Theoretische und experimentelle Untersuchungen an ebenen aerostatischen Gaslagerelementen unter Hochvakuumbedingungen

Die Arbeit präsentiert Ergebnisse theoretischer und experimenteller Grundlagenuntersuchungen an ebenen rotationssymmetrischen Gaslagerelementen, die unmittelbar in einer Hochvakuumumgebung eingesetzt werden können. Ziel der Arbeit ist es, einen Beitrag zur Entwicklung hochvakuumtauglicher Gasführungen zu leisten. Die Untersuchungen konzentrieren sich auf Düsenlagerelemente mit Mikroverteilerkanälen und poröse Lagerelemente. In die Lagerelemente integrierte Dichtsysteme führen das zur Ausbildung des tragenden Schmierfilmes benötigte und kontinuierlich einströmende Gas nahezu vollständig wieder ab. Durch die Absaugung des Gases findet im tragenden Gasfilm ein Übergang von der Kontinuumsströmung zur Molekularströmung statt. Zur Dimensionierung der Lagerelemente wird ein einfaches numerisches Modell entwickelt, dass durch die Berücksichtigung dieses Übergangs die Auslegung der Lagerelemente für einen beliebigen Umgebungsdruck ermöglicht. Auch zur Auslegung des Dichtsystems werden umfangreiche Berechnungswerkzeuge bereitgestellt. Es wird gezeigt, inwieweit sich die Charakteristiken beider Lagerelementarten durch das Dichtsystem und die Vakuumumgebung im Vergleich zum Einsatz unter Normalatmosphäre verändern. In einer Gegenüberstellung werden für beide Lagerelementarten im Hochvakuum bei 10-7 mbar gute Trageigenschaften und sehr geringe Leckraten <0,3 µlN/min nachgewiesen. Die theoretischen Ergebnisse werden dabei sehr gut durch die experimentellen Untersuchungen bestätigt. Für beide Lagerelementarten werden Möglichkeiten zur Optimierung der statischen Eigenschaften analysiert, die sich aus einer Modifikation der Drosselparameter bzw. durch den Einsatz spezieller Gase ergeben. Experimentell wird gezeigt, dass die an Normalatmosphäre stabil arbeitenden Lagerelemente im Vakuum nach Überschreiten einer Stabilitätsgrenze zu selbsterregten Schwingungen neigen. Das Auftreten der Stabilitätsgrenze wird theoretisch begründet und der Einfluss verschiedener Faktoren auf die Stabilitätsgrenze analysiert. Ebenso wird in experimentellen Untersuchungen die auf verschiedenen Materialien hervorgerufene Gasabgaberate bestimmt, die bei einer translatorischen Relativbewegung zwischen dem Lagerelement und dem eingesetzten Gegenpart auftritt. Mit der Arbeit gelingt es, die Einsatzmöglichkeit von Gaslagerelementen unmittelbar in einer Hochvakuumumgebung erfolgreich nachzuweisen. Aus den Untersuchungsergebnissen werden Gestaltungsrichtlinien abgeleitet, die zu guten Trageigenschaften, niedrigen Leck- und Gasabgaberaten und einem stabilen Betriebsverhalten der Lagerelemente führen.