Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3021
Main Title: Simulation des Rotorverhaltens im instationären Betrieb unter besonderer Berücksichtigung des Rotor-Stator-Kontakts
Translated Title: Simulation of the rotor behaviour in transient operation under special consideration of rotor-stator-contacts
Author(s): Bargen, Oliver van
Advisor(s): Liebich, Robert
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: In der vorliegenden Arbeit wurde die Hypothese untersucht, dass bei der Simulation von Rotorsystemen Unterschiede zwischen quasistationären und drehzahltransienten Modellen auftreten, die zur Erklärung einiger in der Vergangenheit beschriebener Abweichungen zwischen Berechnung und realem Verhalten insbesondere bei Rotor-Stator-Kontakten beitragen können. Der Schwerpunkt lag hierbei auf der vergleichenden Gegenüberstellung entsprechender Simulationsmodelle auf einer phänomenologischen Ebene. In Kapitel 2 werden zunächst anhand von Rechenmodellen für die Resonanzdurchfahrt erste wichtige Erkenntnisse über die Struktur der zu betrachtenden Probleme gewonnen. Anschließend werden Modellierungsansätze für ein drehzahltransientes Modell von beliebigen Mehrscheibenrotoren erarbeitet. Diese werden erprobt, indem das Schwingungsverhalten einer Prüfstandswelle entwurfsbegleitend simuliert wird. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wird in Kapitel 3 das Modell um Statorformulierungen ergänzt. Die Simulationsmodelle sind damit in der Lage, den Rotor-Stator-Kontakt drehzahltransient abzubilden. Die beim Rotor-Stator-Kontakt auftretende Störung der primären Drehbewegung macht hierbei die Verwendung einer Regelung für die Drehzahl erforderlich. Mit diesen Techniken werden die aus der Literatur bekannten Orbitmuster auch für den drehzahltransienten Rotor-Stator-Kontakt bestätigt. Umfangreiche Parameterstudien zeigen, dass die in der Vergangenheit für quasistationäre Modelle gewonnenen Erkenntnisse weitgehend auch für transiente Rotoren Güultigkeit besitzen. Die genauen Grenzen für das auftreten bestimmter Bewegungsformen abhängig von den Systemparametern sind allerdings unterschiedlich. Ähnliche Ergebnisse zeigen auch die Untersuchungen der Kontaktformulierungen in Kapitel 4. Es wird bestätigt, dass fast jedes der angebotenen elastischen Kontaktgesetze in der Lage ist, das globale Verhalten des Systems zu beschreiben, wenn die entsprechenden Parameter für die Kontaktformulierung adäquat gewählt werden. Anhand umfangreicher Studien wird ferner gezeigt, dass Detailbetrachtungen einzelner Stoßvorgänge die Verwendung rechenintensiver nichtlinearer Kontaktgesetze nötig machen können. In Kapitel 5 wird anschließend das Stabilitätsverhalten der drehzahltransienten und quasistationären Modelle verglichen. Hierzu wird das Verfahren der Dimensionsanteile für Anstreifvorgänge adaptiert. Als Ergebnis der umfassenden Parameterstudien kann festgehalten werden, dass Unterschiede im Stabilitätsverhalten bestehen. Insbesondere der Einfluss der Rotoreigenschaften hat einen anderen Stellenwert, wenn drehzahltransiente Effekte berücksichtigt werden. Dieses Verhalten wird durch ein dynamisches Gleichgewicht zwischen Bewegungsphasen mit Kontakt und Bremsen sowie ohne Kontakt und Beschleunigung erklärt. Abschließend werden in Kapitel 6 zwei Beispielsimulationen vorgestellt, die exemplarisch zeigen, welche Phänomene aus der Praxis durch die Anwendung drehzahltransienter Berechnungen beschrieben werden können. Es wird hierbei besonderes Augenmerk darauf gelegt, zu zeigen, wie umfangreich und aufwendig die Berechnungen werden, wenn drehzahltransiente Simulationen für die Abbildung konkreter Maschinen verwendet werden sollen. Insgesamt wird die Forschungshypothese bestätigt, wenn auch der Unterschied in vielen Fällen vernachlässigbar klein bleibt. Sowohl die Grenzen für die Existenz einzelner Bewegungsmuster als auch das unterschiedliche Stabilitätsverhalten zeigen, dass es einen Unterschied machen kann, ob das drehzahltransiente Verhalten bei der Simulation von Rotor-Stator-Systemen berücksichtigt wird oder nicht. Insbesondere das explizit von den Antriebseigenschaften abhängige Stabilitätsverhalten kann als mögliche Quelle der in der Praxis beobachteten unterschiedlichen Kontakt-Sensibilität verschiedener Anlagen interpretiert werden. Die Arbeit liefert somit einen Beitrag zum Verständnis der verschiedenen Sensibilität von Rotorsystemen für gefährliches Schwingungsverhalten bei Statorkontakt. Die Ergebnisse helfen einzuordnen, wann mit einer zeitsparenden Formulierung mit konstanter Drehzahl gerechnet werden kann und welche Ungenauigkeiten damit eingehandelt werden.
