Berechnung des diabaten Betriebsverhaltens der Axial- und Radialgleitlager eines Abgasturboladers

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Christopher Zeh

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Die Gleitlagerung im Turbolader beeinflusst entscheidend Effizienz und Leistung des gesamten Motorprozesses. Die Lagerkennwerte sind von den Betriebsparametern des Turboladers abhängig und die Kenntnis der thermischen Randbedingungen, insbesondere der Rotor- und Gehäusetemperatur, wesentliche Voraussetzung in der Modellierung des diabaten Verhaltens der Gleitlager. Um thermische Wechselwirkung gleitgelagerter Radial- und Axiallagerstellen im Abgasturbolader mit der Systemumgebung unter realen Betriebsbedingungen zu untersuchen wurden bestehende Gleitlagerlagerberechnungsmodule auf Basis der Reynoldsgleichung umfangreich erweitert und bidirektional mit einem numerischen Modell eines Turboladers gekoppelt. Die Auflösung der Prozesswärmeströme im Abgasturbolader ermöglichte dabei die Auflösung der bisher unbekannten thermischen Randbedingungen an den Lagerstellen. Die Validierung des numerischen Gesamtmodells erfolgte durch experimentelle Untersuchungen eines instrumentierten Abgasturboladers auf einem Heißgasprüfstand. Für die untersuchten Betriebspunkte konnte eine gute Übereinstimmung gemessener und berechneter Gehäuse- und Lagertemperaturen, sowie Schwimmbuchsendrehzahlen und Verlustleistungen nachgewiesen werden. Die an den Lagerstellen übertragene Wärme weist sowohl eine Drehzahl-, als auch eine Lastabhängigkeit auf, wobei die Richtung der Wärmeströme lokal variiert. Dabei führen die Lagerstellen bei niedrigen Drehzahlen und geringen Lagerlasten Wärme ab und tragen somit zur Kühlung des Abgasturboladers bei. Die thermische Berücksichtigung der Lagerstellen induziert des Weiteren vor allem im Rotor durch Zu- und Abfuhr von Wärme einen komplexen Wärmestrompfad, was im Vergleich mit einer adiabaten Rotorbetrachtung zu erheblichen Temperaturunterschieden führt.