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antriebstechnik 11/2021

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antriebstechnik 11/2021

KOMPONENTEN UND SOFTWARE

KOMPONENTEN UND SOFTWARE TRIBOLOGIE WIRBELNUTEN ERHÖHEN GLEITLAGERLEISTUNG Kippsegment-Radiallager werden vorzugsweise in Turbokompressoren, Getrieben, Gasturbinen und Dampfturbinen eingesetzt. Die Entwicklungstrends für diese Anwendungen führen zu einem wachsenden Bedarf an Gleitlagern mit erhöhter Tragfähigkeit bzw. erhöhter Leistungsdichte. Dabei darf die Erreichung dieses Ziels nicht mit einer Beeinträchtigung der Lagerfunktionalität und Betriebssicherheit einhergehen. Neben Änderungen an der Lagergeometrie, die oft nur begrenzt umsetzbar sind, kann der Einsatz von Wirbelnuten, genannt „Miba Eddy Grooves“, erhebliches Potenzial zur Leistungssteigerung von Gleitlagern erschließen. Die Leistungsgrenzen konventioneller Gleitlager können in Turbomaschinenanwendungen aus unterschiedlichsten Gründen erreicht oder auch, entgegen der ursprünglichen Auslegung der Lager, überschritten werden. Ein wichtiger Ansatz zur Überwindung der traditionellen Betriebsgrenzen, ist die Reduktion der maximalen Lager- und Ölfilmtemperaturen. Unter der Annahme, dass eine für den sicheren und zuverlässigen Betrieb von Gleitlagern ausreichende Schmierfilmdicke, die im Wesentlichen von der auftretenden Belastung, der Gleitgeschwindigkeit und dem gewählten Schmierstoff abhängt, vorhanden ist, sind die lokalen Maximaltemperaturen der entscheidende, leistungsbegrenzende Parameter. Der Schlüssel zu einer verbesserten Lagerleistung liegt in einem Lagerkonzept, das auch bei hohen Drehzahlen und Belastungen eine übermäßige Erwärmung bestimmter Lagerbereiche sowie des Ölfilms verhindert. Dipl.-Ing. Stephan Faulhaber, Technischer Leiter und Dipl.-Ing. Eckhard Schüler Senior R&D Engineer, beide bei der Miba Industrial Bearings Germany in Göttingen DIE IDEE „Unsere Erkenntnisse zum Einsatz von Wirbelnuten oder Eddy Grooves zeigen eine verbesserte Betriebssicherheit bei thermisch besonders belasteten Lagern. Die erreichte Reduzierung der Lagertemperaturen ermöglicht eine Erhöhung der Lagerlast und einen geringeren Ölbedarf. Wirbelnuten wie die Miba Eddy Grooves können auch in vorhandene Lager eingebracht werden.“ Dipl.-Ing. Stephan Faulhaber, Technischer Leiter der Miba Industrial Bearings Germany 30 antriebstechnik 2021/11 www.antriebstechnik.de

