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2025 | Buch

Aktives Folienlager mit nachgiebigem Lagerträger und piezokeramischen Patchaktuatoren

verfasst von: Hannes Schmiedeke

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Buchreihe : Mechanics and Adaptronics

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Über dieses Buch

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.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
Kapitel 1. Einleitung
Zusammenfassung
Dieses Kapitel leitet die Diskussion eines aktiven Folienlagers mit piezokeramischen Patchaktuatoren ein. Folienlager sind luftgeschmierte Gleitlager, die aufgrund einer nachgiebigen Federstruktur in ihrem Inneren die thermisch- und fliehkraftbedingte Expansion der Welle im Betrieb kompensieren können. Dies erlaubt gegenüber ölgeschmierten Lagern deutlich größere Drehzahlen bei geringerer Reibung. Nachteilig sind hingegen die vergleichsweise kleine Dämpfung und die hohe Abhebedrehzahl. Deshalb werden Konzepte aktiver Folienlager mit Stellkomponenten erforscht. So sollen die Optimierungsziele einer niedrigen Abhebedrehzahl und stabile Betriebseigenschaften bei hoher Drehzahl gleichzeitig erreicht werden. Im Rahmen der hier vorliegenden Arbeit wird experimentell geprüft, welche Eigenschaften aktiver Folienlager mit Patchaktuatoren praktisch erzielbar sind.
Hannes Schmiedeke
Kapitel 2. Folienlager – Stand des Wissens
Zusammenfassung
In diesem Kapitel geht es um die geschichtlichen und technischen Hintergründe von Folienlagern. Diese werden seit rund 60 Jahren immer häufiger erforscht und eingesetzt. Vor allem der reibungsarme Betrieb und der Verzicht auf Peripherie bietet große Vorteile. Nachteilig sind gegenüber klassischen, ölgeschmierten Lagern hingegen die geringere Dämpfung und auch die hohe Abhebedrehzahl. Der Betriebsbereich selbst erstreckt sich von der Abhebedrehzahl bis hin zu der sogenannten Stabilitätsgrenze, ab der selbstinduzierte Wellenschwingungen und Störungen nicht mehr ausreichend abgebaut werden können. Je nach Lagerbauform und -generation liegen diese Grenzen bei anderen Drehzahlen. Jedes in Abschn. 2.2.4 vorgestellte Konzept verändert zur Vergrößerung des Betriebsbereiches die Gehäusebohrung, weist aber im Vergleich mit den anderen mindestens einen funktionellen Vorteil auf. Bedauerlicherweise ist eine quantitative Gegenüberstellung kaum möglich, da sich die Prototypen sowohl in der Lagergeneration als auch in den Dimensionen unterscheiden.
Hannes Schmiedeke
Kapitel 3. Motivation und Forschungsfragestellung
Zusammenfassung
In diesem Kapitel wird die Forschungshypothese vorgestellt und präzisiert. Dies geschiehtüber das Ableiten von Teilfragestellungen, nach denen auch die Kapitel dieses Buches untergliedert sind. Dem Leser wird so vorab die Bedeutung der einzelnen Untersuchungsschwerpunkte im Gesamtkontext vorgestellt, um die inhaltlichen Überlappungen und VerknÏpfungen hervorzuheben.
Hannes Schmiedeke
Kapitel 4. Bestandteile des formvariablen Folienlagers
Zusammenfassung
In diesem Kapitel wird das aktive Lager in Unterkomponenten untergliedert. Das zentrale Element ist dabei die Folienstruktur. Sie definiert über ihre Geometrie und ihre Materialeigenschaften neben der Lagersteifigkeit und -dämpfung auch das Lagerspiel und den Preload. Die Herstellung ist trotz gut publizierter Fertigungsverfahren mit großen Fertigungsabweichungen verbunden. Bereits verhältnismäßig kleine Veränderungen verstimmen das Anfahrverhalten signifikant und erschweren eine Unterscheidung der im aktiven Lager angedachten Schaltformen. Dennoch zeigen rotordynamische Untersuchungen grundsätzlich die erwarteten Eigenschaftsänderungen. Eine wesentliche Neuerung des aktiven Folienlagers ist der mit Aktuatoren ausgestattete Lagerträger. Durch diesen ändern sich sowohl die Betriebseigenschaften als auch die Form- und Lagetoleranzen der Gesamtbaugruppe Lager. Die wesentliche Herausforderung liegt dabei in der Nachgiebigkeit des Lagerträgers, der bereits bei geringen externen Lasten (z. B. Wellengewicht) stark verformt wird.
