Entwicklung und Inbetriebnahme eines Prüfstandes zur Öldunstentwicklung in großen Gleitlagern

Abstract

Um einen störungs- und unterbrechungsfreien Betrieb von Turbinen und Pumpen in Wasserkraftwerken sicherzustellen, müssen alle Komponenten perfekt aufeinander abgestimmt sein. Jedoch kommt es immer wieder zu Leckagen an jenen Anlagen. Hierbei tritt Öl im Form von Ölnebel aus den Gleitlagern aus. Das ausgetretene Öl kann sowohl gesundheitlich als auch ökologische Schäden anrichten und zu Unterbrechungen im Betrieb führen. Es existieren verschieden Entstehungsmechanismen von Ölnebel, welche zu verschiedenen Tropfengrößenverteilungen führen. Der Ölnebel kann mit verschiedensten Messmethoden wie Laserbeugungsspektrometrie und PDA (Phasen-Doppler-Anemometrie) nachgewiesen werden. Es gibt verschiedenste Dichtungssysteme, welche speziell zur Abdichtung von Ölnebel angereicherter Luft dienen. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung, Konstruktion und Inbetriebnahme eines Prüfstandes. Dieser stellt ein Gleitlager einer Wasserkraftturbine/Pumpe nach und ermöglicht die Messung von Lagerleckagen durch Ölnebel. Zusätzlich können mit einem im Prüfstand verbauten Pumpsystem Kennlinien für dieses aufgenommen werden. Durch ein möglichst realitätsnahes Design werden im Prüfstand Zustände erreicht, welche jene in einem realen Lager widerspiegeln. Auf Basis einer Konzeptzeichnung und mehrerer Anforderungen wird ein Prüfstand konstruiert und anschließend gefertigt und aufgebaut. Mittels Modalanalyse wird sichergestellt, dass im vorgegebenen Drehzahlbereich keine Eigenfrequenz getroffen wird und somit ein einwandfreier Betrieb möglich ist. Es wird eine Messeinheit entwickelt und die dazugehörige Software programmiert, welche die Detektion von Ölnebel mittels Laserbeugungsspektrometrie ermöglicht und die Betriebszustände im Lager (Differenzdruck, Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Drehzahl) genau überwacht. Es wurde ein vollfaktorieller statistischer Versuchsplan ausgearbeitet. Auf dessen Basis werden erste Aussagen über Faktoren, welche ausschlaggebend für die Lagerleckage sind, getroffen. Die Faktoren, auf welche ein besonderes Augenmerk gelegt wird, sind die Drehzahl, die Exzentrizität der Dichtfläche so wie der Differenzdruck zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Lagers. Im Zuge erster Messungen werden bereits erste Aussagen über vermeintliche Einflussfaktoren getroffen und gezeigt, dass der Prüfstand einsatzbereit ist und somit ein reibungsloser Betrieb möglich ist.

In order to ensure trouble-free and uninterrupted operation of turbines and pumps in hydro-power plants, all components must be perfectly coordinated. However, leaks occur time andagain in these plants. Oil escapes from the bearings in the form of oil mist. The escaping oil can cause damage to health and the environment and lead to interruptions in operation. There are different mechanisms for the formation of oil mist, which lead to different droplet size distributions. The oil mist can be detected with various measuring methods such as laser diffractionspectrometry and PDA (phase Doppler anemometry). A wide variety of sealing systems are available that are specifically designed to seal off oil mist-enriched air.This work deals with the development, construction and commissioning of a test rig. This simulates a plain bearing of a hydroelectric turbine/pump and enables the measurement of bearing leakage through oil mist. In addition, characteristic curves can be recorded for a pumpsystem installed in the test stand. By means of a design that is as close to reality as possible,conditions are achieved in the test stand that reflect those in a real bearing. Based on a concept drawing and several requirements, a test stand is designed and then manufactured and built.By means of modal analysis, it is ensured that no natural frequency is hit in the specified speedrange and thus perfect operation is possible. A measuring unit is developed and the associated software is programmed, which enables the detection of oil mist by means of laser diffractionspectrometry and precisely monitors the operating conditions in the bearing (differential pres-sure, temperature, humidity, speed).A full factorial statistical test plan was developed. Based on this, initial statements are made about factors that are decisive for bearing leakage. The factors to which special attention is paid are the rotational speed, the eccentricity of the sealing surface as well as the differential pressure between the inside and the outside of the bearing. In the course of the first measurements, initial statements are already made about supposed influencing factors and it is shown that the test rig is ready for use and thus smooth operation is possible.