Gaslager

Ein Gaskissen für höchste Reinheit und Wartungsfreiheit: Luftlager erhöhen nicht nur die Lebensdauer sondern ermöglichen auch den komplett ölfreien Betrieb. Mit Celeroton-Gaslagern ist dies auch für höchste Drehzahlen erreichbar.

Funktionsweise

Gaslager tauchten in der Geschichte der Antriebssystemwelt an mehreren Orten auf, einen ersten kommerziellen Erfolg hatten sie in der Ausführung als Folienlagern in der Luft- und Raumfahrt in den 50er und 60er Jahren. Gebräuchliche Synonyme für Gaslager sind die Begriffe „Fluidlager“ oder oftmals vereinfacht auch „Luftlager“. Gemeint ist damit, dass das Lager z.B. eines Rotor-Stator-Systems, aus einem dünnen Gaskissen zwischen dem Rotor und der Stator-Buchse besteht. Um die notwendige Tragkraft herstellen zu können, wird in diesem Gaskissen ein Überdruck aufgebaut, der bei einer Auslenkung zunimmt. Das Gas übt so eine Kraft entgegen der Auslenkung auf den Rotor aus und hält diesen im Zentrum der Stator-Buchse, und stellt damit eine berührungsfreie Lagerung des Rotors zum Stator sicher. Das technische Kernmerkmal des Gaskissens ist die Bereitstellung einer notwendigen Steifigkeit und Dämpfung. So kann das Gaskissen einwirkende Störungen, wie beispielsweise Unwucht und Vibrationen, aufnehmen. Die nachfolgenden Abbildungen zeigen exemplarisch einen Querschnitt eines gasgelagerten und eines kugelgelagerten Rotors.

Skizze Gaslager
Abbildung 1: Skizze Gaslager
Skizze Kugellager
Abbildung 2: Skizze Kugellager

Gaslager werden grundsätzlich in der Art, wie der Druck innerhalb des Gaskissens aufgebaut wird, unterschieden. Zum einen gibt es sogenannte statische, zum andern dynamische Gaslager.

  • Bei statischen Gaslagern wird der Druck im Luftspalt durch eine externe Druckzuführung sichergestellt. Der Rotor kann im Zentrum der Stator-Buchse mit einer geeigneten Ausführung der Druckzuführung gehalten werden, z.B durch poröse Materialien oder die Anordnung von Düsen. Rotative Bewegungen können schon ab Stillstand nahezu ohne (Haft-)Reibung ausgeführt werden.
  • Bei dynamischen Gaslagern wird der Druck im Gaskissen durch die Bewegung des Rotors relativ zum Stator selbst aufgebaut. Es ist keine externe Druckversorgung notwendig – das Gesamt-System wird damit deutlich einfacher und kompakter. Jedoch muss der Rotor über einer Mindestdrehzahl, der sogenannten Lift-Off-Drehzahl, betrieben werden. Ab hier reicht der Kraftaufbau des Gaskissens aus, um die Schwerkraft zu überwinden. Zudem sind die Tragkraft, die Steifigkeit und die Dämpfung, anders als beim statischen Gaslager, stark von der Drehzahl abhängig. Diese Variante wird bei Celeroton-Gaslagern eingesetzt, da sie eine kompakte Bauweise ohne externe Druckversorgung ermöglichen.
Statisches Gaslager
Abbildung 3: Statisches Gaslager
Dynamisches Gaslager
Abbildung 4: Dynamisches Gaslager

Vor- und Nachteile

Die Vor- und Nachteile der Luftlagertechnologie gegenüber Kugellagern lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Vorteile

  • Hohe Lebensdauer
  • 100% Ölfrei

Nachteile

  • Komplexe Rotorkonstruktion
  • Fertigungstoleranzen


Ein erweiterter Vergleich verschiedener Lagertechnologien findet sich hier.

Herausforderungen beim Entwurf eines gasgelagerten Antriebssystems

Zusammenfassend lassen sich folgende Herausforderungen zum Design eines gasgelagerten Antriebssystems darstellen:

  • Das Gaslager muss mit einem Bereich an Betriebsbedingungen robust funktionieren:

    • Schwankende oder sich ändernde Druckniveaus resultieren z.B. durch einen Betrieb auf verschiedenen Höhen (Beispiel: Automobilindustrie) oder den Einsatz in Wärmepumpen.
    • Betriebsfähigkeit in einem Temperaturbereich, z.B. zwischen -30°C und 200°C Gastemperatur im Lagerspalt.
    • Sicherer Betrieb auch bei Einwirkung von Vibrationen und Stössen, z.B. bei 25 G Schock.

  • Die Gaslagerung, die Rotordynamik und die Thermomechanik müssen ein stabiles Gesamtsystem darstellen und daher in enger Abstimmung ausgelegt werden.
  • Der Gesamtwirkungsgrad von Motor und Gaslagerung ist zu maximieren. Dies führt oftmals zu einer anderen Lösung als die individuelle Maximierung des Wirkungsgrades.
  • Auch bei Berücksichtigung von Fertigungstoleranzen muss das System aus Rotor/Stator-Buchse/Gaslagerung noch robust und stabil funktionieren.
  • Das Gesamtsystem muss, nicht zuletzt, wirtschaftlich herstellbar sein.

 

Diese Herausforderungen steigen mit der Drehzahl:

  • Höhere Drehzahlen führen zu höheren Leistungs- und Verlustdichten, und damit zu höheren Temperaturen, speziell im Rotor
  • Die erforderliche Dämpfung für ein stabiles Gaslager erhöht sich mit steigender Drehzahl
  • Höhere Drehzahlen führen zu einer Miniaturisierung und damit zu kleineren Fertigungstoleranzen


Daher erfolgt die komplette Auslegung und Berechnung der hochdrehenden Gaslager zusammen mit der Anwendung intern bei Celeroton. Ausgelegt und erfolgreich getestet wurde das Gaslager für Luft, wie auch für andere Gase (z.B. Kältemittel wie Butan und Methan). Kontaktieren Sie uns unter (infocelerotoncom oder Telefon +41 44 250 52 20), wenn Sie mehr erfahren wollen.