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Schwingungskopplung durch modale Druckfelder in nichtrotierenden Labyrinthdichtungen

Schuck, Gerhard :
Schwingungskopplung durch modale Druckfelder in nichtrotierenden Labyrinthdichtungen.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2009)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Schwingungskopplung durch modale Druckfelder in nichtrotierenden Labyrinthdichtungen
Language: German
Abstract:

Selbsterregte Schwingungen flexibler Labyrinthdichtungen mit kompressibler Strömung können durch modale Druckfelder gekoppelt werden. Modale Druckfelder beaufschlagen außerhalb der Labyrinthkammern die Strukturoberflächen großflächig mit Druckkräften. Sie werden durch periodische Änderung der Strömungsgrößen im Dichtspalt angeregt. In einem Prüfstand ohne rotierende Bauteile können die Druckfelder zwischen den Strukturoberflächen gemessen und identifiziert werden. Bei den Feldern handelt es sich um Druckeigenformen der Hohlräume, die durch die Strukturoberflächen begrenzt werden. Die Helmholtz-Gleichung, eine Eigenwertformulierung der akustischen Wellengleichung, dient als Ausgangspunkt zur Modellierung der Druckeigenformen. Eine Erweiterung der Helmholtz-Gleichung um den Einfluss der Bewegung der Fluidteilchen im Druckfeld führt zu einer Gleichung, die mittels Finiter Elemente Berechnungen in der betreffenden Geometrie numerisch berechnet werden kann und sehr gute übereinstimmung mit den gemessenen druckeigenformen aufweist. Die Koeffizienten der Gleichung und die Randbedingungen zur Lösung werden mit Hilfe von Messdaten und einfachen Strömungsrechnungen bestimmt. Aus FE-Berechnungen der Druck- und Struktureigenformen werden Modelle der modalen Schwingungen des gekoppelten Systems erstellt. Die aus der Labyrinthströmung resultierenden Druckkräfte wirken als äußere Erregerkräfte auf die Strukturmassen ein. In Simulationsrechnungen, die auf der Bilanzierung der Fluidarbeit und der Energien der Strukturschwingung basieren, werden die gemessenen modalen Schwingungszustände des gekoppelten Systems hinsichtlich der Frequenzen und Amplituden nachvollzogen. Das gekoppelte System weist stets grenzstabile Schwingungszustände auf, deren Frequenz und Amplitude aus der Kopplung durch das Druckfeld und der Fluidkraft in der Labyrinthkammer resultiert.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Self-excited vibrations of flexible labyrinth seals with compressible flow can be coupled by modal pressure fields. Modal pressure fields cause pressure forces that impact the structure's surfaces outside the labyrinth. Excitation of modal pressure fields is due to periodical changes of flow through the seal's air gap. Measurements and identification of modal pressure fields can be performed at a test rig without rotating components. Modal pressure fields can be described as acoustical resonances of a cavity bounded by the structures surfaces. An extension of Helmholtz-equation -the eigenvalue form of the acoustical wave equation- is formulated. It includes the influence of the fluid particles' vibration on the mode shape of the pressure field. Pressure modes in the cavity can be calculated using Finite Element Method. The results of numerical calculations show good accordance with the identified mode shapes based on measurement data. The coefficients of the modified wave equation and the necessary boundary conditions derive from measurement data and elementary numerical flow calculations. Models of modal vibrations of the coupled system based on its components' mode shapes can be developed using FE-calculations of the structures and the pressure field. Excitation of the vibration derives from the pressure changes in the labyrinth chamber due to periodic variations of fluid flow in the air gap. Comparison of fluid work in the labyrinth with vibrational energies of the structures gives a criterion for computer simulations of the coupled system. Amplitudes of the structures and the frequency of the system can be calculated and validate the assumption of vibration-coupling by the pressure field and excitation by flow forces in the labyrinth. Vibrations of the coupled system can be described as critically stable states which are characterized by an equilibrium of fluid work and the structures' vibrational energies.English
Uncontrolled Keywords: Labyrinthdichtungen, flexible Strukturen, kompressible Strömung, Fluid-Struktur-Interaktion, modale Druckfelder, akustische Resonanz, Helmholtz-Gleichung, Identifikation, Knotenzahl, Schwingungskopplung, Fluidsteifigkeit, Schwingungssimulation, Schwingungsenergie
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Labyrinthdichtungen, flexible Strukturen, kompressible Strömung, Fluid-Struktur-Interaktion, modale Druckfelder, akustische Resonanz, Helmholtz-Gleichung, Identifikation, Knotenzahl, Schwingungskopplung, Fluidsteifigkeit, Schwingungssimulation, SchwingungsenergieGerman
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Maschinenbau > Mechatronische Systeme im Maschinenbau (IMS)
Date Deposited: 18 Dec 2009 14:32
Last Modified: 07 Dec 2012 11:56
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-20063
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Nordmann, Prof. Dr.- Rainer
Refereed: 25 November 2009
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2006
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