Untersuchung der Blasendynamik von Flüssigkeitskavitation im Schmierfilm eines hydrodynamischen Gleitlagers

Abstract

In hydrodynamischen Gleitlagern kann im Schmierfilm unter gewissen Betriebsbedingungen Flüssigkeitskavitation auftreten. Die Flüssigkeitskavitation lässt sich in drei Kavitationsformen unterscheiden: Pseudo-, Gas- und Dampfkavitation. Lediglich Dampfkavitation kann in Verbindung mit Werkstoffkavitation zum Schaden und später zum Ausfall eines Gleitlagers führen. Eine mögliche Ursache zur Entstehung von Dampfkavitation liegt in der Dynamik der Spaltweitenänderung einer Wellenverlagerungsbahn begründet. Die Autoren haben den erstmaligen Nachweis von implodierenden Dampfblasen im Schmierfilm eines Gleitlagers in Folge einer transienten Spaltweitenänderung vollumfänglich erbracht. Zum Erzeugen der schadensrelevanten Dampfkavitation muss eine kritische Spaltweitenänderungsgeschwindigkeit in Verbindung mit einer kritischen Exzentrizität erreicht werden. Für diese Untersuchungen steht ein Gleitlager-Modellexperiment zur Verfügung, welches kontinuierlich erweitert wurde und so dem Stand der Forschung entspricht. Es ist somit möglich, kavitierende Schmierspaltströmungen sowohl qualitativ als auch quantitativ zu untersuchen. Das Modellexperiment verfügt über eine Aktorik, die eine gezielte Steuerung der Spaltweitenänderungsgeschwindigkeit zulässt und so die Kavitationsbereiche einer realen Wellenverlagerungsbahn abbildet. Das Experiment beinhaltet ein speziell entwickeltes Fluid, dass die Reynolds- und Kavitationsähnlichkeit erfüllt. Bei der Untersuchung von Flüssigkeitskavitation muss sowohl das Verdampfen der Flüssigkeit (Dampfkavitation), das Ausgasen von Luft (Gaskavitation) sowie das Vorhandensein kleinster Luftblasen (Pseudokavitation) experimentell abgebildet werden. Dies wird u. a. durch die Verwendung von konditionierten Flüssigkeiten realisiert. Abhängig vom Betriebspunkt des Gleitlagers, treten die drei Kavitationsformen separat als auch in Verbindung miteinander auf. Das gleichzeitige Auftreten reduziert, je nach Anteil der Kavitationsformen, die Kavitationserosion, indem sie die schädigungsrelevante Dampfkavitation dämpft. Das übergeordnete Forschungsziel ist es einen Parameterbereich zu definieren, in dem eine kritische Spaltweitenänderung mit einer kritischen Exzentrizität zur „reinen“ Dampfkavitation führt. Damit soll der schadenskritische Parameterbereich eingegrenzt werden. Dies soll zukünftig bei der Auslegung und Parametrisierung von hydrodynamischen Gleitlagern helfen. Die gezeigten experimentellen Ergebnisse umfassen Hochgeschwindigkeitsaufnahmen, die eine detaillierte Analyse der Blasenbildung mit einer Geschwindigkeit von 10.000 Bildern pro Sekunde (fps) ermöglichen. Es lässt sich zusammenfassen, dass die Arbeit ein tieferes Verständnis für den Kavitationsprozess in dynamisch belasteten Gleitlagern erbringt. Das Forschungsvorhaben wurde gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) unter der Projektnummer 462581008.