Hannes Schmiedeke
Kapitel 5. Funktionsvermögen des formvariablen Folienlagers
Zusammenfassung
Dieses Kapitel beschreibt die Untersuchungen am aktiv geschalteten Lager und beginnt mit einer Fokussierung auf den frei aufgehängten Lagerträger ohne Lageraußenring. Dabei zeigen sich große Schaltunterschiede von bis zu 20 % zwischen den Segmenten. Diese gehen einerseits auf herstellerseitige Streuungen, andererseits auf die bei der Applikation in den Aktuatoren verursachten Brüche zurück. Die Aktuatoren sind demnach zwar zur Überprüfung der Hypothese geeignet, jedoch bei gleichen Randbedingungen nicht für die nächste Entwicklungsstufe des Lagers zu empfehlen. Die zunächst ausreichend große aktive Krümmungsänderung des Lagerträgers, wird nach Montage des Lagers aus dem Lagerträger den Bump-Folien, den Lauffolien und der Welle so klein, dass sie nur noch etwa ein Viertel der benötigten Größe beträgt. Ein Umschalten in der beabsichtigten Weise ist damit nicht möglich. Dies geht hauptsächlich auf Verformungswiderstände zurück, die bei der Konzepterstellung vernachlässigt wurden.
Hannes Schmiedeke
Kapitel 6. Diskussion verschiedener Optimierungsansätze
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden mögliche Verbesserungsvorschläge für die bisher identifizierten Probleme vorgestellt und anhand von Überschlagsrechnungen bewertet. Betrachtet werden sowohl Anschläge unterhalb des Lagerträgers, um die Nachgiebigkeit zu reduzieren als auch eine Anpassung der Wandstärke des Lagerträgers auf über einen Millimeter. Letzteres stellt tatsächlich eine sinnvolle Lösung dar, erfordert jedoch eine Neuauslegung der Aktuatoren. Diese müssen größere Biegewiderstände überwinden und sich durch eine Vergrößerung der Hebelarme stärker dehnen. Industriell verfügbare piezokeramische Patchaktuatoren eignen sich nicht, weshalb eine Neuentwicklung diskutiert wird. Dies beinhaltet Überlegungen zum piezokeramischen Grundwerkstoff, der Applikation von Elektroden und damit einhergehend auch der Betriebssicherheit beim Anlegen der notwendigen, hohen elektrischen Spannungen.
Hannes Schmiedeke
Kapitel 7. Zusammenfassung
Zusammenfassung
Das letzte Kapitel fast die bisherigen Untersuchungsschwerpunkte und Erkenntnisse zusammen und beinhaltet die abschließende Beurteilung der zuvor aufgestellten Forschungshypothese bezüglich ihrer Anwendbarkeit. Grundsätzlich ist ein Lager mit aktiv schaltbarer Kontur sowohl in der Theorie als auch in der praktischen Erprobung mit einer Aufweitung der Betriebsgrenzen verknüpft. Die Eigenschaften werden jedoch trotz des Einsatzes bestmöglicher Fertigungsverfahren hochgradig durch die Formabweichungen aller Komponenten beeinflusst. Dies gilt insbesondere für den dünnen Lagerträger. Dieser ist zudem so nachgiebig, dass baugrößentypische Randbedingungen eine Funktion des aktiven Lagers blockieren und dass das generelle Funktionsvermögen des Lagers stark reduziert wird. Ein aktives Lager müsste demnach steifer ausgeführt werden, wofür eine Substitution der piezokeramischen Patchaktuatoren notwendig wird.
Hannes Schmiedeke
Backmatter
Metadaten
Titel
Aktives Folienlager mit nachgiebigem Lagerträger und piezokeramischen Patchaktuatoren
verfasst von
Hannes Schmiedeke
Copyright-Jahr
2025
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-70095-2
Print ISBN
978-3-662-70094-5
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-70095-2

    Marktübersichten

    Die im Laufe eines Jahres in der „adhäsion“ veröffentlichten Marktübersichten helfen Anwendern verschiedenster Branchen, sich einen gezielten Überblick über Lieferantenangebote zu verschaffen.