Active bearing units for rotating machines

Abstract

In der Schwingungstechnik begegnet man unerwünschten Vibrationen in der Regel mit einer Erhöhung der Dämpfung des schwingungsfähigen Systems. Die Erhöhung der Systemdämpfung bewirkt eine schnellere Dissipation der vorhandenen Schwingungsenergie in Wärme. Allerdings stößt man mit den klassischen, passiven Methoden, wie z.B. der Verwendung von viskosen Dämpfern, in vielen Anwendungen auf technische Grenzen. Deshalb haben sich besonders im letzten Jahrzehnt zunehmend auch aktive sowie semi-aktive Möglichkeiten zur Erhöhung der Energiedissipation in einer Struktur durchgesetzt. In dieser Arbeit wird ein innovatives Konzept zur aktiven Schwingungsdämpfung von Biegeschwingungen in Rotoren vorgestellt. Dabei werden ein oder mehrere passive Wälzlagerungen des Rotors durch neuartige, aktive Lagereinheiten mit Piezoaktoren ersetzt. Die Strukturantwort aufgrund von einwirkenden Störgrößen wird an dafür geeigneten Stellen des Rotors gemessen. Ein Regler berechnet daraus die erforderlichen Stellsignale, die durch piezoelektrische Aktoren in die Struktur eingeleitet werden.<br />In Abhängigkeit von der Aktor/Sensor Platzierung und dem Betriebszustand der rotierenden Maschine, werden verschiedene Regelungsalgorithmen vorgeschlagen. Speziell können durch den Einsatz einer neuartigen hybriden Regelung, bestehend aus einem H-unendlich-Regler und einer iterativ lernenden Regelung (ILC), hervorragende Ergebnisse erzielt werden. Die getesteten Regler wurden nach der H-unendlich-Methode mittels my-Synthese durch eine D-K Iteration entworfen. Dadurch ist es möglich, bessere Robustheitsanforderungen der Regelung zu realisieren.<br />Die Aufgabe der Feedback-Regelung besteht darin, robuste Stabilität bei gleichzeitiger Leistungsfähigkeit zu erzielen. Die ILC hingegen nutzt die vorausgesetzt periodisch wirkende Störung, um eine schrittweise Verbesserung der Regelung zu erreichen. Die dazu notwendigen Systemzustände werden durch ein Kalman Filter geliefert. Da das betrachtete Modell kein phasenminimales Verhalten zeigt, wird auf das anspruchsvolle stabile Inversionsverfahren zum ILC Entwurf zurückgegriffen. Durch diese Methode stellt sich eine signifikante Verbesserung der aktiven Dämpfung bereits nach wenigen Iterationen (Umdrehungen) des Maschinenläufers ein. Weiters wird die so genannte direkte Geschwindigkeitsrückführung (DVF) und die D-Typ ILC Methode sowie eine hybride Kombination beider Regelungen für Blackbox Modelle präsentiert. Diese Verfahren können sowohl Robustheit als auch Lernfähigkeit in die Regelung einbringen, ohne genauere Informationen über die Dynamik des Systems zu erfordern.<br />Numerische Simulationen werden mit Hilfe eines Finite-Elemente Modells, bestehend aus konsistenten und diskreten Massen und Steifigkeitselementen, durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die hier vorgestellte Methode eine sehr hohe Wirksamkeit gegen transiente Schwingungen in rotierenden Maschinen aufweist. Eine weitere Anfachung der Schwingung selbst bei anhaltender Störung kann maßgeblich unterdrückt werden. Experimentelle Resultate untermauern die Simulationsergebnisse und weisen auf die Effektivität dieser aktiven Dämpfung im realen Betrieb hin.<br />Dieses Konzept kann bei jeder erdenklichen Bauform des zu dämpfenden Rotors Verwendung finden. Weiters sind die präsentierten Regelungsmethoden entkoppelt von der Bauweise der aktiven Lager und können somit für jegliches Funktionsprinzip aktiver Lagerungen Verwendung finden.<br />

In vibration technology unwanted vibration levels of structures are mostly reduced by an increase of the damping capacities of the system. Hence, an increase of damping leads to an increase of dissipation of vibration energy. However, in many applications traditional passive damping mechanisms reach practical limitations.<br />Within the last decade active vibration damping has become an interesting alternative to purely passive or semi-active damping methods.<br />In my Dissertation an innovative control concept for active suppression of bending vibrations in rotating machinery is proposed. One or both passive roller bearings of a rotor are complemented by novel active bearing units containing piezoelectric actuators. The structural response due to exerted disturbances to the system is measured at convenient locations at the rotor. Sensors detect the response and transfer the measurement signals to a control unit. The latter calculates a convenient driving signal according to the applied control strategy. After amplification the resulting control signal is transmitted to the active bearing and applied to the structure.<br />Different types of control algorithms are proposed, depending on the actuator/sensor placement and on the operating condition of the rotating machine. However, outstanding performance can be achieved by applying a novel hybrid control algorithm consisting of a feedback controller and an Iterative Learning Control (ILC). For feedback control design a H-infinity-synthesis is carried out. Utilizing the structured singular value mu a procedure known as D-K iteration or simply mu-synthesis is used for the compensator design. It is expected that this design provides better robustness qualities than conventional controller design methods. The aim of the feedback control is to provide conservative robust stability to the system and achieve robust control performance.<br />The ILC takes benefit of the presumed periodic excitation that may originate, for example, from a constant rotational speed. A Kalman filter is employed to provide an estimation of the system states, required for the learning control algorithm. Due to the non-minimum phase character of the system, a sophisticated ILC design technique is employed denoted stable inversion design. Within a few iterations (revolutions of the machine's rotor), the learning compensator significantly improves the feedback control signal and consequently achieves a gain of active damping performance. Furthermore, for active damping of black box models a direct velocity feedback (DVF) and D-type ILC as well as a hybrid control of both is introduced. These control techniques can provide robustness and learning capability without any specific knowledge of the system dynamics.<br />Numerical simulations are performed using a Finite-Element model of a test cylinder system composed of beam- and lumped mass/stiffness elements. The investigations show that the proposed methods are very effective in suppressing transient vibrations. Furthermore, the response action significantly reduces further vibrations even in case of persistent disturbances. Experimental results substantiate the numerical results and indicate the effectiveness of the proposed method in real-world applications.<br />It is shown that the presented active damping concept can be used in any kind of rotor system and the proposed control algorithms are independent of the utilized type of active bearing.