Bei 100.000 Umdrehungen pro Minute schwebt die Welle eines Folienlagers auf einem Luftfilm, der dünner ist als ein Haar. Damit das zuverlässig funktioniert, muss jedes Detail stimmen, von der Folie bis zur Beschichtung.
Ein Folienlager trägt eine Welle auf einem Luftfilm von wenigen Mikrometern. Es braucht weder Öl noch eine externe Druckluftversorgung. Steht die Welle still, liegt sie auf einer dünnen Deckfolie. Ab einer bestimmten Drehzahl zieht sie genug Luft in den Spalt und hebt ab. Darunter liegt eine federnde Folienstruktur, die dem Lager Steifigkeit und Dämpfung gibt.
Wie viel ein Folienlager trägt
Für die Tragfähigkeit gibt es eine bis heute verwendete Faustformel der NASA: Sie wächst linear mit der Gleitgeschwindigkeit und der projizierten Lagerfläche. Moderne Bauarten tragen dabei etwa fünfmal mehr als die ersten einfachen Folienlager (DellaCorte, Valco, 2000). Für die Auslegung reicht die Faustformel nicht, sie ist aber ein guter erster Anhaltspunkt.
Start und Stopp: die kritische Phase
Unterhalb der Abhebedrehzahl reibt die Welle auf der Deckfolie. Beschichtungen schützen Folie und Welle in dieser Phase. Ein aktueller Übersichtsartikel im Journal of Tribology fasst die eingesetzten Schichten zusammen, mit Schwerpunkt auf Kompositschichten (Morris u. a., 2024). Die Zahl der Start-Stopp-Zyklen bestimmt oft die Lebensdauer eines Folienlagers.
Rechnen und messen
Im Forschungsprojekt Folienlager II haben die BTU Cottbus und die TU Braunschweig ein Rechenwerkzeug für Wellfolien- und Blattfederlager validiert. Ein Rotor mit Blattfederlagern lief bis 100.000 Umdrehungen pro Minute nahezu ohne subsynchrone Schwingungen. Steifigkeit und Dämpfung von Blattfederlagern wurden zusätzlich auf einem Prüfstand gemessen (Schmiedeke u. a., 2021).
Wo Folienlager eingesetzt werden
Neben Mikrogasturbinen und Turbogeneratoren sind Verdichter für Brennstoffzellen ein wachsendes Feld. Ein vom US-Energieministerium gefördertes Projekt entwickelt einen ölfreien, folienluftgelagerten Verdichter für Brennstoffzellen-Lkw. Die Ziele für 2030 sind 75 Prozent Verdichterwirkungsgrad und 25.000 Stunden Lebensdauer.
Präzision, die man messen kann
Folienlager verzeihen wenig. Welle, Folien und Gehäuse müssen im Mikrometerbereich zueinander passen, und jede Annahme aus der Rechnung muss sich auf dem Prüfstand bestätigen. Diese Verbindung aus Rechnung, Fertigung und Messung hat in Deutschland Tradition, von den Hochschulen bis in die Werkstätten. Das Projekt Folienlager II zeigt, dass sie auch in der Lausitz zu Hause ist.
ClinX Energy Systems legt Folienlager aus, fertigt die Lagerfolien selbst und prüft sie auf eigenen Lagerprüfständen. Mehr zu Folienlagern
Quellen
- DellaCorte, Valco (2000): Load Capacity Estimation of Foil Air Journal Bearings. NASA Glenn
- Morris u. a. (2024): Air foil thrust and journal bearing coatings: A review. Journal of Tribology 147(1)
- BTU Cottbus, TU Braunschweig: Folienlager II, IGF 19385 BG, Schlussbericht (Kurzfassung)
- Schmiedeke, Sinapius, Prechavut (2021): Experimental Investigation of the Leaf Type Bearing Structure with Undersprings. Machines 9
- R&D Dynamics u. a. (2023): Foil Bearing Supported Compressor-Expander. DOE Annual Merit Review FC349