Rotorabstürze in Wälzlager - Experimentelle Untersuchung des Rotor-Fanglager-Kontakts

Bei magnetgelagerten Rotoren kann es im Fall von Überlast oder Ausfall der Magnetlager zu Fanglagerkontakt kommen. Die gefährlichste der dann auftretenden Bewegungsformen ist das Rückwärtswirbeln des Rotors, das durch Reibkräfte angefacht wird. Diese Arbeit befasst sich mit der Dynamik des Systems mit Fanglagerung mittels Wälzlagern mit und ohne Abnutzung und fokussiert auf das Rotor-Fanglager-Zusammenspiel in kritischen Situationen. Mittels Hochgeschwindigkeitsvideographie und Bilderkennung werden die Positionen von Rotor, Innenring und Wälzelementen im Verlauf des Kontaktvorgangs bestimmt. Damit werden zwei entscheidende Informationen für das Verständnis der Rotor-Fanglager-Interaktion gewonnen. Einerseits geben die ermittelten Geschwindigkeiten und Beschleunigungen von Innenring und Wälzkörpern Aufschluss über das Hoch- und Auslaufverhalten des Fanglagers im Zusammenspiel mit dem Rotor. Andererseits wird modellbasiert aus den ermittelten Fanglagerbeschleunigungen auf die Reibkräfte zwischen Rotor und Fanglager, die nicht direkt gemessen werden können, geschlossen. Um die Anfangs- und Randbedingungen, die zu einer Wirbelbewegung führen, zu erkennen, werden weitere Versuchsreihen mit Fanglagern verschiedener Abnutzungsgrade mit und ohne Dämpfungselementen durchgeführt. Aus diesen Ergebnissen werden Stabilitätskarten erstellt, mit denen die Einflüsse von Rotorpositionen, Rotordrehfrequenzen und Fanglagerungsart auf das Systemverhalten nach einem Rotorabsturz visualisiert und verglichen werden können. Abschließend wird ein aus den Ergebnissen dieser Arbeit entwickeltes neues Fanglagerkonzept, das mit der Ablenkung des Rotors aus einer eventuellen Wirbelbahn arbeitet, vorgestellt und analysiert. Aus den vorgestellten Analysen werden Empfehlungen abgeleitet, welche Einflussparameter ein Simulationsmodell eines Rotor-Fanglager-Kontakts abbilden sollte.

This thesis addresses the experimental investigation of rotor-retainer-bearing-contacts due to a failure of active magnetic bearings. The thesis gives attention to the dynamics of the rotor system which contains roller bearings as retainer bearings. The work focuses on the development of the most critical state that can occur, the backward whirl motion, which is initiated by friction forces acting on the rotor. By employing a high-speed video analysis and image recognition techniques, the positions of the rotor, the inner ring, and the rolling elements of the retainer bearings during the contact procedure of the drop-down are detected. Studies presented in this thesis lead to two kinds of information regarding the understanding of rotor-retainer-bearing-interaction. Firstly, the found speeds and accelerations of the inner ring and the rolling elements shed light on the run-up and run-out behavior of the retainer bearing interacting with the rotor. Secondly, the friction forces, which can not be measured directly, are calculated from the accelerations of the bearing elements using a model-based approach. In a second set of tests, the initial and boundary conditions which lead to the whirling of the rotor are analyzed experimentally. The roller bearings in various stages of wear are examined in a combination with and without the use of additional damper-elements. These analyses are used to generate stability maps that show the influences of rotor position, rotational frequency and kind of retainer bearing unit on the system behavior following a rotor crash. Employing the information generated in this thesis, a new type of retainer bearing construction is developed and analyzed. The new type of retainer bearing prevents the rotor from forming a whirl motion using a non-circular air gap. In order to reach a realistic simulation model of rotor-retainer-bearing-contacts, recommendations are given concerning the choice of influence parameters.