Entwicklung eines Simulationsmodells für radiale Bump-Type-Folienlager in der Anwendung von Turboladern

In schnelllaufenden Turbomaschinen gewinnen ölfreie Lagerkonzepte wie Bump-Type-Folienlager (BTF-Lager) aufgrund von Anforderungen an Nachhaltigkeit undWartungsfreiheit zunehmend an Bedeutung. Diese nutzen Luft als Schmiermittel, wodurch vor allem Reibung reduziert wird, jedoch gleichzeitig die Tragfähigkeit sinkt. Durch Einführung elastischer Komponenten (Top- und Bump-Folie), welche eine Anpassung des Luftspalts an die Druckentwicklung ermöglichen, kann dieser Nachteil kompensiert werden. Das Ziel des vorliegenden Beitrags ist dabei die Beschreibung der Vorgehensweise zur transienten Simulation von Rotoren mit BTF-Lagern, wobei vor allem das Schwingungsverhalten der Rotoren prädiktiert werden soll. Der luftgefüllte Lagerspalt wird über die zeitabhängige Reynoldsgleichung für ideale Gase beschrieben, mittels Finite-Volumen-Methode (FVM) diskretisiert und anschließend iterativ gelöst. Die Foliendeformation wird durch eine Modellierung der Top- und Bump-Folie mit Schalenelementen (Nutzung der Finiten-Elemente-Methode - FEM) beschrieben. Die gekoppelten Teilmodelle werden abschließend zu einem mechanisch-aerodynamischen Kraftelement zusammengeführt, das flexibel sowohl in Rotordynamik- als auch Lagersimulationsumgebungen eingesetzt werden kann.