Grundlagen der Quetschfilmdämpfer
Definition: Was ist ein Quetschfilmdämpfer?
A Quetschfilmdämpfer (SFD) ist ein passives Dämpfung Gerät zur Ableitung von Schwingungsenergie und zur Steuerung in rotierenden Maschinen Vibration Amplituden, insbesondere bei kritische Geschwindigkeiten. Der Dämpfer besteht aus einem dünnen Ölfilm, der sich in einem ringförmigen Spalt um ein Lagergehäuse befindet. Wenn das Lager (und die daran befestigten Teile) RotorDurch die Vibrationen oszilliert das Lagergehäuse innerhalb des Dämpferspiels und komprimiert den Ölfilm. Der viskose Widerstand gegen diese Kompressionsbewegung dissipiert Energie und dämpft so das Rotorsystem, ohne die Steifigkeit wesentlich zu erhöhen.
Filmdämpfer werden häufig in Flugzeugtriebwerken, Industriegasturbinen und anderen Hochgeschwindigkeitsmaschinen eingesetzt, wo eine erhöhte Dämpfung zur Schwingungsdämpfung und Verhinderung von Vibrationen erforderlich ist. Rotorinstabilitäten.
Physikalisches Funktionsprinzip
Die Quetschwirkung
Im Gegensatz zu Gleitlager Wo der Ölfilm eine konstante radiale Belastung trägt, wirken Quetschfilmdämpfer durch zyklische Quetschung:
- Rotorschwingung: Ein unausgewuchteter Rotor erzeugt Schwingungskräfte auf das Lager.
- Wohnungsbauantrag: Das Lagergehäuse oszilliert radial innerhalb des Dämpferspiels.
- Ölfilm-Auspressen: Bei der Bewegung des Gehäuses nach innen wird der Ölfilm komprimiert; bei der Bewegung nach außen dehnt er sich aus.
- Viskoser Widerstand: Das Öl widersteht dem Herauspressen und erzeugt so eine Dämpfungskraft.
- Energieverlust: Schwingungsenergie wird im Öl in Wärme umgewandelt.
Hauptunterschied zu Gleitlagern
- Gleitlager: Überträgt statische und dynamische Lasten durch Ölfilmdruck; sowohl Steifigkeit als auch Dämpfung
- Quetschfilmdämpfer: Bietet lediglich Dämpfung, minimale Steifigkeit; trägt keine konstanten Lasten
- Kombination: Wälzlager (trägt die Last) + SFD (sorgt für Dämpfung) = optimales System für bestimmte Anwendungen
Konstruktion und Design
Grundkomponenten
- Innenring (Lagergehäuse): Außenfläche des Wälzlagergehäuses, radial beweglich
- Äußeres Gehäuse (Dämpfergehäuse): Stationäres Gehäuse mit präziser zylindrischer Bohrung
- Ringspalt: Radialer Spalt zwischen Innen- und Außenring (typischerweise 0,1–0,5 mm)
- Ölversorgung: Unter Druck stehendes Öl wird in den Spaltraum geleitet
- Enddichtungen: O-Ringe oder andere Dichtungen zur axialen Ölabdichtung
- Zentrierende Elemente: Federn oder Halteelemente zur Verhinderung übermäßiger Bewegungen
Auslegungsparameter
- Radialspiel (c): Bestimmt den Dämpfungskoeffizienten (kleiner = stärkere Dämpfung)
- Länge (L): Axiale Länge des Dämpfers (länger = stärkere Dämpfung)
- Durchmesser (D): Dämpferdurchmesser (größer = stärkere Dämpfung)
- Ölviskosität (µ): Höhere Viskosität = stärkere Dämpfung
- Enddichtungstyp: Beeinflusst Ölleckage und effektive Dämpfung
Vorteile von Quetschfilmdämpfern
- Fügt Dämpfung hinzu, ohne die Steifheit zu erhöhen: Erhöht die Energiedissipation, ohne die kritischen Geschwindigkeiten signifikant zu erhöhen.
