Gaslager

Ein Gaskissen für höchste Reinheit und Wartungsfreiheit: Gaslager erhöhen nicht nur die Lebensdauer, sondern ermöglichen auch den komplett ölfreien Betrieb. Mit Celeroton-Gaslagern ist dies auch für höchste Drehzahlen in unterschiedlichen Gasen möglich.

Funktionsweise

Gaslager tauchten in der Geschichte der Antriebssysteme an mehreren Stellen auf, einen ersten kommerziellen Erfolg hatten sie in der Ausführung als Folienlager in der Luft- und Raumfahrt in den 1950er und 1960er 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. Zur Erzeugung der notwendigen Tragkraft 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 Tragkraft, 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. Es gibt sogenannte statische und 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. Bis zur Lift-off-Drehzahl befinden sich Rotor und Stator im Kontakt und damit im Haft- bzw. Mischreibungsgebiet. Durch geeignete Wahl der Werkstoffe der Reibpartner sowie ihre Formgestaltung lässt sich diese Schwierigkeit überwinden.  Ab Überschreitung der Lift-Off-Drehzahl 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 Gaslagertechnologie gegenüber Kugellagern lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Vorteile

  • Hohe Lebensdauer
  • 100% Ölfrei

Nachteile

  • Komplexe Rotorkonstruktion
  • Enge Fertigungstoleranzen


Ein erweiterter Vergleich verschiedener Lagertechnologien findet sich hier.

Herausforderungen beim Entwurf eines Gaslagers

Das Verhalten eines Gaslagers hängt stark von der Viskosität des Gases im Lagerspalt ab. Diese wiederum ist abhängig von der Temperatur des Gases sowie vom Gas selbst. Das Gaslager wird für den stabilen Betrieb innerhalb dieser Parameter ausgelegt über den gesamten Drehzahlbereich und den erreichbaren Toleranzbereich in der Herstellung. Weiter wird das Gaslager darauf ausgelegt, dass es über den gesamten Drehzahlbereich in den auftretenden Schock- und Vibrationsbereichen stabil läuft, wobei tiefe Drehzahlen in der Regel kritischer sind als hohe.

Zusammenfassend lassen sich folgende Herausforderungen bei der Auslegung eines hochdrehenden Turbo Kompressors mit Gaslager darstellen:

  • Das Gaslager muss in einem weiten Bereich an Betriebsbedingungen robust funktionieren:

    • Ändernde Viskosität aufgrund wechselnder Gas-Zusammensetzung innerhalb des Kompressors, zum Beispiel in Kühlapplikationen mit Edelgasen, welche nicht komplett gedichtet sind und einen gewissen Anteil an Luft im Innern aufweisen.
    • Schwankende oder sich ändernde Druckniveaus, die hervorgerufen werden durch unterschiedliche Auslöser (zum Beispiel beim Betrieb in verschiedenen Höhen, etwa in Brennstoffzellen in mobilen Anwendungen, oder in Edelgas-Rezirkulations-Anwendungen bei Eingangsdrücken, die vom Betriebspunkt abhängig sind oder bei Druckniveaus, die von der Temperatur des Wärmetauschers in Wärmepumpen abhängen).
    • Betriebsfähigkeit in einem breiten Temperaturbereich, zum Beispiel zwischen -30°C beim Kaltstart und 200°C (329 °F) Gastemperatur im Lagerspalt, hervorgerufen durch Aufheizung durch interne Verluste.
    • Sicherer Betrieb auch bei Einwirkung von Vibrationen und Stössen, zum Beispiel bei 25 G Schock in automobilen Anwendungen.

  • Die Gaslagerung, die Rotordynamik und die Thermomechanik hängen sehr eng zusammen und müssen in enger Abstimmung ausgelegt werden, um ein stabiles Gesamtsystem darzustellen.
  • Der Gesamtwirkungsgrad des Systems, bestehend aus  Motor und  Gaslagerung und ihres thermodynamischen Verhaltens ist zu maximieren. Dies führt oftmals zu einer anderen Lösung als die individuelle Maximierung des Wirkungsgrades.
  • Die notwendigen Fertigungstoleranzen müssen in der Auslegung berücksichtigt werden, damit das Serien-Produkt robust und stabil funktioniert.
  • 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 erfordern kleinere Fertigungstoleranzen

 

Ein Gaslager -, zum Beispiel in den Celeroton Turbo Kompressoren der CT-2X-Serie für die Luftversorgung von Brennstoffzellen, ist ausgelegt auf die zu erwartende Viskosität, Temperatur und den Druckbereich für den Betrieb in Luft. Wird  ein anderes Gas eingesetzt,  als Luft, zum Beispiel Edel- oder Inertgase mit einer entsprechend anderen Viskosität, ändert sich  das Verhalten des Gaslagers. Aus diesem Grund kann ein Kompressor, der für den Betrieb mit Luft ausgelegt ist, in der Regel nicht direkt mit einem Edel- oder Inertgas betrieben werden. Allerdings kann die Gaslagerung auf die entsprechenden Gas-Eigenschaften und -Bereiche hin angepasst werden. Für den Celeroton Turbo Kompressor CT-NG-2000, für den Betrieb in Edel- oder Inertgasen, existieren verschiedene Gaslagerungen für unterschiedliche Gase.

Finden Sie weitere Informationen zu den Produkten mit Luftlagerung in der Produktbroschüre.

Kontaktieren Sie uns unter (infocelerotoncom oder Telefon +41 44 250 52 20), wenn Sie mehr erfahren wollen.