Thermo-hydrodynamische Gleitlagerberechnung mit erhöhter Genauigkeit

Dieses Projekt baut auf zwei öffentlich geförderten Vorläufer-Projekten auf, in denen detaillierte Gleitlagermodelle zur Berechnung des komplexen dynamischen Verhaltens gleitgelagerter Rotoren entwickelt wurden. Von größter Bedeutung ist in diesem Kontext die möglichst zutreffende Abbildung des nichtlinearen Lagerverhaltens, das durch nichtlineare Steifigkeits- und Dämpfungseigenschaften, Kavitationsvorgänge und eine nichtlineare Abhängigkeit der Schmiermittelviskosität von der Betriebstemperatur gekennzeichnet ist. Diese Abbildung erfolgt durch transiente Lösung der den Schmierfilm beschreibenden Differenzialgleichungen: der Reynolds’schen DGL und der Energiegleichung.

In den hier fortgeführten Arbeiten werden drei Aspekte eingehender untersucht:

1. Genaue Berechnung von Schmierstoffströmungen in Spalthöhenrichtung. Aufgrund der sehr geringen Schmierspalthöhe (Größenordnung h<100µm über alle Baugrößen) sind diese in der Regel sehr klein, können aber dennoch einen wichtigen Beitrag zur Wärmeübertragung innerhalb des Schmierfilms leisten. Das gilt insbesondere für Axialgleitlager bei hohen Drehzahlen. Durch einen besseren Temperaturausgleich in Schmierfilmhöhenrichtung kann die Warmölübertragung signifikant erhöht werden, wodurch das Temperaturniveau insgesamt steigt.
2. Untersuchung des Fliehkraftterms in der Reynolds-DGL für Axialgleitlager, der in vielen Implementierungen nicht vollständig, sondern nur bis zur Ordnung h³ berücksichtigt wird, was bei hohen Drehzahlen ebenfalls zu Ungenauigkeiten führen kann. In den untersuchten Lastfällen wird der Trägheitseinfluss durch die vereinfachte Implementierung bis zu 15% überschätzt.
3. Untersuchung von geeigneten Temperatur-Randbedingungen am Einströmrand eines Keilsegments im Gleitlager

Thermo-hydrodynamic bearing models with increased accuracy

This project builds on two previous publicly founded projects, which focused on detailed models for hyrodynamic bearings to calculate the complex dynamic behaviour of rotors, which are supported by hydrodynamic bearings. In this context, it is essential to simulate the non-linear behaviour of the bearings as accurately as possible. This non-linear bearing behaviour is characterised by non-linear stiffness and damping properties, cavitation processes and a non-linear dependence of the lubricant viscosity on the operating temperature. This modelling is done by transient solving the differential equations, which describe the lubricating film: the Reynolds PDE and the energy equation.

Three aspects are analysed in more detail in the current project:

1. Precise calculation of the fluid flow in gap height direction. The velocity of this flow is usually very small because of the small gap heights (order of magnitude: <100 µm), but it can still have a big impact on heat transfer mechanisms in the lubricating film. This is especially true for thrust bearings at high rotational speeds and loads (figure 1). Because there is more heat transfer in gap height direction, more heat is carried over the segment, which means an increased temperature niveau in the lubricating film
2. Investigation of the centrifugal term in the Reynolds PDE for thrust bearings, which is often not implemented completely, but only up to the order h³. At high rotational speeds, this can also lead to inaccuracies. In the analysed load cases, the inertial influence is overestimated by up to 15% due to the simplified implementation.
3. Investigation of suitable temperature boundary conditions at the segment inlet of hydrodynamic bearings.