- Reduziert Vibrationen bei kritischer Drehzahl: Begrenzt die Resonanzamplituden auf sichere Werte
- Verhindert Instabilitäten: Hilft, dies zu verhindern Ölwirbel, Schaftpeitsche, und andere selbsterregte Schwingungen
- Isoliert übertragene Kräfte: Reduziert die auf das Fundament übertragenen Vibrationen
- Geeignet für Durchreisende: Hilft dabei, Vibrationen beim Anfahren, Abschalten und bei Laständerungen zu kontrollieren.
- Nachrüstbarkeit: Kann ohne größere Umkonstruktion in bestehende Maschinen integriert werden.
- Passiver Betrieb: Kein Steuerungssystem oder Stromversorgung erforderlich
Anwendungen
Flugzeug-Gasturbinen
- Nahezu universell in modernen Flugzeugtriebwerken
- Unverzichtbar zur Vibrationskontrolle bei kritischen Geschwindigkeitsdurchgängen
- Ermöglicht den Einsatz von Wälzlagern in Hochgeschwindigkeitsanwendungen
- Kompaktes, leichtes Design ist für die Luft- und Raumfahrt von entscheidender Bedeutung.
Industrielle Gasturbinen
- Wird in Kombination mit Wälz- oder Kippsegmentlagern verwendet
- Kontrolliert Vibrationen beim An- und Abfahren
- Reduziert die auf die Tragkonstruktion übertragenen Vibrationen
Hochgeschwindigkeitskompressoren
- Bietet zusätzliche Dämpfung über die Lagerdämpfung hinaus
- Verhindert Instabilitäten bei geringer Belastung
- Ermöglicht einen größeren Betriebsbereich
Nachrüstungsanwendungen
- Hinzugefügt zu bestehenden Maschinen mit übermäßiger kritischer Drehzahlschwingung
- Lösung, wenn Auswuchten und Ausrichtung die Vibrationen nicht ausreichend reduzieren.
- Alternative zur grundlegenden Rotor- oder Lagerüberarbeitung
Designüberlegungen
Berechnung des Dämpfungskoeffizienten
Die Dämpfungskraft eines Quetschfilmdämpfers beträgt ungefähr:
- FDämpfung = C × Geschwindigkeit
- wobei der Dämpfungskoeffizient C ∝ (µ × D × L³) / c³
- Hohe Empfindlichkeit gegenüber dem Spiel (c): Eine Halbierung des Spiels erhöht die Dämpfung um das Achtfache.
- Die Auslegung einer optimalen Dämpfung erfordert eine sorgfältige Parameterauswahl.
Zentrierfedern
- Zweck: Verhindern, dass der Dämpfer “anschlägt” (Metall-auf-Metall-Kontakt)
- Auswahl der Steifigkeit: Es muss weich genug sein, um die Bewegung des Dämpfers zu ermöglichen, aber steif genug, um sich zu zentrieren.
- Gängige Typen: Käfigläufer (mehrere umlaufende Drähte), Schraubenfedern, elastische Elemente
Ölversorgung und -entsorgung
- Druckölzufuhr zur Aufrechterhaltung des Schmierfilms (typischerweise 1-5 bar)
- Ausreichende Durchflussrate zur Abfuhr der entstehenden Wärme
- Ordnungsgemäße Entwässerung zur Verhinderung von Ölüberschwemmungen
- Belüftung zur Verhinderung von Kavitation im Film
Herausforderungen und Einschränkungen
Designherausforderungen
- Kavitation: Der Ölfilm kann Kavitation (Dampfblasenbildung) aufweisen, wodurch die effektive Dämpfung verringert wird.
- Luftansaugung: Mitgerissene Luft verringert die Dämpfungswirkung
- Frequenzabhängigkeit: Die Dämpfungswirkung variiert mit der Schwingungsfrequenz.
- Nichtlineares Verhalten: Die Leistungsfähigkeit ändert sich mit der Amplitude (große Bewegungen können den zulässigen Spielraum überschreiten).
Operative Herausforderungen
- Temperaturempfindlichkeit: Die Viskositätsänderungen des Öls mit der Temperatur beeinflussen die Dämpfung.
- Reinigungsanforderungen: Verunreinigungen können die Versorgung blockieren oder Oberflächen beschädigen.
