Luftlager in Aufladesystemen - Thermodynamik und Stabilität von Rotorsystemen mit aerodynamischen Luftlagern

Im Bereich schnelllaufender Turbomaschinen rücken durch die angestrebte Mobilitäts- und Energiewende, welche vor allem auch aufgeladene Brennstoffzellensysteme bedingt, ölfreie Lagerungskonzepte in den Vordergrund.
Luftgeschmierte Gleitlager eignen sich hier aufgrund vieler Vorteile: Verzicht auf eine externe Schmiermittelversorgung; geringe Verluste infolge Reibleistung; inertes Schmiermittel, weshalb in Brennstoffzellen auch auf aufwendige Dichtungen verzichtet werden kann. Dem gegenüber stehen Nachteile wie die geringe Tragfähigkeit sowie die gleitlagerspezifische Anregung von subsynchronen Schwingungen.
Die Erhöhung der Traglast kann durch verschiedene Konzepte, aber maßgeblich eine nachgiebige Lagerschale in Form einer Folienstruktur erreicht werden, wobei der Fokus des Forschungsvorhabens auf Bumptype Lagern liegt.
Der Prädiktion der angesprochenen subsynchronen Schwingungen kommt im Entwicklungsprozesses rotordynamischer Systeme eine hohe Bedeutung zu, da diese Schwingungen negative Effekte, wie akustische Auffälligkeiten, Anstreifen des Rotors am Gehäuse oder Kontakt im Lager zur Folge haben können und daher zu vermeiden bzw. zumindest in den Amplituden zu minimieren sind.

Im Forschungsvorhaben soll eine effiziente Simulationsmethode für luftgelagerte Rotoren entwickelt, realisiert und experimentell validiert werden, die eine valide Prädiktion der subsynchronen Schwingungen und der damit einhergehenden Stabilität erlaubt, wobei die Hydrodynamik des Luftspalts, die Deformation der Folienstruktur und die thermodynamischen Effekte in den radialen Luftlagern berücksichtigt werden müssen. Die Einbindung in eine rotordynamische Gesamtsimulation erlaubt es zudem, die zeitabhängige Rotorschiefstellung und deren Einfluss auf die Lagerdämpfung in den Lagern zu berücksichtigen und so, mit hoher Güte die Schwingungsamplituden und das Auftreten potentieller Instabilitäten zu prädiktieren.

Air bearings in turbocharging systems - Thermodynamics and stability of rotor systems with aerodynamic bearings

In the area of high-speed turbomachinery, oil-free bearing concepts are coming to the front due to the desired mobility and energy transition, which also requires charged fuel cell systems in particular.
Air-lubricated bearings are suitable here due to their many advantages: No need for an external lubricant supply; low losses due to friction power; inert lubricant, which is why expensive seals can also be dispensed with in fuel cells. On the other hand, there are disadvantages such as the low load-bearing capacity and the excitation of subsynchronous vibrations specific to journal bearings.
The load capacity can be increased by various concepts, but mainly by a flexible bearing shell in the form of a foil structure, whereby the focus of the research project is on bump-type bearings.
The prediction of the subsynchronous vibrations mentioned above is of great importance in the development process of rotordynamic systems, as these vibrations can have negative effects such as acoustic irregularities, rubbing of the rotor on the housing or contact in the bearing and must therefore be avoided or at least minimized in amplitude.

The research project aims to develop, implement and experimentally validate an efficient simulation method for rotors with air bearings that allows a valid prediction of the subsynchronous vibrations and the associated stability, taking into account the hydrodynamics of the air gap, the deformation of the foil structure and the thermodynamic effects in the radial air bearings. The integration into an overall rotordynamic simulation also makes it possible to take into account the time-dependent rotor misalignment and its influence on the bearing damping in the bearings and thus to predict the vibration amplitudes and the occurrence of potential instabilities with high quality.