The work at hand deals with the hypothesis that there are differences in the vibrational behaviour of rotor systems, if the main rotational motion is taken into account. Understanding these differences might be helpful to explain deviations between former experimental and numerical investigations. The focus of this work is the comparison of corresponding numerical models on a phenomenological level. In Chapter 2 models for the investigation of rotors travelling through the resonance speed are considered and first insights in the structures of the problems are attained. Furthermore the model is expanded for the simulation of arbitrary multi-disk transient rotors. The application of these techniques for vibration analysis in early stages of the rotor development process is shown at the end of the chapter. Based on these results stator models are added in Chapter 3. This paves the way for complete transient simulations of the rotor-stator-contact. The disturbance of the primary motion due to contacts requires the application of closed loop theories for the revolution speed. With these formulations the well known motion patterns of the rubbing rotor are confirmed for transient models, too. Extensive parameter studies show that most of the knowledge formerly attained for stationary models is also applicable for transient models. Though the exact limits for the occurrence of particular motion patterns depending on the parameters of the system may vary significantly Similar results are obtained by the investigation of different contact models in Chapter 4. It is confirmed, that almost every motion pattern can be provoked with every contact law via an adequate choice of contact parameters. Further studies show that detailed considerations of impact events might require more complex contact models accounting for dissipation and nonlinearity. Based on these results demands for an adequate task-dependent contact model are derived. In Chapter 5 the stability behaviour of transient and stationary models is compared. For this purpose the method of dimension quota is applied for the rotor-stator-contact. As a result of extensive studies it can be said, that there are differences between the stability limits. Especially the properties of the rotor influence the stability boundary, if a transient revolution speed is taken into account. This observation is explained with a dynamic equilibrium between acceleration of the propulsion system and braking due to contact. Finally Chapter 6 describes two applications of the introduced models. They show in which cases the consideration of transient revolution speed is helpful and which phenomena can be explained by it. A special focus is set on the needed calculation time that significantly increases, if realistic models of certain machines are aspired. The findings are gauged against the increased calculation time and modelling complexity. All in all the hypothesis that there are differences between the behaviour of rotor-stator-models, if a transient revolution speed is taken into account, is confirmed, though the differences usually are small. The existence of the motion patterns and the stability limit depend on the formulation of the primary motion. Especially the possible equilibrium between acceleration and braking in transient systems can explain differences in the disposition of rotor systems to become unstable. The results help to estimate if a time efficient calculation with constant revolution speed is suitable and which inaccuracies are thus included.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-33166
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3318
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3021
Exam Date: 3-Nov-2011
Issue Date: 15-Nov-2011
Date Available: 15-Nov-2011
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Rotor-Stator-Kontakt
Rotordynamik
Transiente Dynamik
Triebwerkssimulator
Rotor-stator-contact
Rotordynamics
Transient dynamics
Whole engine simulator
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 5 Verkehrs- und Maschinensysteme » Institut für Konstruktion, Mikro- und Medizintechnik » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Dokument_38.pdf12.48 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


Items in DepositOnce are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.