkippsegmentlagern und ihr Einfluss auf dessen Betriebsverhalten rechnerisch mit Methoden der numerischen Strömungsmechanik, sowie experimentell untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass sich durch konstruktive Änderungen der Ölzuführung das Temperaturniveau im Lager absenken lässt, was bei gleicher Baugröße eine höhere Drehzahl und Belastung zulässt. Hierzu wurde eine neuartige Ölzuführung entwickelt, welche die Kippsegmente an der Hinterkante anströmt und dadurch eine hohe konvektive Wärmeabfuhr erzielt. Weiterhin zeigte sich im Experiment, dass durch die geänderte Ölzuführung ebenfalls die Temperatur des in den Spalt eintretenden Schmierstoffs herabgesetzt wird. Die maximale Temperatur konnte im Experiment gegenüber einem Lager mit geringer Wärmeabfuhr um etwa sechs Kelvin gesenkt werden.

Auf Basis von aufwändigen Strömungssimulationen mit konjugiertem Wärmeübergang konnte die lokale Verteilung des Wärmeübergangskoeffizienten auf der Segmentoberfläche für ausgewählte Kombinationen von Lagern und Betriebspunkten bestimmt werden.

Damit diese Berechnungen zukünftig auch im industriellen Alltag durchgeführt werden können, wurde hierfür ein vereinfachtes Verfahren entwickelt. Dabei wird auf Basis einer numerischen Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen mit einem gekoppelten Lösungsverfahren zunächst das Strömungsfeld im Bereich der Ölzuführung bestimmt. Durch Interpolation des Geschwindigkeitsfeldes auf die thermische Grenzschicht, die wesentlich feiner aufgelöst werden muss als das Strömungsfeld, und Lösen einer vereinfachten Form der Energiegleichung wird der lokale Wärmeübergangskoeffizient abgeschätzt. Dieses Verfahren wurde in einer Software umgesetzt, die es dem Anwender ermöglicht, einen genaueren Tragfähigkeitsnachweis durchzuführen und verschiedene Ölzuführungen miteinander zu vergleichen.

Durch die verbesserte Ölzuführung und das erweiterte Berechnungsverfahren lassen sich die Leistungsdichte und Betriebssicherheit von Turbomaschinen weiter steigern. Zukünftig sollen diese Entwicklungen ebenso auf Axialkippsegmentlager angewendet werden.

Das IGF-Vorhaben IGF-Nr. 19926-N der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.