Sulzer Technical Review Ausgabe 2 / 2017

Lager für extreme Bedingungen

19. Juli 2017 | Simon Gassmann

Unterwasserpumpen sind Hochleistungsaggregate, die rund um die Uhr unter extremen Bedingungen arbeiten. Jede Komponente einer solchen Pumpe muss extrem zuverlässig sein und umfassend getestet werden. Die neu entwickelten Kippsegmentlager bieten Vorteile, von denen auch andere Anwendungsbereiche profitieren können.

In bestimmten Anwendungen wie Unterwasserpumpen (Subsea-Pumpen) oder produktgeschmierten Pumpen werden die Lager durch niederviskose Fluide geschmiert. Für solche Anwendungen sind herkömmliche Gleitlager aus Weissmetall (Lagermetall) nicht geeignet. Stattdessen werden Kippsegmentlager aus Polymer für Pumpen mit hohen Leistungen und/oder hohen Drehzahlen bevorzugt.

Kippsegment-Axiallager sind in verschiedenen Ausführungen und Werkstoffen erhältlich. Als Pumpenhersteller wählt Sulzer je nach Pumpenanwendung und -konstruktion zusammen mit dem Lagerlieferanten das Lager aus. Da es für eine spezielle Unterwasseranwendung keine geeignete Konstruktion und keinen geeigneten Werkstoff gab, entwickelte Sulzer gemeinsam mit dem Lagerhersteller John Crane eine neue Lösung.

Kriterien für die Materialwahl

Für Pumpen mit hoher Drehzahl und/oder hoher Leistung und niederviskosem Schmiermittel verwendet Sulzer für gewöhnlich Kippsegmentlager auf Polymerbasis. Das Polymermaterial bietet viele Vorteile gegenüber traditionellen Lagerwerkstoffen.

Vorteile von Polymeren gegenüber Metallwerkstoffen für Axiallager:

  • Geringerer Reibungskoeffizient
  • Besseres Lastausgleichsvermögen durch grössere Materialflexibilität
  • Grösserer Betriebstemperaturbereich
  • Bessere Korrosions- und Chemikalienbeständigkeit
  • Höhere Stoss- und Schlagfestigkeit
  • Elektrische Isolation.

Kippsegmentlager auf Polymerbasis haben in der Regel Segmente mit einer Polymerbeschichtung oder Segmente aus massivem Polymer. Die polymerbeschichtete Ausführung verbindet die hervorragenden tribologischen Eigenschaften von Polymeren mit der hohen mechanischen Steifigkeit von Stahl als Grundmaterial. Allerdings bietet ein polymerbeschichtetes Segment aus Metall nicht die gleiche lastausgleichende Wirkung wie ein elastischeres massives Polymersegment. Werden massive Segmente aus Polyetheretherketon (PEEK) mit einer höheren Flexibilität verwendet, ist kein selbstausgleichender Mechanismus im Lager erforderlich.

Der grösste Nachteil von Segmenten aus massivem Polymer ist ihre Deformationsempfindlichkeit. An der Segmentabstützung kann es aufgrund der hohen Hertzschen Pressung zur Verformung oder zum Kriechen des Kunststoffs kommen, was im Laufe der Zeit zum Verlust des Kippmechanismus und schliesslich zum Versagen des Lagers führt.

Mehr Details über PEEK-Polymer

Polyetheretherketon (PEEK) ist ein farbloses, organisches thermoplastisches Hochleistungspolymer, das in vielen technischen Anwendungen eingesetzt wird. PEEK ist äusserst chemikalienbeständig und verschleissfest und besitzt eine sehr geringe Feuchtigkeitsaufnahme. Selbst bei höheren Temperaturen bleiben seine hervorragenden mechanischen Eigenschaften und seine Chemikalienbeständigkeit erhalten. PEEK schmilzt bei 343 °C und hat eine maximale Betriebstemperatur von 250 °C. Für diese Lageranwendung wurde die maximale Lagertemperatur jedoch auf 130 °C begrenzt, da sämtliche thermischen und mechanischen Eigenschaften von PEEK beim Überschreiten der Glasübergangstemperatur (143 °C) eine sprunghafte Änderung erfahren.