KOMPONENTEN UND SOFTWARE Zur Reduktion der maximalen Lagertemperaturen ist es gängige Praxis, Merkmale wie seitlich offene Lagergehäuse in Verbindung mit gelenkter Schmierung sowie kupferhaltige Lagergrundmaterialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit einzusetzen. Reichen diese Ansätze nicht aus, können geometrische Anpassungen, wie eine Vergrößerung der Lagerbreite oder des Bohrungsdurchmessers in Erwägung gezogen werden. Aufgrund der durch solche Maßnahmen prinzipiell steigenden Ölbedarfe und Verlustleistungen sowie eines erhöhten Platzbedarfs des Lagers, sollten diese Maßnahmen jedoch nach Möglichkeit vermieden werden. Bei bestehenden Gehäusekonstruktionen sowie bei Problemen mit im Betrieb befindlichen Gleitlagern sind geometrische Änderungen häufig kaum durchführbar. WIRBELNUTEN UND LEISTUNGSVERBESSERUNG Wirbelnuten oder Eddy Grooves sind ein direkter Ansatz zur Reduktion der maximalen Ölfilm- und damit auch Lagertemperaturen: Das im Vergleich zur mittleren Schmierstofftemperatur deutlich erhöhte Temperaturniveau lagernaher Ölfilmbereiche entsteht durch Dissipation aufgrund hoher Scherraten im Schmierfilm, in Kombination mit geringen tangentialen Strömungsgeschwindigkeiten in Schalennähe und dem Vorhandensein einer laminaren Schmierspaltströmung in diesen Bereichen. Anders ausgedrückt entstehen hohe lokale Schmierfilm- und Lagertemperaturen durch den geringen Abtransport dissipierter Energie, bei geringer Wärmeleitfähigkeit des Schmieröls in Kombination mit niedrigen tangentialen und praktisch nicht vorhandenen radialen Geschwindigkeitskomponenten in der Strömung. Durch die gezielte Störung der laminaren Strömung mittels Nuten in der Lagerlauffläche, kann in definierten Bereichen ein laminar-turbulenter Strömungsumschlag angeregt werden. Die radialen Strömungskomponenten der Turbulenz wirken wie eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit des Ölfilms und verbessern dadurch den Wärmeaustausch zwischen wärmeren und kühleren Bereichen über der Schmierspalthöhe. Die sich daraus ergebende Reduktion der Maximaltemperaturen entspricht einer Erhöhung der Lagerleistungsgrenze, bei Erhaltung oder sogar Verbesserung der Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit und ohne Veränderungen der allgemeinen Lager- oder Gehäusekonstruktion. Ein ausführlicher Artikel über die Leistungsverbesserung durch Wirbelnuten wurde 2021 von Miba Industrial Bearings veröffentlicht. Die experimentelle Untersuchung wurde an einem 5-Kippsegment-Gleitlager mit einem Bohrungsdurchmesser von 120 mm in einem Geschwindigkeitsbereich von 50 - 110 m/s und einem Lastbereich von 0 - 4 MPa durchgeführt. Temperatursensoren direkt an der Gleitfläche ermöglichten eine zuverlässige Bestimmung der maximalen Lagertemperaturen. Im direkten Vergleich zwischen einem Lager mit herkömmlicher, glatter Lauffläche und demselben Lager, welches nach Abschluss der ersten Testreihe mit Wirbelnuten ausgestattet wurde, zeigte sich die erwartete deutliche Senkung der Laufflächentemperaturen. Bislang wurde die Wirbelnutentechnologie an Lagern mit Bohrungsdurchmessern von 120 und 500 mm experimentell verifiziert. Darüber hinaus wurde im Januar 2021 ein erstes Wirbelnuten-Kippsegmentlager mit Ø 60 mm bei dem Servicefall eines Getriebekompressors, bei dem erhöhte Lagertemperaturen zu Ölkohlebildung geführt hatten, als Ersatz für ein herkömmliches Lager eingesetzt. Die Maschine ist seitdem wieder in Betrieb. Die von Miba prognostizierte Reduktion der Lagertemperatur wurde vom Betreiber bestätigt und das ursprüngliche Temperaturproblem des Lagers behoben. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass „Miba Eddy Grooves“ insbesondere bei thermisch hochbelasteten Lagern, die nahe ihrer Leistungsgrenzen betrieben werden, zu einer Verbesserung der Betriebssicherheit führen können. Weitere Nutzungsmöglichkeiten der reduzierten Lagertemperaturen sind eine Erhöhung der Lagerlast, der Betrieb mit einer höheren Ölzuführtemperatur oder die Reduktion der Lagergröße, verbunden mit einem geringeren Ölbedarf und reduzierten Leistungsverlusten, während die Temperaturen auf einem akzeptablen Niveau gehalten werden. Zudem können Wirbelnuten, ohne praktisch relevante Auswirkungen auf die dynamischen Lagereigenschaften, auch in bereits vorhandene Lager eingebracht werden. Wirbelnuten oder Eddy Grooves verbessern den Wärmeaustausch des Schmierfilms in Gleitlagern und ermöglichen so eine verbesserte Leistung Fotos: Miba Industrial Bearings www.miba.com www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2021/11 31

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