Frequenzabhängigkeit der Steifigkeits- und Dämpfungskoeffizienten schnelllaufender Gleitlager

Zemella, Philipp

doi:10.21268/20230403-2

published

Frequenzabhängigkeit der Steifigkeits- und Dämpfungskoeffizienten schnelllaufender Gleitlager

German
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Die dynamischen Koeffizienten von Gleitlagern sind stark drehzahl- und lastabhängig. Für Kippsegmentlager zeigt die Gleitlagertheorie bei konstanten Randbedingungen frequenzabhängige dynamische Lagerkoeffizienten im KC-Modell. Bisherige theoretische Untersuchungen zur Frequenzabhängigkeit dynamischer Koeffizienten von Kippsegmentlagern erfolgen zumeist unter abweichenden Randbedingungen und Modelltiefen. Eine einheitliche Beschreibung eines frequenzabhängigen dynamischen Lagerverhaltens in einem Gleitlagerberechnungsprogramm ist nicht vorhanden. Die für die Validierung der Lagermodelle notwendigen Messungen stellen aufgrund ihrer Komplexität hohe Anforderungen an den Prüfaufbau. Dokumentierte Untersuchungen zeigen daher mitunter widersprüchliche Ergebnisse in Bezug auf die theoretischen Lagermodelle und zwischen den durchgeführten Versuchen. Durch Experimente gesichert ist der Einfluss der Strukturelastizität auf die dynamischen Koeffizienten. In Bezug auf den theoretisch vorhandenen Effekt des Schmierfilms fehlt jedoch ein experimenteller Nachweis für die Frequenzabhängigkeit der dynamischen Koeffizienten bei Kippsegmentlagern. In der vorliegenden Arbeit wurden zunächst die in der Literatur beschriebenen Modelle zur dynamischen Beschreibung von Kippseg- mentlagern aufbereitet und in das Gleitlagerberechnungsprogramm Combros R integriert. Im erweiterten Kippsegmentlagermodell werden bei der Berechnung der dynamischen Lagerkoeffizienten Segmentträgheiten und –massen berücksichtigt. Die daraus resultierenden Effekte auf das Rotor-Lager-System können somit in Rotordynamikanalysen einfließen. Im Mittelpunkt der Arbeit steht der experimentelle Nachweis der aus dem Schmierfilm resultierenden frequenzabhängigen Steifigkeits- und Dämpfungskoeffizienten. Hierzu wurden zwei Prüflagerkonfigurationen ausgewählt, die sich in Bezug auf die Frequenzabhängigkeit der dynamischen Koeffizienten stark unterscheiden. Sämtliche Elastizitäten, die sich außerhalb des Schmierfilms befinden und bekanntermaßen einen starken Einfluss auf die Lagerkoeffizienten besitzen, wurden in separaten Experimenten erfasst. Die Auswertung der Koeffizienten im KC-Modell zeigt gute Übereinstimmungen zwischen den Ergebnissen des erweiterten Kippsegmentlagermodells und den experimentell ermittelten Steifigkeits- und Dämpfungskoeffizienten. Zudem zeigen die experimentellen Ergebnisse ein klares Indiz für den theoretisch vorhergesagten Frequenzeinfluss der cdes Schmierfilms im KC-Modell. Abschließende Untersuchungen zu den Auswirkungen der Segmentträgheiten und –massen mit dem erweiterten Lagermodell auf das Rotor-Lager-System zeigen in Übereinstimmung mit bisherigen Literaturergebnissen zusätzliche Eigenwerte und einen geringeren Sicherheitsabstand zu kritischen Drehzahlen.

The dynamic coefficients of journal bearings are strongly speed and load dependent. For tilting pad bearings, the journal bearing theory shows frequency-dependent dynamic bearing coefficients in the KC model under constant boundary conditions. Previous theoretical investigations on the frequency dependence of dynamic coefficients of tilting pad bearings are mostly carried out under different boundary conditions and model details. A consistent description of a frequency-dependent dynamic bearing behavior in a journal bearing calculation program is not available. Due to their complexity, the measurements required for the validation of the bearing models place high demands on the test setup. Documented investigations therefore sometimes show contradictory results with respect to the theoretical bearing models as well as between the performed tests. The influence of structural elasticity on the dynamic coefficients has been confirmed by experiments. However, with respect to the theoretically existing effect of the lubricating film, experimental evidence for the frequency dependence of the dynamic coefficients in tilting pad bearings is missing. In the present work, the models described in the literature for the dynamic description of tilting pad bearings were first prepared and integrated into the Combros R journal bearing calculation program. In the extended tilting pad bearing model, pad inertias and masses are taken into account when calculating the dynamic bearing coefficients. The resulting effects on the rotor-bearing system can thus be incorporated into rotor dynamics analyses. The focus of the work is the experimental verification of the frequency-dependent stiffness and damping coefficients resulting from the lubricant film. For this purpose, two test bearing configurations were selected that differ greatly in respect to the frequency dependence of the dynamic coefficients. All elasticities, which are located outside the lubricating film and are known to have a strong influence on the bearing coefficients, were captured in separate experiments. The evaluation of the coefficients in the KC agree with the results of the extended tilting pad bearing model and the experimentally determined stiffness and damping coefficients. Moreover, the experimental results show a clear indication of the theoretically predicted frequency influence of the stiffness and damping coefficients of the lubricating film in the KC model. Final investigations on the effects of pad inertias and masses with the extended bearing model on the rotor-bearing system are in agreement with previous literature results and show additional eigenvalues and a lower safety margin to critical speeds.