Polymer tilting pad.
Abb. 1 Axialpad aus massivem Polymer (Vorderseite).

Kippsegment mit Metallabstützung

John Crane und Sulzer haben zusammen ein neues zweiteiliges Kippsegment entwickelt, das die Vorteile von Segmenten aus massivem Polymer mit denen von polymerbeschichteten Segmenten verbindet. Das bereits von Sulzer patentierte zweiteilige Axialsegment ist in Abb. 1 und 2 dargestellt.

Tilting-pad with patented metal pivot.
Abb. 2 Axialpad mit patentierter Metallabstützung (Rückseite).

Die neue Lösung vergrössert die Kontaktfläche zwischen dem Metall und dem PEEK, was die Hertzsche Pressung im PEEK erheblich reduziert. Die Segmentabstützung aus Metall senkt die Kriechgefahr an der Abstützung in Anwendungen mit hohen Kontaktspannungen, während das Kippsegment die positiven Eigenschaften des Polymers beibehält. Grundlage für die Entwicklung des Segments und der Abstützung waren das Know-how und die Erfahrungen John Cranes mit anderen Kippsegmentlagern.

Hohe Verschleissfestigkeit gefordert

Im Rahmen der Entwicklung testeten die Ingenieure Werkstoffverbindungen auf PEEK-Basis. Die Tabelle in Abb. 3 zeigt, dass reines PEEK nur 14% der Zugfestigkeit von 16MnCr5 erreicht, einem Standardstahl, der für die Herstellung von ölgeschmierten Weissmetalllagern verwendet wird. Das Elastizitätsmodul ist ein Mass für die Steifigkeit eines Werkstoffes. Da der Wert von PEEK bei nur 1,7% des Werts von 16MnCr5-Stahl liegt, war reines PEEK für diese spezielle Anwendung nicht geeignet.

Abb. 3 Tabelle mit dem Vergleich der mechanischen und thermischen Eigenschaften verschiedener Lagerwerkstoffe.
Abb. 3 Tabelle mit dem Vergleich der mechanischen und thermischen Eigenschaften verschiedener Lagerwerkstoffe.

Verstärkung durch Kohlenstofffasern

Durch Einbetten von Kohlenstofffasern kann die Zugfestigkeit eines Polymers erhöht werden. Die erforderliche Menge an Kohlenfasern wurde mithilfe einer Finite-Elemente-Analyse (FEA) ermittelt. Ein kohlenstofffaserverstärkter PEEK-Faserverbund mit einem 30%igen Anteil kurzer, aber willkürlich angeordneter Kohlenstofffasern ist nicht in der Lage, die Spannungen zu bewältigen, und würde sich übermässig stark verformen.

Nur ein PEEK-Verbundstoff mit einem Kohlenstofffaseranteil von 50% besitzt eine ausreichende Festigkeit. Die Kippsegmente werden durch Formpressen aus PEEK-imprägniertem Faserstoff hergestellt. Dieses Material verformt sich weniger stark, womit es sich für die gewünschte Anwendung eignet. Die höhere Kompressibilität des PEEK-Verbundstoffs bietet den Vorteil eines besseren Lastausgleichs – besonders für Axiallager – und ermöglicht höhere spezifische Lasten. Das formgepresste Material ist anisotrop und weist in verschiedenen Richtungen unterschiedliche Materialeigenschaften auf. Die Kohlenstofffasern sind in der X/Y-Ebene (Ebene der Segmentbreite/­länge) angeordnet. Folglich werden die mechanischen und thermischen Eigenschaften (Zugfestigkeit, Wärmeausdehnung usw.) in dieser Ebene von den Kohlenstofffasern und in der Z-Ebene (senkrecht zu den Fasern in Richtung der Segmenthöhe) von der PEEK-Matrix bestimmt.

Um eine gute Verschleissfestigkeit zu gewährleisten und spanenden Verschleiss durch Fremdkörper im Lager – sogenanntes Wire Wooling – zu verhindern, wurde die Spurscheibe mit einer Wolframcarbid-Beschichtung versehen. Dabei handelt es sich um eine von Sulzer entwickelte Beschichtung namens SumePump™ SA, die durch Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (HVOF) aufgebracht wird.

