Thermo-hydrodynamische Gleitlagermodelle für die instationäre Simulation von Rotorschwingungen

Abstract

Die vorliegende Arbeit behandelt Berechnungsmodelle zur Ermittlung von Schmierfilmtemperaturen in hydrodynamischen Gleitlagern. Ziel ist es, einen Beitrag zur besseren Beschreibung des komplexen dynamischen Verhaltens gleitgelagerter Rotoren zu leisten. Dieses ist nicht zuletzt durch die nichtlineare Abhängigkeit der Schmierfilmviskosität und damit des Tragkraftaufbaus von der Temperatur geprägt. Zu diesem Zweck wird ein ganzheitlicher Ansatz entwickelt, in dem nicht nur die mit der Reynolds’schen Differenzialgleichung gekoppelte, dreidimensionale Energiegleichung für die Schmierfilmtemperatur, sondern auch die Wärmeleitungsgleichungen für die angrenzenden Bauteile gelöst werden. Das ermöglicht eine sehr flexible Wahl der Randbedingungen und eine robuste Umsetzung von thermischen Kopplungen verschiedener Lager untereinander. Der Berechnungsalgorithmus wird für vier Lagerbauformen – einfach wirkende Radial- und Axialgleitlager sowie doppelt wirkende Radialgleitlager (Schwimmbuchsenlager) und doppelt wirkende Axialgleitlager (Schwimmscheibenlager) – implementiert und in ein modulares Mehrkörperprogramm integriert. Dadurch sind instationäre Simulationen beliebiger gleitgelagerter Körper möglich. Die Temperaturberechnung wird umfassend mithilfe von Literaturdaten sowie am Beispiel von Prüfstandsmessungen von Abgasturboladerrotoren validiert. Abschließend wird der Einfluss des detaillierten Temperaturmodells auf deren Rotordynamik untersucht.

The work at hand deals with calculating lubrication film temperatures of hydrodynamic bearings. It aims at improving the description of the complex dynamic behaviour of hydrodynamically supported rotors. This behaviour is influenced greatly by the nonlinear correlation between the lubricant viscosity and therefore the bearing’s load-carrying capacity on the temperature. For this purpose, a holistic simulation approach is developed, which incorporates not only solutions of the three-dimensional energy equation, which is coupled with the Reynolds Differential Equation, but also solutions of the heat equations for the adjacent bearing components. This enables a flexible choice of boundary conditions and a robust realisation of thermal couplings between different bearings. The algorithm is implemented for four bearing designs – single-acting radial and axial bearings as well as double-acting radial bearings (floating ring bearings) and double-acting thrust bearings (floating disk bearings) – and integrated into a modular multi-body simulation programme. This enables transient simulations of any bodies supported by hydrodynamic bearings. The temperature calculation is comprehensively validated with the help of literature data and test bench measurements of exhaust gas turbocharger rotors. Finally, the influence of the detailed temperature model on their rotor dynamics is examined.