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Unbalance and Resonance Elimination on General Rotors with Active Bearings

Heindel, Stefan:
Unbalance and Resonance Elimination on General Rotors with Active Bearings.
Darmstadt .
[Book], (2018)

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Item Type: Book
Title: Unbalance and Resonance Elimination on General Rotors with Active Bearings
Language: English
Abstract:

Rotating machinery has a subtle, but profound impact on contemporary societies. Many modern achievements owe their existence to these machines, ranging from electrical power, cars, airplanes, to rockets. In these machines, rotor unbalances cause vibrations and stresses, decreasing their lifetime and leading to noise pollution. For decades, balancing and damping were the only methods to reduce these vibrations.

The introduction of active magnetic bearings enabled new possibilities for rotor vibration reduction. Sophisticated control algorithms do not only allow for a reduction, but for a complete elimination of bearing forces caused by unbalances. Still, the existing methods suffer from drawbacks, including unclear behavior in rotor resonances, and poor stability. The invention of active bearings based on piezoactuators complicated the situation further: depending on the researcher’s background, contradicting methods are used for vibration reduction, resulting in an unclear and fragmented problem understanding.

This work strives to resolve the apparent contradictions and drawbacks of the currently available methods to eliminate unbalances, generating a unified Problem solution for different active bearing technologies. After a careful Revision of the JEFFCOTT rotor, a new control approach is suggested. The latter does not only eliminate the rotor’s unbalance forces, but also the rotor’s resonance. The approach is extended to cover rotors with arbitrary mass, stiffness, damping and gyroscopic properties. A general, analytic solution indicates that the proposed control algorithm allows for a complete elimination of bearing forces and two rotor resonances. This is possible even when the rotor is attached to an arbitrary, flexible structure.

The theoretical considerations allow for a derivation of control strategies for different actuator principles, technologies and arrangements, resulting in a consistent problem treatment and understanding. Actuator dimensioning Guidelines enable an effortless practical realization.

This work introduces a new stability theorem for arbitrary mechanical Systems with collocated controllers. The theorem is subsequently applied to proof the controller’s superior stability properties, resulting in unconditional stability for general rotors.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Rotierende Maschinen haben einen tiefgehenden Einfluss auf heutige Gesellschaften. Moderne Errungenschaften wie Elektrizität, Autos, Flugzeuge und auch Raketen wären ohne diese Maschinen undenkbar. Unwuchten am Rotor führen zu Schwingungen, welche sich in einer reduzierten Lebensdauer und Lärmbelästigung niederschlagen. Für Jahrzehnte waren das Auswuchten des Rotors und die Einbringung von Dämpfung die einzigen Möglichkeiten um diese Schwingungen zu reduzieren. Magnetlager eröffneten neue Möglichkeiten bei der Schwingungsreduktion, und hochentwickelte Regelungsalgorithmen erlauben das vollständige Entfernen von Unwuchtkräften. Leider sind viele dieser Verfahren mit Nachteilen behaftet, beispielsweise das unbestimmte Verhalten in Resonanzen und die schlechten Stabilitätseigenschaften. Die Einführung von aktiven Lagern mit Piezoaktoren verkomplizierte die Situation zusätzlich: Abhängig von der verwendeten Technologie werden verschiedene, sich scheinbar widersprechende Methoden eingesetzt, welche eine vereinheitlichte Betrachtung des Problems verhindern. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Widersprüche und Nachteile gegenwärtiger Methoden zur Eliminierung von Lagerkräften zu lösen, wodurch eine vereinheitlichte Betrachtung verschiedener aktiver Lagertechnologien ermöglicht wird. Für den LAVAL-Rotor wird ein neuer Regelungsansatz vorgestellt. Dieser eliminiert nicht nur die Unwuchtkräfte, sondern auch dessen Resonanz. Der Ansatz wird schließlich erweitert, um auch Rotoren mit beliebigen Massen, Steifigkeiten, Dämpfungen und gyroskopischen Effekten abzubilden. Die analytische Lösung des geschlossenen Regelkreises zeigt, dass nicht nur alle Lagerkräfte, sondern auch zwei Resonanzen eliminiert werden können. Dies ist sogar für Rotoren in einem flexiblen Gehäuse möglich. Die theoretischen Betrachtungen erlauben die Ableitung von Regelgesetzen für verschiedene Aktorprinzipien, Technologien und Anordnungen, welche zu einem vereinheitlichten Problemlösung führen. Auslegungsvorschriften für Aktoren vereinfachen eine praktische Realisierung. Diese Arbeit führt weiterhin ein neues Stabilitätskriterium für mechanische Systeme mit kollokiertem Regler ein. Mit diesem Kriterium werden die außergewöhnlichen Stabilitätseigenschaften des vorgestellten Reglers geschlossen bewiesen.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Mechatronic Systems in Mechanical Engineering (IMS)
16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Mechatronic Systems in Mechanical Engineering (IMS) > Aircraft Engines and Rotating Machinery
Date Deposited: 26 Jan 2018 12:13
Last Modified: 26 Jan 2018 12:13
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-69678
Referees: Rinderknecht, Prof. Dr. Stephan and Schweizer, Prof. Dr. Bernhard
Refereed: 19 April 2017
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/6967
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