Thrust bearing test rig.
Abb. 4 Axiallagerprüfstand.

Erfolgreiche Qualifizierung des Axiallagers

Das neu entwickelte Kippsegment-Axiallager wurde unter realistischen, für niederviskose Schmierstoffe typische Betriebsbedingungen in der Antriebseinheit einer Unterwasserpumpe getestet.

Die Qualifikationsprüfungen wurden in einem speziellen Prüfkreislauf auf dem Sulzer-Entwicklungsprüfstand im schweizerischen Winterthur durchgeführt. Die voll ausgestattete Prüfanlage ermöglicht die Erfassung von Verlustleistung, Axialkräften, Schmiermitteldurchfluss und Temperaturen an verschiedenen Stellen (Abb. 4).

Zur Verifizierung der langfristigen Leistungsfähigkeit unter realistischen Betriebsbedingungen wurde das Axiallager mit maximaler Last und einer Schmiermitteleintrittstemperatur von bis zu 50 °C getestet. Als Schmiermittel fungierte ein wasserbasiertes Fluid mit einer Viskosität vergleichbar mit einer ISO-Viskositätsklasse ISO VG 5. Die Prüfung erfolgte mit einer veränderlichen Schmiermitteleintrittstemperatur zwischen 20°C und 50 °C und einer spezifischen Last von bis zu 3,8 MPa bei Drehzahlen zwischen 1 500 und 6 000 min-1. Es wurden zwei Testreihen mit einem Sicherheitsfaktor vom 1,5- bzw. 2-Fachen der Bemessungslast durchgeführt.

Nach 250 aufeinanderfolgenden Starts und Stopps unter Last wurde das Lager inspiziert. Weder die Segmente noch die Spurscheibe wiesen Anzeichen von Verschleiss auf. Die gemessene Rauigkeit der Segmente vor und nach den Prüfungen war vergleichbar, was beweist, dass während des gesamten Tests eine ausreichende Schmierfilmhöhe vorhanden war. Auch eine Messung der Segmentdicke vor und nach den Prüfungen ergab keine Abweichung, was für eine einwandfreie hydrodynamische Schmierung des Kippsegmentlagers spricht.

Abb. 5 Berechnete und gemessene Temperaturverteilung an einem Segment.
Abb. 5 Berechnete und gemessene Temperaturverteilung an einem Segment.

Kontrolle der Segmenttemperatur

Die berechnete Temperaturverteilung bei 4 000 min-1, einer spezifischen Last von 2,09 MPa und einer Schmiermitteleintrittstemperatur von 30 °C ist in Abb. 5 dargestellt. Die gemessene Lagertemperatur an der Sondenposition für diesen Betriebszustand betrug 66 °C, die berechnete Temperatur liegt zwischen 64 °C und 66 °C. Dies zeigt eine hervorragende Übereinstimmung zwischen Simulation und Messung.

"Wir haben das Lager zusammen mit Sulzer hauptsächlich für den Einsatz in Subsea-Pumpen entwickelt. Unser kombiniertes Wissen über Gleitlagertechnik, Tribologie, Werkstoffe und Design hat zu einer innovativen Lösung geführt. Dank der FEA-Berechnungen konnten wir schnell das richtige Material finden. Zuverlässigkeit ist extrem wichtig für Subsea-Pumpen, die in Meerestiefen von bis zu 3 000 m arbeiten. Bei den umfangreichen Prüfungen erfüllte das Lager sämtliche Anforderungen. Wir sind stolz auf das Ergebnis und hoffen, dass diese Art von Lager auch in anderen Branchen, z. B. Topside-Anwendungen, zum Einsatz kommen wird.“ Dr. Dieter Henssler, Technischer Leiter, John Crane Bearing Technology GmbH

Breites Anwendungsspektrum erwartet

Das neue Kippsegment-Axiallager ist jetzt auf dem Markt erhältlich – vornehmlich für Pumpanwendungen mit niederviskosen Schmierstoffen. Ähnliche Lager könnten als direkter Ersatz für Weissmetalllager eingesetzt werden, um deren Betriebsgrenzen zu erweitern.


Sulzer Technical Review

Nadia Qaud

Editor-in-Chief


Sulzer Management AG

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