Entwicklung eines Berechnungsmoduls zur detaillierten Simulation gekoppelter Axialgleitlager

Bauteile wie Turbinen und Turbolader sind in der Industrie- und Energietechnik weit verbreitet. Ihre Leistung und Lebensdauer werden maßgeblich durch die Schwingungsdynamik der rotierenden Wellen beeinflusst. Hydrodynamische Gleitlager, insbesondere Schwimmscheibenlager, zeichnen sich durch ihre thermischen und mechanischen Eigenschaften aus, die eine hohe Effizienz und einen verschleißfreien Betrieb ermöglichen. Bei hohen Drehzahlen und axialen Lasten, wie sie in großen Turboladern auftreten, entstehen jedoch komplexe Kopplungseffekte zwischen den Radial- und Axialschmierspalten, die in aktuellen Simulationsansätzen unzureichend erfasst werden. Dies führt zu ungenauen Vorhersagen des Schwingungsverhaltens und erfordert teure, aufwendige Prüfstandtests.
Das zu entwickelnde Modell soll den Schmierfilmdruck, den Ölvolumenstrom sowie die Lagertemperaturen präzise vorhersagen und die Kopplungseffekte in den Interfacebereichen detailliert abbilden, was bisher nur unter Nutzung von CFD-Modellen und für quasistationäre Zustände möglich ist. Im Kontext der Einbindung in eine übergeordnete Gesamtdynamiksimulation muss das Modell eine hohe numerische Effizienz aufweisen, um handhabbare Simulationszeiten sicherzustellen, und auf transiente Prozesse übertragen werden. Aus diesem Grund wird im zweiten Schritt eine signifikante Modellreduktion durchgeführt, wobei ein Ansatz unter Nutzung der Reynolds- und Energiegleichung verfolgt wird.
Das auf diese Weise abgeleiteten Gesamtmodells kann den Bedarf an teuren Experimenten verringern, die Entwicklungskosten senken und die Optimierung von Lagerdesigns in der frühen Entwurfsphase unterstützen.
Im Rahmen vorbereitender Untersuchungen werden unter Einsatz eines kommerziellen CFD Programms zunächst Analysen durchgeführt, um die relevanten physikalische Größen (Druck, Ölvolumenstrom, Temperatur) innerhalb der axialen und radialen Schmierfilme in Schwimmscheibenlagern für einen quasistationären Zustand zu quantifizieren. Es wird ein geometrisches Modell in Form eines Segmentmodells inkl. eines strukturierten Hexaeder-Netzes umgesetzt, welches anschließend als Referenz für das abzuleitende reduzierte Modell genutzt wird.