23. April 2020

Gaslager-Auslegung für nicht-Luft Anwendungen

Die Auslegung eines Gaslagers für Edel- oder Inertgase stellt eine erhöhte technische Herausforderung dar, die aufgrund zusätzlich zu beachtender Kenngrössen noch schwieriger ist, als diejenige für ein Luftlager. 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 Toleranzenbereich in der Herstellung. Beispielsweise kann der kleinste Gaslagerspalt kritisch sein bei hohen Temperaturen und maximaler Drehzahl oder der grösste Gaslagerspalt bei minimaler Temperatur und mittlerer Drehzahl.

Die spezifischen Herausforderungen bei der Auslegung eines hochdrehenden Turbo Kompressors mit Gaslager für Edel- und Inertgase:

Das Gaslager muss zuverlässig in einem grossen Betriebsbereich funktionieren:
- Unterschiedliche Viskositäten aufgrund wechselnder Gasgemische im Kompressor, die zum Beispiel in Kühl- Anwendungen mit Edelgasen auftreten, die nicht hermetisch dicht sind und daher einen veränderlichen Anteil an Luft haben.
- Schwankende oder wechselnde Drücke aufgrund Betrieb in unterschiedlichen Höhen, zum Beispiel in Rezirkulations-Anwendungen mit Edelgasen bei einem bestimmten Druck am Einlass.
- Weiter Temperaturbereich des Gases im Lagerspalt, zum Beispiel bis 200 °C bei Erwärmung durch innere Gasreibungsverluste.
Das Gaslager, die Rotordynamik und das thermische Verhalten des Systems sind stark miteinander gekoppelt und müssen daher in einem interdisziplinären Ansatz betrachtet werden, um ein voll funktionsfähiges System zu erhalten.
Der Gesamtwirkungsgrad der Aerodynamik, des Motors und des Gaslagers muss maximiert werden. Oft führt dies zu einer anderen Lösung als wenn die einzelnen maximalen Wirkungsgrade kombiniert werden.
Die fertigungstechnisch erreichbaren Toleranzen müssen bereits in der Auslegungsphase berücksichtigt werden, damit ein zuverlässiger Betrieb des Systems erzielt werden kann.
Letztlich muss das Turbo Kompressor System zu marktfähigen Konditionen produziert werden können.

Mit steigender Drehzahl nehmen diese Herausforderungen zu. Die folgenden Überlegungen müssen daher durchgeführt werden:

Höhere Drehzahlen führen zu höherer Performance und höheren Verlusten. Daraus resultieren wiederum höhere Temperaturen, speziell im Rotor.
Die erforderliche Dämpfung für ein stabiles Gaslager nimmt mit steigender Drehzahl zu.
Höhere Drehzahlen erfordern kleinere Systeme, die wiederum verringerte Toleranzen in der Herstellung erfordern.

Ein Gaslager für Luft ist ausgelegt auf die erwartete Viskosität, Temperatur und den Druckbereich im Betrieb. Dies ist zum Beispiel der Fall für die Celeroton Turbo Kompressoren der CT-2X-Baureihe für die Luftversorgung von Brennstoffzellen. Für ein anderes Gas als Luft, zum Beispiel ein Inertgas oder Edelgas, mit einer anderen Viskosität, unterscheidet sich das Verhalten des Gaslagers von dem eines Luftlagers. Daher kann ein Turbo Kompressor, der für Luft ausgelegt ist, nicht direkt in einer solchen Applikation angewendet werden. In den meisten Fällen jedoch kann das Gaslager für die entsprechenden Gaseigenschaften und Bereiche modifiziert werden. Für den Celeroton Turbo Kompressor CT-NG-2000, der für den Betrieb mit verschiedenen Edel- und Inertgasen ausgelegt ist, sind Gaslager für unterschiedliche Gase verfügbar.

Unter diesem Link finden Sie weitere Informationen zu Gaslagern und deren Auslegung.

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