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Fliehkraftbedingte Aufweitungen und Verzerrungen der nur wenige Mikrometer großen Lagerspalte sowie strömungsdynamische Instabilitäten wie der des Halbfrequenzwirbels sind heutige physikalische Grenzen gasgeschmierter Lagerungen für hohe Drehfrequenzen. Neben der Entwicklung neuartiger, inhomogener Materialien wie zum Beispiel Verbunde, sind Verkleinerungen der Flugkreise aktuelle Lösungsstrategien dieser Problematiken. Die Entwicklung, Realisierung und experimentelle Untersuchung eines hochfrequenten Lagersystems konventioneller Baugröße, unter Verwendung ordinärer, homogener Materialien ist Ziel vorliegender Arbeit. Die Ausarbeitung einer Idee für drehfrequenzunabhängige fliehkraftinvariante Lagerspalte überführt die Problematik der Fliehkraftaufweitung zur alleinigen Grenze der maximal verträglichen Spannung des Rotormaterials unter Fliehkraft. Sowohl die Größe als auch die Kreuzkoppelungen von Kreiselmomenten, die in einer der Störung unterschiedlichen Richtung ihrer Antworten resultieren, sind durch isotrope Gesamtauslegung der Lagerspaltcharakteristika und der Rotorträgheitsmomente auf das mögliche Minimum zu reduzieren. Hierfür sollen sich Lagerkräfte um den isotropen Mittelpunkt, der auch gleichzeitig der Massenmittelpunkt des Rotors darstellt, gegeneinander auslöschen. Analytische Untersuchungen der resultierenden Eigenfrequenzen des Lagersystems gaben Rückschlüsse auf mögliche, eigenfrequenzgebundene Instabilitäten über dem Drehfrequenzbereich. Durch eine vorgeschaltete Steifigkeit vor das Lagersystem konnten diese Eigenfrequenzen derart nach oben transformiert werden, daß solche Instabilitäten auszuschließen sind. Da als dynamisch arbeitendes, gasgeschmiertes Lager konzipiert wurde, bis zum Erreichen der Levitationsdrehfrequenz, eine statisch arbeitende, gasgeschmierte Anlaufhilfe in das dynamisch arbeitende System integriert. Zur Erfassung der Rotorlage und –dynamik im Betrieb wurde ein optischer „low-cost“ Sensor mit der der Optik eines handelsüblichen CD-Roms entwickelt. Mit fünf dieser Sensoren und einer eigens hierfür entwickelten Auswerteelektronik konnte die Rotordynamik bis zu einer Drehfrequenz von 3 kHz und mit bis zu 90.000 Signalen pro Sekunde sicher erfaßt werden. Die entwickelte Software war, in Verbindung mit den gelieferten Abstandsinformationen der digitalen Meßwertelektronik, in der Lage das System nach Parametrierung autonom so zu steuern und zu regeln, daß der vorgegebene Nennlagerspalt und die vorgegebene Drehfrequenz stets eingehalten werden konnte. Die experimentellen Ergebnisse spiegelten eindeutig die analytisch verfolgten Ziele der fliehkraftinvarianten, isotropen und eigenfrequenzoptimierten Gestaltung wieder und bilden in analytischer Auslegung, rotordynamischer Behandlung und Eigenfrequenzbeeinflussung neue Grundlagen für hochfrequent drehende, gasgeschmierte Lagersysteme, die zum Teil auch auf Wälzlagerungen übertragbar sind.
