Das hydrodynamisch wassergeschmierte stationär belastete Radialgleitlager

Abstract

In Zeiten wachsenden Umweltbewusstseins, steigt die Anforderungen an Firmen, insbesondere der "`ANDRITZ HYDRO GmbH"' als großer Produzent von Wasserkraftwerken, saubere Technologien zur Verfügung zu stellen. Darum besteht das Streben, umweltschädliche Maschinenelemente durch umweltfreundliche zu ersetzen. Hydrodynamische wassergeschmierte Führungslager stellen ein solches Bauelement dar.<br />Hierbei soll das wassergeschmierte Radialgleitlager die gleichen Funktionen im Betrieb aufweisen, wie ölgeschmierte Radialgleitlager. Bei Gleitlagern mit Öl ist das Betriebsverhalten weitgehend bekannt bzw.<br />wurden bereits umfassende Untersuchungen und Berechnungen angestellt.<br />Wassergeschmierte Radialgleitlager wurden dagegen noch keiner vollständigen Untersuchen und Charakterisierung unterzogen. Deshalb soll diese Arbeit einen Beitrag zur Analyse des Verhaltens von solchen Lagern liefern.<br />Voraussetzung für diese Arbeit war eine umfassende Literaturstudie von bereits bestehenden Werken über wassergeschmierte Führungslager als auch Arbeiten, die einen Beitrag zur Konstruktion bzw. Berechnung dieser Lagern liefern. Mit "`JabRef"' (jabref.sourceforge.net), einem freien Literaturverwaltungsprogramm ("`GNU General Public License"`), wurden diese Arbeiten in einer Literaturdatenbank zusammengefasst.<br />In Kapitel 3 erfolgt die Beschreibung der Eigenschaften von Wasser als Schmiermittel. Hier wurde der Zustand von Wasser im Schmierspalt genauer betrachtet, da es durch seine hohe Dichte und geringer dynamischer Viskosität bereits bei kleinerer Strömungsgeschwindigkeit zu einem instabilen Umschlag kommen kann.<br />In Kapitel 4 wird die Herleitung der Reynolds´schen Differenzialgleichung beschrieben und der Grundstein zum Ermitteln der Strömung im Schmierspalt gelegt.<br />In Kapitel 5 wird die Berechnung des hydrodynamischen stationär belasteten Radialgleitlagers ausgearbeitet. Hier für wurde das Programm "`Mathcad"' der Firma "`PTC"' herangezogen. Die Berechnung basiert auf der Reynold`schen Differenzialgleichung und beschreibt ausschließlich das Verhalten laminarer Strömung. Hierbei wurde auf die Geometrie des Lagers besonderes Augenmerk gelegt, da das Ziel dieser Arbeit sowohl die Beschreibung des "`kreiszylindrischen (360°-) Gleitlagers"' als auch des "`Mehrflächengleitlagers"' war. Weiters wurde der Schmierspalt bei zunehmenden Exzentrizitäten dargestellt, um einen Vergleich der ermittelten Größen für die verschiedenen Lager anstellen zu können.<br />Dadurch wird es möglich, die verschiedenen Lagertypen auf Tragfähigkeit, Reibung, mittlere Pressung und die Sommerfeldzahl zu untersuchen.<br />In Kapitel 6 wird ein Vergleich zweier verschiedener Umschliessungsformen angestellt und die Berechnungsergebnisse veranschaulicht. Mit Hilfe der Berechnungsergebnisse wurden Erkenntnisse über das Betriebsverhalten solcher Gleitlager gewonnen, wobei die Berechnungsergebnisse ausführlich diskutiert werden.<br />

Nowadays, the increase of the environmental awareness demands clean technologies on companies, such as "`ANDRITZ HYDRO GmbH"', a major producer of hydropower plants. There is a desire to replace environmentally harmful machine elements by environmentally acceptable components. Hydrodynamic water lubricated journal bearings are an example for fulfilling these characteristics. For an economic application, water lubricated journal bearings are desired to reveal similar performance and operating characteristics as conventionally used oil lubricated journal bearings. The behavior and features of oil lubricated journal bearings has already been investigated. However, the water lubrication of journal bearings is not yet fully known. Therefore, this thesis is a contribution to the analysis of water lubricated journal bearings.<br />In preparation a comprehensive literature search of existing publications on water lubricated journal bearings was performed.<br />Furthermore relevant literature concerning construction and calculation of such bearings was reviewed. A database including the collected studies was created using the software "`JabRef"' (jabref.sourceforge.net), which is a free reference management software.<br />(GNU General Public License) Chapter 3 contains a description of the properties of water as a lubricant. A focus is set on the conditions of water inside the lubricating gap. Even low flow velocities of water used as a lubricant can lead to an instable change of condition due to its high density and low dynamic viscosity.<br />Chapter 4 contains a description of the derivation of the Reynolds equation, which forms the basis to determine the flow inside the lubrication gap.<br />Chapter 5 describes the calculation of an hydrodynamic static loaded journal bearing. "`PTCs"' program "`Mathcad"' is used for this calculation. The differential equation of Reynolds is the basis of this calculation which exclusively describes the case of laminar flow.<br />Special attention was drawn on the geometry of the bearings, because the aim of this work was to describe journal bearings as well as pad bearings. Furthermore the film shape in journal bearings as a function of increasing eccentricity is visualized, to compare the properties of different bearing types. This forms the basis of the calculation of important measures like friction, stress value of bearing and the Sommerfeldnumber.<br />The description of calculation results and the finding of the comparison of the different geometry types allow insight into the operating features of water lubricated bearings which are discussed in chapter 6.