Aktives Folienlager mit nachgiebigem Lagerträger und piezokeramischen Patchaktuatoren

Folienlager sind Gleitlager mit einer nachgiebigen Innenkontur. Dies erlaubt die Kompensation der fliehkraft- und temperaturbedingten Wellenexpansion bei hohen Drehzahlen. Die vielen Reibkontakte zwischen den Folien erhöhen zudem die Lagerdämpfung. Mit aerodynamisch wirkenden Folienlagern ausgestattete Turbomaschinen können somit je nach Baugröße mit mehr als 100.000 U/min betrieben werden. Ein wesentlicher Faktor, der die Lebensdauer begrenzt, ist der Verschleiß bei jedem Start-Stop-Zyklus. Unglücklicherweise können Folienlager geometrisch entweder auf einen geringeren Verschleiß beim Anfahren oder eine größere Stabilität bei hohen Drehzahlen optimiert werden. In dem hier vorliegenden Buch wird daher der Ansatz eines aktiv schaltbaren Folienlagers vorgestellt, bei welchem das Lagerspiel und die geometrische Vorspannung (Preload) je nach Betriebszustand eingestellt werden können. Anhand theoretischer Überlegungen und experimenteller Beobachtungen zeigt sich eine grundsätzliche Eignung der im aktiven Lager angestrebten Schaltformen. So ist trotz signifikanter Einflüsse von Fertigungs- und Montageabweichungen eine Verbesserung des Anfahrverhaltens bzw. ein stabiler Betrieb bei hohen Drehzahlen sichtbar. Die Integration der aktiven Komponente, bestehend aus den piezokeramischen Patchaktuatoren und einem geometrisch an eine dreiflächige Lagerbuchse angelehnten Lagerträger, verändern das Betriebsverhalten gegenüber der passiven Prototypen dabei aber erheblich. So verringert sich neben der Lagersteifigkeit auch die Lagerdämpfung. Zudem genügen moderate Lasten und fertigungsbedingte Eigenspannungen, um die aktive Verformung des Lagerträgers zu blockieren. Theoretische Modelle zeigen, dass eine Versteifung der aktiven Komponente durchaus zielführend ist. Eine praktische Umsetzung ist hingegen aufgrund fehlender Aktuatorwerkstoffe aktuell noch nicht möglich.

Autorentext

Jan. 2018 - Feb. 2024: wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Mechanik und Adaptronik der TU Braunschweig (ehemals Institut für Adaptronik und Funktionsintegration), Schwerpunkte: Experimenteller Nachweis eines aktiv schaltbaren Folienlagers, Aufbau von Prüfständen für Folienlager, Entwurf und Fertigung von Folienlagern Okt. 2014 - Jan. 2017: Master "Allgemeiner Maschinenbau / Produktentwicklung" in Magdeburg (Otto-von-Guericke Universität) Okt. 2011 - Nov. 2014: Bachelor "Allgemeiner Maschinenbau" in Magdeburg (Otto-von-Guericke Universität) Veröffentlichungen: Jun. 2022: Experimental Investigation of Two Switching States of an Active Foil Bearing during Start-Up, MDPI Machines Jan. 2021: Experimental Investigation of the Leaf Type Bearing Structure with Undersprings Under Dynamic Excitation, MDPI Machines

Klappentext

Folienlager sind Gleitlager mit einer nachgiebigen Innenkontur. Diese erlaubt die Kompensation der fliehkraft- und temperaturbedingten Wellenexpansion bei hohen Drehzahlen von teilweise über 100.000 U/min. Die vielen Reibkontakte zwischen den Folien erhöhen zudem die Lagerdämpfung. Unglücklicherweise können Folienlager geometrisch entweder auf einen geringeren Verschleiß beim Anfahren oder eine größere Stabilität bei hohen Drehzahlen optimiert werden. In dem hier vorliegenden Buch wird daher der Ansatz eines aktiv schaltbaren Folienlagers vorgestellt, bei welchem das Lagerspiel und die geometrische Vorspannung (Preload) während des Betriebes eingestellt werden können. Die tatsächlich erzielbaren Eigenschaftsänderungen werden zunächst mittels experimenteller Untersuchungen an passiven Lagern aufgezeigt. Anschließend wird der Aufbau des aktiven Lagers erläutert und dessen Wechselwirkung mit den übrigen Folienlagerkomponenten anhand von simulativen und experimentellen Beobachtungen diskutiert. Dabei werden den technischen Herausforderungen des aktiven Folienlagers mögliche Lösungsansätze gegenübergestellt und in ihrer Machbarkeit bewertet.

Der Inhalt

Einleitung, Folienlager - Stand des Wissens, Motivation und Forschungsfragestellung, Bestandteile des formvariablen Folienlagers, Funktionsvermögen des formvariablen Folienlagers, Diskussion verschiedener Optimierungsansätze, Zusammenfassung

Die Zielgruppen

Das Buch wendet sich an Forscher mit Ausrichtung auf Turbomaschinen bzw. Folienlager und an Praktiker gleicher Ausrichtung in der Industrie.

Der Autor

Hannes Schmiedeke hat bis 2017 an der Otto-von-Guericke Universität Magdeburg allgemeinen Maschinenbau studiert. Nach einem Jahr in der freien Wirtschaft ist er 2018 an das Institut für Mechanik und Adaptronik (ehemals Institut für Adaptronik und Funktionsintegration) der TU Braunschweig gewechselt. Dort war er verantwortlich für die Fertigung von Folienlagern und für den Aufbau zweier Lagerprüfstände. 2024 hat er die hier vorliegende Dissertation eingereicht und erfolgreich verteidigt.

Inhalt

Einleitung.- Folienlager - Stand des Wissens.- Motivation und Forschungsfragestellung.- Bestandteile des formvariablen Folienlagers.- Funktionsvermögen des formvariablen.- Folienlagers.- Diskussion verschiedener Optimierungsansätze.- Zusammenfassung.- Anhang A - S.- Literaturverzeichnis.