Berechnung des diabaten Betriebsverhaltens der Axial- und Radialgleitlager eines Abgasturboladers

Berechnung des diabaten Betriebsverhaltens der Axial- und Radialgleitlager eines Abgasturboladers von Zeh,  Christopher
Die Gleitlagerung im Turbolader beeinflusst entscheidend Effizienz und Leistung des gesamten Motorprozesses. Die Lagerkennwerte sind von den Betriebsparametern des Turboladers abhängig und die Kenntnis der thermischen Randbedingungen, insbesondere der Rotor- und Gehäusetemperatur, wesentliche Voraussetzung in der Modellierung des diabaten Verhaltens der Gleitlager. Um thermische Wechselwirkung gleitgelagerter Radial- und Axiallagerstellen im Abgasturbolader mit der Systemumgebung unter realen Betriebsbedingungen zu untersuchen wurden bestehende Gleitlagerlagerberechnungsmodule auf Basis der Reynoldsgleichung umfangreich erweitert und bidirektional mit einem numerischen Modell eines Turboladers gekoppelt. Die Auflösung der Prozesswärmeströme im Abgasturbolader ermöglichte dabei die Auflösung der bisher unbekannten thermischen Randbedingungen an den Lagerstellen. Die Validierung des numerischen Gesamtmodells erfolgte durch experimentelle Untersuchungen eines instrumentierten Abgasturboladers auf einem Heißgasprüfstand. Für die untersuchten Betriebspunkte konnte eine gute Übereinstimmung gemessener und berechneter Gehäuse- und Lagertemperaturen, sowie Schwimmbuchsendrehzahlen und Verlustleistungen nachgewiesen werden. Die an den Lagerstellen übertragene Wärme weist sowohl eine Drehzahl-, als auch eine Lastabhängigkeit auf, wobei die Richtung der Wärmeströme lokal variiert. Dabei führen die Lagerstellen bei niedrigen Drehzahlen und geringen Lagerlasten Wärme ab und tragen somit zur Kühlung des Abgasturboladers bei. Die thermische Berücksichtigung der Lagerstellen induziert des Weiteren vor allem im Rotor durch Zu- und Abfuhr von Wärme einen komplexen Wärmestrompfad, was im Vergleich mit einer adiabaten Rotorbetrachtung zu erheblichen Temperaturunterschieden führt.
Aktualisiert: 2020-08-17
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Einfluss äußerer Lasten auf das Stabilitätsverhalten von Gleitlagerungen eines PKW-Abgasturboladers

Einfluss äußerer Lasten auf das Stabilitätsverhalten von Gleitlagerungen eines PKW-Abgasturboladers von Li,  Shuo
Um Turbolader bei extremen Betriebsbedingungen wie hohen Abgastemperaturen und Drehzahlen stabil und ohne akustische Auffälligkeit betreiben zu können, haben sich im praktischen Einsatz hydrodynamische Schwimmbuchsenlager und Axiallager etabliert. Die komplexe hydro- und rotordynamische Auslegung und Optimierung der Lagerung des Turboladers in einer frühen Entwicklungsphase soll durch den Einsatz rechnergestützter Simulationstechniken mit reduziertem Aufwand durchgeführt werden. Dazu wird in der vorliegenden Arbeit ein rotordynamisches Turbolader-Modell (RoDyS) entwickelt und die Schwimmbuchsen- und Axiallagerung jeweils mit einem analytischen Ansatz für die Hydrodynamik abgebildet. Neben einer zwingend notwendigen hohen Aussagesicherheit steht auch die numerische Effizienz der Simulation im Vordergrund, so dass das Berechnungswerkzeug im industriellen Umfeld eingesetzt werden kann. Anhand der am Prüfstand ermittelten Daten wird das erstellte Modell RoDyS validiert und dabei die Grenzen der Modellierung aufgezeigt. Anschließend sind mit dem Simulationswerkzeug Untersuchungen durchgeführt worden, um die Einflüsse der Strömungskräfte und Unwuchten auf das Stabilitätsverhalten der Gleitlagerungen des Turboladers zu analysieren. Dabei wird eine quasi-nichtlineare Modalanalyse vorgestellt, mit deren Hilfe eine Gesamtbetrachtung der stationären und instationären Analyse des rotordynamischen Verhaltens möglich ist. Auswirkungen der radialen und axialen Strömungskräfte auf den Rotor des Turboladers lassen sich auch in Versuchen an der Brennkammer beobachten. Hierbei werden die selbsterregten subsynchronen Schwingungen zunehmend von äußeren Lasten dominiert.Des Weiteren erlaubt die Studie, eine Empfehlung bereits in der Auslegungsphase des Turboladers zu geben.
Aktualisiert: 2019-12-12
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