Die vorliegende Arbeit soll einen Beitrag dazu leisten, die Verwendung der Entlastungspartie als mediumgeschmiertes Radiallager zu untersuchen. Die damit entfallende Abdichtung zur Umgebung und eine insgesamt kürzere Pumpenwelle würde das rotordynamische Verhalten von mehrstufigen Gliederpumpen erheblich verbessern. Deshalb wird das Schwingungsverhalten einer mehrstufigen Gliederpumpe untersucht, indem verschiedene Standard-Profilierungen des zentralen Entlastungskolbens miteinander verglichen werden. Davon ausgehend wird eine Entlastung mit Injektion realisiert, die die Funktion eines Hybridlagers übernimmt, damit die Lagereigenschaften optimiert und der Einfluss des langen Drosselspaltes auf die Rotordynamik dargestellt werden kann. Als Hybridlager wird der Einfachkolben als zentrale Entlastung ausgewählt. Analog zu Gleitlagern wird eine glatte Spaltoberfläche realisiert, wenn in diesen Spalt mit dem Pumpenenddruck injiziert wird. In Verbindung mit der Exzentrizität des Rotors wird somit eine maximale Tragfähigkeit angestrebt. Die axiale Restkraft wird mit einem Kardanischen Ring gemessen. Bevor nun der Kolben der Entlastung ausgelegt werden kann, muss der hydraulische Axialschub bekannt sein. Im Rahmen dieser Arbeit wurde am Lehrstuhl ein Auslegungsprogramm für Kreiselpumpen entwickelt, mit dem der Druckverlauf im Radseitenraum, die Druckabsenkung, die Winkelgeschwindigkeit des Fluids und der hydraulische Axialschub berechnet wird. Um die Berechnungsmodelle zu verifizieren wird im experimentellen Teil dieser Arbeit, der Radseitenraum der letzten Stufe mit Miniatur-Drucksensoren und einem Wegsensor appliziert. Die Lagerbelastung und der Betriebspunkt wird mit einem Kardanischen Ring gemessen, der mit Dehnungs-Mess-Streifen appliziert ist und den axialen Restschub erfasst. Außerdem werden die dynamischen Signale der Drucksensoren und des Kardanischen Rings genutzt, um die Veränderungen des Schwingungszustandes oder die Übertragungsfunktion des Radseitenraumes bzw. des langen Spaltes der Entlastungseinrichtung zu beschreiben. Abschließend werden die Auswirkungen der Injektion auf die Entlastungspartie untersucht. Als Ergebnis dieser Arbeit konnte festgestellt werden, dass die Injektion den Durchflusswiderstand zwischen der Injektionsstelle und dem Radseitenraum erhöht. Zudem "bremst" die Injektion die Umfangskomponente der Absolutströmung, so dass der Rotationsfaktor Richtung Teillast kleiner wird. Dadurch kann mit Hilfe der Injektion die Entlastungskraft gesteuert werden. In den Frequenzspektren der glatten Spalt-Konfigurationen (MR3+MR4) tritt am deutlichsten die Frequenz der Laufradschaufeln in Erscheinung, deren Amplitude mit abnehmendem Radius im Radseitenraum deutlich gedämpft wird. Richtung Teillast übersteigt diese sogar die Unwuchtfrequenz und dominiert damit das Frequenzspektrum. Der Radseitenraum wird also von den hydraulischen Laufrad-Leitrad-Interaktionen dominiert. Ab Förderstromverhältnissen von q<0,5 ist ein breitbandiger Anstieg von subsynchronen Frequenzanteilen auszumachen. Diese sind durch Rezirkulationserscheinungen am Laufradaustritt (Austauschwirbel) begründet. Für die Konfiguration ohne Injektion "schlagen" die Frequenzen, die von Lauf- und Leitrad-Interaktionen generiert werden, bis hinter den Entlastungskolben durch. Dies wird durch die doppelten Spaltspiele begünstigt, die eine erhöhte Sensibilität des Rotors gegenüber Anregungen bewirken. Wird in die zentrale Entlastungseinrichtung injiziert, kann das Schwingungsverhalten der Pumpe deutlich verbessert werden. Bemerkenswert ist auch, dass die rotordynamisch vermeintlich beste Konfiguration (MR2) durch eine "ungünstigere" (MR3+MR4) in Kombination mit der Injektion unterboten wird. Die Injektion reduziert die Koppelsteifigkeit (vgl. Drallbremse), was den Rotor (FT) stabilisiert.