Luftlager eignen sich zur Lagerung schnell drehender Rotorsysteme in Umgebungen mit höchsten Reinheitsanforderungen, z. B. in Brennstoffzellen. Weit verbreitet sind Luftlager mit starrem Gehäuse, die aufgrund der geringen Dämpfungseigenschaften von Luft unterhalb der Stabilitätsgrenze betrieben werden müssen. Auch Folienluftlager mit einer zusätzlich dämpfenden Folienstruktur zwischen dem Luftfilm und dem Gehäuse kommen zum Einsatz. Aufgrund der starken Kopplung der Struktur mit dem Luftfilm können Vorspannungen in der Struktur jedoch zu höheren Abhebedrehzahlen und damit zu erhöhtem Verschleiß beim Start/Stopp des Rotorsystems führen.

Im Rahmen dieser Arbeit wird ein weiterer Typ von Luftlagern, hier bezeichnet als Air Ring Bearing, untersucht, der als eine Kombination der oben genannten Lagertypen angesehen werden kann. Dabei wird eine starre Buchse beweglich zwischen der Folienstruktur und dem Rotor angeordnet. Alternativ zur Folienstruktur kann auch ein Elastomer verwendet werden. Durch die externe, zusätzliche Dämpfung der Folienstruktur ist mit Air Ring Bearings auch ein Betrieb des Rotorsystems oberhalb der Stabilitätsgrenze möglich. Durch die starre Buchse werden Luftfilm und Struktur entkoppelt, wodurch der Rotor früher abhebt und der Lagerverschleiß beim Start/Stopp deutlich reduziert wird.

In dieser Arbeit wird ein schnelldrehendes Rotorsystem mit zwei Air Ring Bearings betrachtet. Ziel ist der Betrieb des Systems oberhalb der Stabilitätsgrenze bei selbsterregten Schwingungen mit tolerierbaren, moderaten Amplituden. Mithilfe von Hochlaufsimulationen wird das stark nichtlineare Verhalten des Rotorsystems untersucht und anhand von Bifurkationspfaden systematisch beschrieben. Auftretende dynamische Effekte und Bifurkationseffekte aufgrund der Nichtlinearität werden physikalisch ausführlich erklärt. In anschließenden Optimierungsstudien werden weite Parameterbereiche ermittelt, in denen ein technisch sicherer Betrieb des Rotorsystems möglich ist.

Zur Untersuchung des stark nichtlinearen Systems wird ein komplexes Co-Simulationsmodell verwendet. Dieses besteht zum einen aus einem Mehrkörpersystem, in dem die Bewegungen des Rotors und der Buchsen modelliert werden, und zum anderen aus Finite-Elemente-Systemen, die die Luftfilme modellieren.