- Abhängigkeit von der Ölversorgung: Öldruckverlust beseitigt die Dämpfung
- Dichtungsverschleiß: Die Enddichtungen verschleißen mit der Zeit und verringern dadurch ihre Wirksamkeit.
Wartungsanforderungen
- Ölversorgungsdruck und -temperatur überwachen
- Die Enddichtungen regelmäßig prüfen.
- Bei Überholungen die korrekten Abstände überprüfen.
- Zustand der Zentrierfeder prüfen
- Ölkanäle und Filter reinigen
Fortschrittliche Designs
Kolbenringdämpfer
- Verwenden Sie Kolbenringe anstelle von O-Ring-Dichtungen.
- Für eine bessere Druckverteilung darf ein gewisser Ölverlust zugelassen werden.
- Verringerung der Kavitationsneigung
Offene Dämpfer
- Keine Enddichtungen, Öl fließt axial
- Einfacheres Design, keine Probleme mit Dichtungsverschleiß
- Erfordern höhere Öldurchflussraten
- Gleichmäßigere Dämpfungseigenschaften
Integrierte Dämpfer
- Zwischen Lagerrücken und Gehäuse bildete sich ein Dämpfungsfilm.
- Keine separate Dämpferkomponente
- Kompakt, aber mit begrenzter Dämpfungsfähigkeit
Effektivität und Leistung
Schwingungsdämpfung
- Kann die Vibrationen bei kritischer Drehzahl um 50-80% reduzieren
- Besonders wirksam zur Resonanzkontrolle
- Verbreitert die Spitzen der kritischen Geschwindigkeit (macht sie weniger scharf)
- Ermöglicht ein sichereres Durchfahren kritischer Geschwindigkeitsbereiche
Stabilitätsverbesserung
- Erhöht die Schwellengeschwindigkeit für Instabilitäten
- Kann verhindern Ölwirbel bei Verwendung mit Wälzlagern
- Fügt eine positive Dämpfung hinzu, um destabilisierenden Kräften entgegenzuwirken
Design- und Analysewerkzeuge
Für eine korrekte Auslegung eines Quetschfilmdämpfers sind folgende Anforderungen erforderlich:
- Rotordynamikanalyse: Integrierte Modellierung des Rotor-Lager-Dämpfer-Systems
- Flüssigkeitsfilmanalyse: Lösungen der Reynolds-Gleichung für die Druckverteilung
- Nichtlineare Analyse: Berücksichtigung von Kavitation und amplitudenabhängigem Verhalten
- Thermische Analyse: Öltemperatur und Wärmeableitung
- Spezialsoftware: Tools wie DyRoBeS und XLTRC beinhalten SFD-Modelle.
Wann man Quetschfoliendämpfer verwendet
Empfohlene Anwendungen
- Hochgeschwindigkeitsmaschinen: Betrieb nahe oder oberhalb der kritischen Drehzahlen
- Wälzlagersysteme: Zusätzliche Dämpfung dort, wo Lager nur minimale Dämpfung bieten.
- Flexible Rotoren: Betrieb oberhalb der ersten kritischen Geschwindigkeit
- Stabilitätsprobleme: Wenn Rotorinstabilitäten ein Risiko darstellen
- Kontrolle transienter Schwingungen: Reduzierung der Anlauf-/Abschaltvibrationen
Nicht empfohlen, wenn
- Betrieb bei niedrigen Drehzahlen, bei dem die Dämpfung nicht kritisch ist
- Platzmangel verhindert die Installation
- Ölversorgungssystem nicht verfügbar oder unzuverlässig
- Wartungsressourcen sind begrenzt (Dämpfer benötigen Ölsystemwartung).
- Einfachere Lösungen (Ausgleich, Ausrichtung) sind ausreichend.
Filmdämpfer stellen eine elegante Lösung zur Schwingungsdämpfung in schnell rotierenden Maschinen dar. Durch die Bereitstellung einer signifikanten Dämpfung ohne zusätzliche Steifigkeit ermöglichen sie den Betrieb bei kritischen Drehzahlen, verhindern schädliche Instabilitäten und erweitern den Betriebsbereich rotierender Anlagen bei gleichzeitig kompakter, passiver Bauweise.
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