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Main Title: Eine analytisch-numerische Betrachtung zu thermoelastischen Schwingungen von schnelldrehenden Rotoren beim Anstreifen an Bürstendichtungen
Translated Title: An analytical-numerical approach for thermo elastic vibrations of high-speed rotors during a rub against a brush seal
Author(s): Fay, Robert
Advisor(s): Liebich, Robert
Referee(s): Liebich, Robert
Ecker, Horst
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: Bürstendichtungen brauchen gegenüber den im Turbomaschinenbau meist verwendeten Labyrinthdichtungen einen wesentlich geringeren axialen Bauraum bei gleichem Druckgefälle. Diesen zusätzlichen Bauraum kann der Entwickler nutzen, um seine Maschine zu optimieren - beispielsweise um die Eigenfrequenzen des Systems auf den Betriebsbereich anzupassen. Ein Risiko, welches sich aus dem Einsatz mit Bürstendichtungen ergibt, ist die prinzipielle Gefahr von instabilen Spiralschwingungen. Diese ergeben sich aus dem Anstreifen des Rotors in Folge einer Unwucht an der Dichtung und der daraus folgenden Wärmebelastung auf den Rotor. Aufgrund des engen Spaltes zwischen dem Rotor und der Dichtung kann ein Kontakt zwischen den beiden Elementen nicht ausgeschlossen werden. In dieser Arbeit wird eine Berechnungsmethode zur Identifizierung von instabilen Betriebsbereichen entwickelt und ausgearbeitet. Ausgangspunkt für diese Forschungsarbeit ist das weiterentwickelte lineare Kellen-berger-Modell, in dem ein diskretisiertes, strukturdynamisches Modell um einen thermischen Freiheitsgrad erweitert wird, der die Veränderung der thermischen Verformung beschreibt. Kellenberger und andere konnten zeigen, dass die Stabilität des Systems im großem Maße von den thermischen Parametern abhängig ist. Diese beschreiben beispielsweise die Wärmeentwicklung am Reibpartner, die Wärmeleitung in den Rotor oder die Konvektion der Wärme an das umgebende Fluid. Die thermischen Parameter wurden in vorherigen Arbeiten nur abgeschätzt oder anhand vereinfachender Annahmen bezüglich der Temperaturverteilung berechnet. Um die Quantifizierung der Parameter und somit die Vorhersage der instabilen Betriebsbereiche zu verbessern, werden in dieser Arbeit die Parameter über die dreidimensionale Finite-Volumen-Methode berechnet. Ein von der Umfangsgeschwindigkeit ansteigender Konvektionskoeffizient führt dabei zu einer Drehzahlabhängigkeit der thermischen Parameter. Die Wärmeentwicklung an der Bürstendichtung wird über die Kontaktkräfte an den Borsten berechnet und bezüglich der Rotorauslenkung an der Dichtungsposition linearisiert. Zur Beschreibung des strukturdynamischen Anteils des Gesamtsystems wird ein Balken-Finite-Elemente-Modell verwendet. In der Arbeit wird die Berechnung der Systemmatrizen aus den Geometrie- und Materialparametern beschrieben und die Modelle anhand von analytischen Lösungen und Vergleichen mit kommerziellen Programmen validiert. Die Stabilitätsgrenzen des gekoppelten Systems werden mit dem Regula-falsi Verfahren über die Eigenwerte berechnet. Die Methode wird unter Berücksichtigung unterschiedlicher Einflüsse (Orthotropie, Gyroskopie, mehrere Bürstendichtungen) angewendet, um deren Einflüsse auf die Stabilität zu untersuchen. Als Alternative wird in der Arbeit ein vereinfachendes Berechnungsverfahren zur Bestimmung der Stabilitätsgrenzen vorgestellt. In weiteren Teilen der Arbeit wird das Kellenberger-Modell sowohl numerisch mit Zeitbereichslösungen für das gekoppelte, unreduzierte System und mit experimentellen Ergebnissen verglichen. Berechnungen im Zeitbereich dienen auch, um die Auswirkungen der Spiralschwingungen auf den Hochlauf einer Maschine zu untersuchen.
Brush seals consume significantly less axial space than the conventional labyrinth seals in turbomachinery under the same pressure drop. The developer can use this extra space to optimize the machine, for example by shifting the eigenfrequencies of the system away from the operating range. However, using brush seals also contain the risk of unstable spiral vibrations, which are caused by a rubbing friction between the rotor and the seal and the resulting heat load. Because of the tight gap between rotor and brush seal, contact between those two cannot be ruled out. This work shows a computational procedure to identify potentially unstable operating regions while using brush seals in turbomachinery. The incentive for this research was the enhanced Kellenberger-model, in which a discretized, structural mechanical rotor model is combined with the thermal degree of freedom. The model describes the thermal deformation of the rotor. Kellenberger et al. were able to show that the stability of the system is dependent on the thermal parameters, which describe the dissipated mechanical work during the rub, the heat conduction within the rotor, or the convection of the heat into the surrounding fluid. In prior studies, those parameters were only estimated or calculated using an estimated temperature distribution within the rotor. In order to improve the quantification of the thermal parameters and with that the prediction of unstable speed regions, this work assesses the parameters by using the three-dimensional Finite-Volume method. A revolution speed dependent convection coefficient causes a variability of the parameters in relation to the rotational velocity. The developing heat at the two friction partners is calculated through the forces at contact between the bristle tips. In order to describe the structural part of the whole system, the researchers used a finite-element-beam model. This dissertation shows how the system matrices are built up on the basis of the material and geometrical properties of the rotor. The model has been validated by comparing our solutions to analytical solutions and solutions that were gained using commercial programs. The stability thresholds of the linked systems are calculated by using the Regula-falsi-method on the real part of the eigenvalue. The method is applied regarding variable influences (orthotropy, gyroscopic effect, several brush seals) in order to investigate the impact of each factor on the stability threshold. A simplified but accurate calculation method for the stability threshold is provided as an alternative to the Regula-falsi method on the eigenvalues of the linked system. Furthermore, the enhanced Kellenberger model is validated numerically by comparing solutions to a linked, unreduced system in time domain and to other experimental data. The time domain analysis is also used to analyze the impact of spiral vibrations during a run up of turbomachines.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/9222
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8305
Exam Date: 5-Jun-2018
Issue Date: 2019
Date Available: 29-Apr-2019
DDC Class: 621 Angewandte Physik
Subject(s): brush seal
rotor dynamics
spiral vibrations
newkirk effect
thermal structural analysis
Bürstendichtungen
Rotordynamik
Spiralschwingungen
Newkirk-Effekt
Thermo-Struktur-Interaktion
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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