Experimentelle dynamische Untersuchungen an einem Vertikal-Rotor-Prüfstand

Abstract

Diese Arbeit hat experimentelle dynamische Untersuchungen an einem Vertikal- Rotor-Prüfstand zum Inhalt. Die beiden Hauptthemen, welche behandelt erden, sind erstens Studien zu den dynamischen Eigenschaften eines mehrfach gelagerten Rotors mit Imperfektionen und zweitens die Uberprüfung eines neuartigen Verfahrens zur Bestimmung der Resonanzfrequenz bei Drehzahlen unterhalb der biegekritischen Drehzahl. Im ersten Abschnitt wird die Aufrüstung und Modernisierung eines schon existierenden Labor-Rotorprüfstandes beschrieben. Dabei wird insbesondere auf die Realisierung der Steuerung und der Messdatenerfassung mittels moderner Hardware und Softwaretools eingegangen und die erstellte Benutzeroberfläche dokumentiert. Der Vertikal-Rotor-Prüfstand wurde im Zuge der Arbeit von zwei auf vier Lagerstellen aufgerüstet. Diese Erweiterung erfolgte mit dem Ziel, zusätzliche externe Dämpfung zu realisieren. Deshalb stützen sich die zusätzlichen Lagerstellen über Gummielemente ab und es bewirken diese eine Erhöhung der äußeren Dämpfung des Rotors. Diese konstruktiven Änderungen haben wesentliche Auswirkungen auf die dynamischen Eigenschaften des Rotors. Im experimentellen Teil der Arbeit wurden Schwingungsmessungen beim stehenden Rotor und beim mit konstanter Drehzahl laufenden Rotor durchgeführt. Anhand der Daten der umfangreichen Messreihen werden Auswertungen von Ausschwingversuchen diskutiert und Amplitudengänge für verschiedene Betriebszustände analysiert. Weiters werden die Orbits bei verschiedenen Drehzahlen mit den zu erwartenden Ergebnissen aus der Literatur verglichen. Auch eine neuartige und aus der Literatur (L.Virgin et al.) entnommene Methode der Resonanzbestimmung wird einer experimentellen Überprüfung unterzogen und bestätigt. Zur Absicherung der experimentellen Ergebnisse wurde noch zusätzlich ein numerisches Modell des Prüfstandes auf Basis eines FE-Programmes für rotordynamische Untersuchungen erstellt und damit Vergleichsrechnungen, insbesondere zu den Schwingungsmoden durchgeführt. Mit den verschiedenen experimentellen Methoden konnten u.a. die folgenden Erkenntnisse gewonnen bzw. Resultate erzielt werden. Wie erwartet haben die dynamischen Eigenschaften der als Dämpfer verwendeten Gummi-Metall-Puffer große Auswirkungen auf das Verhalten des gesamten Rotorsystems und erzeugen signifikante Effekte. Besondere Beachtung ist dem Einfluss der Temperatur zu schenken. Auch nichtlineare Eigenschaften des Systems konnten festgestellt werden. Aus der Validierung der neuen Methode zur Resonanzvorhersage resultiert, dass auch die kritischen Drehzahlen von stark imperfekten System durch Messungen im unterkritischen Bereich bestimmt werden können. Die exemplarisch durchgeführte numerische FE-Analyse bestätigt die experimentellen Ergebnissen der kritischen Drehzahlen und der Schwingungsmoden.

This Master Thesis deals primarily with experimental studies on a vertical Jefcott-Rotor test stand. The main topics addressed in this work are the dynamical properties of a multi-station supported elastic rotor with some imperfections, and a new method to estimate critical speeds by measurements below that speed. The rst part of this thesis is devoted to improvements on an already existing rotor test stand. A new front end based on a recent version of the software in use for the measurement system and the rotor speed control are developed and documented. The rotor shaft was originally supported by two roller bearings. In the course of this work, two additional bearing stations have been introduced. The main feature of these additional bearing stations are rubber elements, to increase the external damping in the system. These design modications have a signicant impact on the dynamical properties of the rotor. In the experimental part, vibration measurements on the non-rotating rotor and, of course, on the rotor running at various constant speeds are carried out. Numerous test runs have been measured and the acquired data are analysed and investigated. Measurements of the free vibrating rotor are analysed with respect to the natural frequencies of the system. Frequency response functions due to unbalance excitation are acquired by measurements at various rotor conditions. A new method to estimate a critical speed of the rotor has been reported recently in the literature and is tested and conrmed for the rst time on a multi-station rotor with imperfections. In addition to the experimental work, a numerical model, based on a commercially available FE-software, is also established. Numerical results and experimental measurements are compared, primarily with respect to the critical speeds and the vibration modes. Several conclusions can be drawn based on the results of the various experimental studies. The newly introduced rubber-bearing-supports introduce a signicant amount of external damping and moreover change the dynamic properties of the rotor system signicantly. A strong dependency of the actual temperature of the rubber material was noted. Also non-linear behaviour was detected. A newly proposed method to estimate the critical speed based on measurements well below that speed was tested under non-ideal conditions, since the rotor system shows some imperfections. However, the experiments showed that this new method is quite reliable and may be used also for multi-bearing station rotors with imperfections. The numerical analysis of the rotor system, based on a FE-model did conrm the measured critical speeds and the vibrational modes.