Squeezefilmdamper

Experiment und Simulation für die Auslegung moderner Rotorsysteme

Projektlaufzeit: 06.2021 bis 12.2025

Quetschfilmdämpfer (Squeeze Film Damper, SFD) reduzieren Schwingungen in rotierenden Maschinen und sind insbesondere für die Lagerung moderner Flugtriebwerke von großer Bedeutung. Ein dünner Ölfilm liegt zwischen dem gegen Verdrehen gesicherten Außenring eines Wälzlagers und dem umgebenden Gehäuse. Bewegt sich das Lager relativ zum Gehäuse, entsteht im Schmierfilm ein hydrodynamischer Druck. Dadurch wird Schwingungsenergie aufgenommen, Resonanzamplituden werden begrenzt und die Betriebssicherheit des Rotorsystems steigt. Die zugrunde liegenden Kräfte sind jedoch stark nichtlinear und werden unter anderem von Exzentrizität, Kavitations- und Trägheitseffekten, Temperatur, Ölzufuhr, Nuten und Dichtungen beeinflusst.

Abb. 1: Funktionsprinzip eines Quetschfilmdämpfers: Der Ölfilm zwischen Lagerung und Gehäuse erzeugt bei Relativbewegung dämpfende hydrodynamische Kräfte.

Am Lehrstuhl Maschinenelemente und Tribologie des Instituts für Antriebs- und Fahrzeugtechnik (iaf-mt) der Universität Kassel wurde deshalb ein modularer SFD-Prüfstand entwickelt. Sein Kern ist eine präzise geregelte Wellenbewegung: Zwei orthogonal angeordnete elektromagnetische Shaker erzeugen definierte kreisförmige oder elliptische Bahnen. Bahnform, Frequenz, Amplitude und Phasenlage lassen sich im geschlossenen Regelkreis einstellen; sowohl zentrische als auch gezielt exzentrische, stationäre und transiente Betriebspunkte sind möglich. Der Arbeitsbereich reicht - abhängig von der bewegten Masse - bis 500 Hz und zu relativen Exzentrizitäten von 0,9.

Abb. 2: CAD-Gesamtansicht des modularen SFD-Prüfstands mit zwei orthogonal angeordneten elektromagnetischen Shakern.

Der Prüfstand ist für unterschiedliche Geometrien und Randbedingungen ausgelegt. Austauschbare Gehäuse- und Wellengeometrien erlauben variable Spalthöhen, Ölzuführungen mit oder ohne Umfangsnut sowie Abdichtungen mit Kolbenringen. Zwei geometrisch ähnliche Prüflingsgrößen ermöglichen Skalierungsvergleiche unter reproduzierbaren Bedingungen.

Abb. 3: Die geometrisch ähnlichen Prüflingsgrößen mit kleinem und großem Durchmesser ermöglichen Skalierungsvergleiche unter reproduzierbaren Bedingungen.

Eine zeitlich synchronisierte Messkette erfasst Weg, Kraft, Beschleunigung, Druck, Temperatur und Volumenstrom. Aus den gemessenen Gesamtkräften werden die experimentell bestimmten Trägheitsanteile der bewegten Bauteile herausgerechnet, sodass die hydrodynamischen Kräfte des Ölfilms isoliert ausgewertet werden können. Drucksensoren im Schmierfilm sowie ein dichtes Netz von Temperatursensoren an Welle und Gehäuse liefern zusätzlich ortsaufgelöste Daten. Daraus lassen sich Temperaturfelder, thermische Verformungen und das im Betrieb wirksame Warmspiel rekonstruieren.

Abb. 4: Der aufgebaute und in Betrieb genommene SFD-Prüfstand am Lehrstuhl Maschinenelemente und Tribologie.

Parallel zum Versuch entstand die institutseigene, modular aufgebaute Simulationssoftware für anspruchsvolle rotordynamische Anwendungen. Um kurze Rechenzeiten zu erreichen, bildet sie den dünnen Schmierfilm auf einem zweidimensionalen Finite-Elemente-Netz ab. Die erweiterte Reynoldssche Differentialgleichung liefert Druckverteilung, hydrodynamische Kräfte und Ölströme. Das Modell berücksichtigt masseerhaltende Kavitation, lokale und konvektive Trägheit, Zuführströmungen sowie die temperaturabhängige Viskosität. Energiegleichungen für Fluid und angrenzende Bauteile sind gekoppelt, sodass auch der Wärmeaustausch zwischen Öl, Welle und Gehäuse erfasst wird. Die Software lässt sich in bestehende Rotordynamik-Simulationsumgebungen integrieren.

Messung und Simulation wurden für verschiedene Betriebspunkte und zwei Dämpfergrößen verglichen. Für Konfigurationen ohne Umfangsnut und Kolbenringe zeigt sich über weite Bereiche eine gute Übereinstimmung von Kräften und lokalen Drücken. Bei hohen Exzentrizitäten wächst die Unsicherheit, weil bereits Abweichungen des Warmspiels im Mikrometerbereich die Kräfte deutlich verändern. Untersuchungen mit Umfangsnuten und Kolbenringen zeigen zugleich, wo dreidimensionale Trägheits- und Dichtungseffekte künftig noch genauer modelliert werden müssen.