Forschung im HLRN-Verbund 2011

152Systemspezifische Turbolader-SchmierfilmdissipationSystemspezifische Schmierfilmdissipation in den radialen und axialen Lagerstellenvon Abgasturboladern unter realen Betriebsbedingungen mit unterschiedlichenÖlzuführungsrandbedingungenJ. Seume, H. Rätz, Institut für Turbomaschinenund Fluid-Dynamik-TFD, Leibnitz Universität HannoverKurzgefasst• Der Gesamtwirkungsgrad thermischer Turbomaschinen,auch z.B. Abgasturboladern (ATL) wirdaufgeteilt in die Komponentenwirkungsgrade fürTurbine, Verdichter und den mechanischen Wirkungsgrad.• Die aerodynamischen Wirkungsgrade der Turbineund des Verdichters lassen sich hinreichendgenau aus thermodynamischen Messgrößen bestimmen.• Eine exakte Vorausberechnung der mechanischenVerluste ist zurzeit noch nicht möglich.Weiterhin ist die Aufteilung der in den Gleitstellender Rotorlagerung umgesetzten Verlustleistungnicht bekannt.• Es besteht erheblicher Forschungsbedarf, dazurzeit weder systemspezifische Einflüsse aufdas Reibungsverhalten der Rotorlagerung nochfür den Energieumsatz relevante Schmierfilmeffekteberücksichtigt werden können.• Bestimmung der strömungsbedingten Rotorkräfteals eine Randbedingung durch numerischeSimulationen (CFD) zur Ermittlung der Belastungskräftein den Lagerstellen.• Experimentelle Ermittlung der thermophysikalischenRandbedingungen an den Lagerstellendes Turboladers auf einem Turboladerprüfstandsowie Experimentelle Untersuchungender Schmierfilmdissipation zur Ermittlung vonDaten zur Validierung und Verifikation der neuentwickeltenBerechnungsverfahren.Thermische Turbomaschinen kleiner Bauweise,z.B. Abgasturbolader (ATL), müssen zum Erreicheneines guten Wirkungsgrades mit sehrhohen Drehzahlen betrieben werden. Die Rotorenwerden häufig, insbesondere bei hohenDrehzahlen, in Gleitlagern gelagert. Gleitlagerbesitzen gegenüber Wälzlagern aufgrund ihrerSteifigkeits- und Dämpfungseigenschaften einbesseres Stabilitätsverhalten, das bei Wälzlagernnur über aufwändige konstruktive Maßnahmen(z.B. Quetschöldämpfer) zu erreichen ist. Oberhalbeiner bestimmten Grenzdrehzahl, die von LagerundSystemparametern abhängt, werden die Rotoreninstabil, d.h. es kommt zu selbsterregtenSchwingungen, die zu einem Versagen des Systemsführen.Zum Erreichen des Forschungsziels sollentheoretische und experimentelle Untersuchungendurchgeführt werden. Hierzu ist eine detailliertetheoretische Prozessanalyse zur Formulierungneuer Systemrandbedingungen erforderlich.Mit den so entstehenden Berechnungsmodulenkönnen die maßgebenden Kennwerte der Lagerungwie z.B. die Schmierfilmdissipation ermitteltwerden. Mit den gewonnen Erkenntnissensoll ein geeignetes Nährungsverfahren abgeleitetwerden. Das Institut für Turbomaschinenund Fluid-Dynamik-TFD der Leibnitz UniversitätHannover liefert auf Basis numerischer Simulationen(CFD=Computational Fluid Dynamics,deutsch Numerische Strömungssimulation) zweierausgeführter Turbolader ein theoretisches Modellfür die Belastungskräfte der Lagerstellen. Zudemwerden am TFD eine experimentelle Prozessanalysezur genauen Bestimmung der thermophysikalischenRandbedingungen auf dem bestehendenHeißgasprüfstand, sowie Messungen zur Validierungund Verifikation der neuentwickelten Berechnungsalgorithmenauf einem geplanten, neuenPrüfstand durchgeführt.Das Ziel der numerischen Untersuchung istdie Berechnung der Rotorkräfte, die aufgrund derDruckgradienten des strömenden Fluids auf derRotoroberfläche hervorgerufen werden. Zu diesemZweck sind stationäre sowie instationäre Simulationennotwendig. Dabei erfordert insbesonderedie instationäre Simulation einen erhöhtenRechenaufwand. Zur optimalen Darstellung derStrömungsphänomene im Turbolader, ist eine hoheräumliche Auflösung des Rechengebiets erforderlich.Insbesondere die Strömungsuntersuchungin den Bauteilen Volute, Stator und Rotor desTurboladers erfordern eine ausreichend hoheAuflösung und damit sehr große Knotenanzahlen.Dabei hat die Auflösung der Grenzschichteinen großen Einfluss auf die Berechnung derStrömung. Die Netze der unterschiedlichen Geometrienbestehen jeweils aus etwa 6 bis 18Millionen Knoten. Die erforderliche Rechenleistungeiner instationären Simulation ist im Gegensatzzu einer stationären Simulation um einVielfaches höher. Eine hohe Stabilität der instationärenRechnungen und die Unabhängigkeit vomIngenieurwissenschaften