Auf dem Weg zum Blattlagertest – Blogbeitrag in drei Teilen

Teil 3: Schnelltests von Blattlagern – Der erste Dauerlauf.

In Teil 1 habe ich die Idee eines beschleunigten Dauerlaufs für Blattlager vorgeschlagen, der aus allen Zyklen, die Verschleiß erzeugen, in direkter Abfolge bestehen sollte. In Teil 2 beschrieb ich, wie die experimentellen Ergebnisse diese Idee widerlegten und zum Konzept der Schutzzyklen führten. Im dritten und letzten Teil werde ich aufzeigen, wie wir dieses Konzept verifizieren konnten.

Die BEAT2.1 Tests resultierten in der Idee der Schutzzyklen, aber es gab noch keine Forschung einer anderen Institution, die dieses Konzept bestätigt hätte. Die meisten Prüfstände für oszillierenden Betrieb ermöglichten es nicht, Amplituden zu variieren. Offensichtlich mussten wir daher die Testergebnisse beim IWES bestätigen. Der BEAT2.1 war allerdings wegen seiner hohen Betriebskosten und der Beschränkungen in Bezug auf Veröffentlichungen nicht das richtige Werkzeug für diese Aufgabe. Skalierte Tests mit viel kleineren Lagern schienen eine gute Idee zu sein, weil sie mit niedrigeren Kosten einhergehen, schneller sind und mit allen Einzelheiten veröffentlicht werden können. Diese Idee wurde im BEAT0.1 Prüfstand umgesetzt: Eine Vorrichtung für Schrägkugellager mit 180 mm Außendurchmesser. Sie sollte eine statische, axiale Last anwenden und einen Antrieb besitzen, der eine beliebige Zeitreihe reproduzieren kann.

BEAT0.1 Design
BEAT0.1 Design © Fraunhofer IWES/Filip Kovacevic

Zu dieser Zeit, im Frühjahr 2018, zog unser kleines Forschungsteam in die neue Hamburger Einrichtung um: das Large Bearing Laboratory, abgekürzt LBL, und am Jahresende konnte ich damit beginnen, erste Tests mit dem BEAT0.1 durchzuführen. Wir lernten auch gleich unsere erste Lektion: Ein oszillierender Betrieb mit häufigen Starts und Stopps ist für einen Antrieb eine Herausforderung. Unser Motor besaß ein Nenndrehmoment von 50 Nm, was etwa dem Zweieinhalbfachen des Spitzendrehmoments beim Test entsprach. Aber aufgrund der sehr häufigen Starts und Stopps begann er sehr schnell zu überhitzen. Die erste Lösung bestand darin, kurze Pausen zwischen den Zyklen einzubauen, später löste ein PC-Kühlventilator in einem Gehäuse aus dem 3D-Drucker das Problem vollständig.

Im Mai 2019 präsentierte ich anlässlich der Einweihung des LBL die ersten Ergebnisse dieser Tests. Eine vorhergehende Arbeit meines Kollegen Fabian Schwack am Institut für Maschinenkonstruktion und Tribologie (IMKT) zeigte bereits die Möglichkeit auf, zum Zweck des allgemeinen Verständnisses von Schadensmoden Abriebtests zu skalieren. Es gelang mir dies zu bestätigen und eine Ähnlichkeit zu den Schadensmoden bei Blattlagern in Originalgröße und Lagern des Typs 7220 zu zeigen. Mit dem BEAT2.1 führten wir 40.000 Zyklen durch und dieselbe Anzahl wurde für die erste Testreihe mit dem BEAT0.1 verwendet. Die Prüfungen bestätigten die Ergebnisse des BEAT2.1 und damit das Konzept der Schutzzyklen.

BEAT0.1 Testergebnis: 40.000 Zyklen mit derselben Auslenkung
BEAT0.1 Testergebnis: 40.000 Zyklen mit derselben Auslenkung © Fraunhofer IWES/Matthias Stammler (Stammler, 2020)
BEAT0.1 Testergebnis: 40.000 Zyklen mit Schutzzyklen nach jedem 30. Zyklus
BEAT0.1 Testergebnis: 40.000 Zyklen mit Schutzzyklen nach jedem 30. Zyklus © Fraunhofer IWES/Matthias Stammler (Stammler, 2020)

Mit der Inbetriebnahme des BEAT6.1 waren wir in der Lage, diese Tests mit den Blattlagern von 5 m Durchmesser zu überprüfen und erhielten ähnliche Ergebnisse. Diese erlaubten es uns dann, das endgültige Dauerlaufprogramm zum Verschleiß für die großen Lager aufzustellen. Kurz gesagt: Das Programm nimmt alles Schädliche (konstante, kleine Auslenkungen) und alles Vorteilhafte (jede Bewegung, die mehr als 15° ausmacht) aus der Betriebszeit der Turbine und vereinigt diese Abfolgen in eine Zeitreihe. Die Einzelheiten dieser Arbeit sind Teil meiner Doktorarbeit. Die Quelldaten in unserer Forschung sind die Zeitreihen der aero-elastischen Simulationsdaten der IWES Referenzturbine IWT-7.5-164 mit einem Enercon-Controller (hier können Sie die Zeitreihen herunterladen). Dieses Programm verwandelte 20 Betriebsjahre in eine Prüfzeit von nur 117,1 Tagen. Im Jahr 2019 führten wir das Programm an zwei Vierpunktlagern mit 5 m Durchmesser durch.

In diesen Blogartikeln habe ich die Entwicklung dargestellt und einzelne Schritte auf unserem Weg hin zu einem erfolgreichen Konzept für beschleunigte Tests an Rotorblattlagern erläutert. Ausgehend von einem leeren Schreibtisch hat das IWES-Team über die Bewältigung einer Reihe von Herausforderungen, das Aufwerfen von wissenschaftlichen Fragestellungen und letztlich durch das Durchführen des endgültigen Programms eine neue Möglichkeit für das Testen von Blattlagern etabliert.

Mehr Informationen hier:

Teil 2: Blattlager richtig schnell testen

Teil 1: Blattlager richtig schnell testen – aber wie?

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