Gleitlagertechnik: Mit Wirbelnuten effizient die Leistung steigern

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Die Anforderungen an Kippsegment-Radiallager, die vorzugsweise in Turbokompressoren, Getrieben, Gas- und Dampfturbinen eingesetzt werden, sind hoch. So genannte Wirbelnuten können die Leistungsfähigkeit dieser Gleitlager erheblich steigern, ohne deren Lagerfunktionalität und Betriebssicherheit zu beeinträchtigen.

Gleitlagertechnik optimieren: Die Leistungsgrenzen konventioneller Gleitlager können in Turbomaschinenanwendungen aus unterschiedlichen Gründen erreicht oder auch, entgegen ihrer ursprünglichen Auslegung, überschritten werden. Ein Ansatz, um die traditionellen Betriebsgrenzen zu überwinden, ist die Reduktion der maximalen Lager- und Ölfilmtemperaturen.

Der Schmierstoff in der Gleitlagertechnik

Unter der Annahme, dass eine für den sicheren und zuverlässigen Betrieb von Gleitlagern ausreichende Schmierfilmdicke, die im Wesentlichen von der auftretenden Belastung, der Gleitgeschwindigkeit und dem gewählten Schmierstoff abhängt, vorhanden ist, sind die lokalen Maximaltemperaturen der entscheidende, leistungsbegrenzende Parameter. Der Schlüssel zu einer verbesserten Lagerleistung liegt in einem Lagerkonzept, das auch bei hohen Drehzahlen und Belastungen eine übermäßige Erwärmung bestimmter Lagerbereiche sowie des Ölfilms verhindert.

Herkömmliche Maßnahmen reichen oft nicht aus

Zur Reduktion der maximalen Lagertemperaturen ist es gängige Praxis, Merkmale wie seitlich offene Lagergehäuse in Verbindung mit gelenkter Schmierung sowie kupferhaltige Lagergrundmaterialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit einzusetzen. Reichen diese Ansätze nicht aus, können geometrische Anpassungen, wie eine Vergrößerung der Lagerbreite oder des Bohrungsdurchmessers in Erwägung gezogen werden, welche auf eine Reduktion der spezifischen Lagerlasten zielen. Aufgrund der durch solche Maßnahmen prinzipiell steigenden Ölbedarfe und Verlustleistungen sowie eines erhöhten Platzbedarfs des Lagers, sollten diese Maßnahmen jedoch nach Möglichkeit vermieden werden. Bei bestehenden Gehäusekonstruktionen sowie bei Problemen mit im Betrieb befindlichen Gleitlagern lassen sich solche geometrischen Änderungen häufig nicht durchführen.

So funktionieren Wirbelnuten

Wirbelnuten (oder Eddy Grooves) sind ein direkter Ansatz zur Reduktion der maximalen Ölfilm- und damit auch Lagertemperaturen: Das im Vergleich zur mittleren Schmierstofftemperatur deutlich erhöhte Temperaturniveau lagernaher Ölfilmbereiche entsteht durch Dissipation aufgrund hoher Scherraten im Schmierfilm, in Kombination mit geringen tangentialen Strömungsgeschwindigkeiten in Schalennähe und dem Vorhandensein einer laminaren Schmierspaltströmung in diesen Bereichen.

Anders ausgedrückt entstehen hohe lokale Schmierfilm- und Lagertemperaturen durch den geringen Abtransport dissipierter Energie, aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit des Schmieröls in Kombination mit niedrigen tangentialen und praktisch nicht vorhandenen radialen Geschwindigkeitskomponenten in der Strömung.

Durch die gezielte Störung der laminaren Strömung mittels Nuten in der Lagerlauffläche, kann in definierten Bereichen ein laminar-turbulenter Strömungsumschlag angeregt werden. Die radialen Strömungskomponenten der Turbulenz wirken wie eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit des Ölfilms und verbessern dadurch den Wärmeaustausch zwischen wärmeren und kühleren Bereichen über der Schmierspalthöhe. Die sich daraus ergebende Reduktion der Maximaltemperaturen entspricht einer Erhöhung der Lagerleistungsgrenze, bei Erhaltung oder sogar Verbesserung der Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit und ohne Veränderungen der allgemeinen ­Lager- oder Gehäusekonstruktion.

Wirbelnuten im Experiment…

Ein ausführlicher Artikel über die Leistungsverbesserung durch Wirbelnuten wurde 2021 von Miba Industrial Bearings in der Fachzeitschrift „Lubricants“ veröffentlicht. Die experimentelle Untersuchung wurde an einem 5-Kippsegment-Gleitlager mit einem Bohrungsdurchmesser von 120 Millimetern in einem Geschwindigkeitsbereich von 50 bis 110 m/s und einem Lastbereich von 0 bis 4 MPa durchgeführt. Temperatursensoren direkt an der Gleitfläche ermöglichten eine zuverlässige Bestimmung der maximalen Lagertemperaturen. Im direkten Vergleich zwischen einem Lager mit herkömmlicher, glatter Lauffläche und demselben Lager, welches nach Abschluss der ersten Testreihe mit Wirbelnuten ausgestattet wurde, zeigte sich die erwartete deutliche Senkung der Laufflächentemperaturen.

… und in der Praxis

Bislang wurde die Wirbelnutentechnologie an Lagern mit Bohrungsdurchmessern von 120 und 500 Millimetern experimentell verifiziert. Darüber hinaus wurde im Januar 2021 ein erstes Wirbelnuten-Kippsegmentlager mit einem Durchmesser von 60 Millimetern beim Servicefall eines Getriebekompressors, bei dem erhöhte Lagertemperaturen zu Ölkohlebildung geführt hatten, als Ersatz für ein herkömmliches Lager eingesetzt. Die Maschine ist seitdem wieder in Betrieb. Die von Miba prognostizierte Reduktion der Lagertemperatur wurde vom Betreiber bestätigt und das ursprüngliche Temperaturproblem des Lagers behoben.

Gleitlagertechnik: Verbesserung der Betriebssicherheit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass „Miba Eddy Grooves“ insbesondere bei thermisch hochbelasteten Lagern, die nah an ihren Leistungsgrenzen betrieben werden, zu einer Verbesserung der Betriebssicherheit führen können. Weitere Nutzungsmöglichkeiten der reduzierten Lagertemperaturen sind eine Erhöhung der Lagerlast, der Betrieb mit einer höheren Ölzuführtemperatur oder die Reduktion der Lagergröße, verbunden mit einem geringeren Ölbedarf und reduzierten Leistungsverlusten, während die Temperaturen auf einem akzeptablen Niveau gehalten werden. Zudem können Wirbelnuten auch in bereits vorhandene Lager eingebracht werden und haben nur sehr geringe Auswirkungen auf die dynamischen Lagereigenschaften, so dass sich diese Technologie (Gleitlagertechnik) auch für zeitkritische Servicefälle anbietet.

Der Autor Dipl.-Ing. Stephan Faulhaber ist Technischer Leiter bei Miba Industrial Bearings Germany, Autor Dipl.-Ing. Eckhard Schüler ist Senior R&D Engineer bei Miba Industrial Bearings Germany.

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