Dynamische Eigenschaften von Gleitlagern in An- und Auslaufvorgängen

Gleitlager beeinflussen das Schwingungsverhalten von Rotoren maßgeblich. Ihre besonderen dynamischen Eigenschaften führen zu selbsterregten Schwingungen mit etwa der halben Drehfrequenz (Halbfrequenzwirbel oder Oil-Whirl), die an der Stabilitätsgrenze stark anwachsen (Oil-Whip) und im Hochlauf zum Hängenbleiben des Rotors an dieser Drehzahl führen. Unter Entwicklung großer translatorischer Rotorschwingungen kann der Rotor zudem im Hochlauf bei der Resonanzdurchfahrt verzögert oder gestoppt werden. Zur Untersuchung und Beschreibung dieser Phänomene werden in dieser Arbeit zunächst grundlegend die dynamischen Eigenschaften von Gleitlagern in instationären An- und Auslaufvorgängen betrachtet. Es wird nachgewiesen, dass die durch die Drehbeschleunigung des Rotors hervorgerufenen zusätzlichen Trägheitskräfte im Schmiermittel vernachlässigbar klein bleiben. Dazu werden diese Trägheitsterme analytisch hergeleitet und ihre Größe wird unter Voraussetzung realistischer Betriebszustände numerisch abgeschätzt und mit den kleinen Trägheitstermen, die bereits bei konstanten Drehzahlen auftreten und vernachlässigt werden, verglichen. Damit dürfen die für stationären Betrieb bekannten linearisierten Gleitlagersteifigkeiten und -dämpfungen auch für schnelle Hoch- oder Ausläufe verwendet werden. Die experimentelle Ermittlung der Gleitlagersteifigkeiten und -dämpfungen für ein Versuchsgleitlager sowohl im stationären Betrieb als auch in unterschiedlich schnellen Hochläufen bestätigt diese Schlussfolgerung. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wird das dynamische Verhalten eines starren Rotors in einem Gleitlager und zwei Magnetlagern entsprechend dem Aufbau des Versuchsstands für stationären und instationären Betrieb numerisch modelliert. Das Modell berücksichtigt auch das durch die Scherkräfte im Schmiermittel verursachte Bremsmoment des Gleitlagers. Die Berechnung dieses Gleitlagermomentes sowie der Gleitlagersteifigkeiten und -dämpfungen basiert auf der Lösung der REYNOLDS-Differentialgleichung für den Schmiermitteldruck für jeweils konstante Drehzahlen. Das numerische Modell wird insbesondere bezüglich der Resonanzdrehzahlen experimentell verifiziert. In ersten numerischen Simulationen werden zwei Mechanismen identifiziert, die zum Hängenbleiben eines gleitgelagerten Rotors im Hochlauf führen können: Zum einem wird Antriebsenergie durch das Gleitlagermoment aufgezehrt, zum anderen wird mit steigenden Rotorauslenkungen immer mehr Energie aus der Rotation in die translatorische Bewegung transferiert. Der erste Mechanismus wird auch experimentell nachgewiesen; der zweite spielt am Versuchsgleitlager nur eine unbedeutende Rolle.