Technisch-wirtschaftlicher Vergleich von Lagerungssystemen in Kühlturbinen für Klimaanlagen in Schienenfahrzeugen

Abstract

Die Liebherr-Transportation Systems GmbH & Co KG in Korneuburg ist Entwickler und Anbieter von Klimaanlagen und hydraulischen Systemen für Schienenfahrzeuge. Eine besondere Anwendung stellen die luftgestützten Klimaanlagen dar. Diese arbeiten mit Luft als Kältemittel und heben sich durch ihre Umweltfreundlichkeit von konventionellen Anlagen ab. Das Herzstück dieser Anlagen stellt eine motorisierte Kühlturbine zur Erzeugung der notwendigen Kaltluft dar. Wirtschaftliche Gründe gaben den Anstoß, zukünftig konzerneigene aerodynamische Lager, auch Folienlager genannt, anstatt aktiver Magnetlager für den Rotor dieser Kühlturbine einzusetzen. Jede Lagerart hat ihre Vor- und Nachteile, die keine der beiden auf den ersten Blick eindeutig in den Vordergrund rücken. Als Entscheidungsgrundlage für den Einsatz einer bestimmten Lagerung wurden technische und wirtschaftliche Details zu beiden Lagerarten ausgearbeitet und für jeweils zwei mögliche Einsatzfälle, in einem Über- und einem Unterdruckprozess, bewertet. Technische Daten und Berechnungen stellen die Grundlage für die Ermittlung der technischen Wertigkeit der Lagerungen je Einsatzfall mittels Nutzwertanalyse dar. Die wirtschaftliche Wertigkeit wurde durch eine gesamtheitliche Lebensdauerbetrachtung bestimmt. Die Ermittlung der Gesamtwertigkeit zeigt schließlich, dass der Einsatz einer aktiven Magnetlagerung in Summe für den Großteil der Betrachtungsfälle, trotz geringerer wirtschaftlicher Wertigkeit, höherwertiger anzusehen ist.

Liebherr-Transportation Systems GmbH & Co KG in Korneuburg, Austria, is a developer and supplier of air conditioning and hydraulic systems for rail vehicles. So-called air cycle air conditioning systems are a special application in this field. Air cycle systems use air as a refrigerant and therefore are more environmentally friendly than conventional systems. The heart of the system is a motorized air cycle machine (MACM) which provides the needed cooling air. It was determined that potential economic advantages could be gained by using aerodynamic foil bearings instead of currently used active magnetic bearings for the rotor of the machine. To provide a basis for comparison, technical and economic factors were determined and rated for two different applications ¿ a high pressure process and a low pressure process. These applications were evaluated in a number of different use cases. The technical rating for both bearing types was determined using technical data in a use-value analysis for each process. The economic rating was created to consider holistic factors spanning the entire lifespan of the air conditioning system. The combined rating of each application and use case is illustrated in a rating diagram. The resulting ratings present that in the majority of the cases, active magnetic bearings show a higher total value than foil bearings. However, the economic rating of magnetic bearings is lower than the economic rating of foil bearings.