Dynamik, Stabilitäts- und Bifurkationsanalyse von Rotorsystemen mit Luftlagern: Numerische Untersuchung und Optimierung
Dynamik, Stabilitäts- und Bifurkationsanalyse von Rotorsystemen mit Luftlagern: Numerische Untersuchung und Optimierung
Luftlager eignen sich zur Lagerung schnell drehender Rotorsysteme in Umgebungen mit höchsten Reinheitsanforderungen, z. B. in Brennstoffzellen. Weit verbreitet sind Luftlager mit starrem Gehäuse, die aufgrund der geringen Dämpfungseigenschaften von Luft unterhalb der Stabilitätsgrenze betrieben werden müssen. Auch Folienluftlager mit einer zusätzlich dämpfenden Folienstruktur zwischen dem Luftfilm und dem Gehäuse kommen zum Einsatz. Aufgrund der starken Kopplung der Struktur mit dem Luftfilm können Vorspannungen in der Struktur jedoch zu höheren Abhebedrehzahlen und damit zu erhöhtem Verschleiß beim Start/Stopp des Rotorsystems führen.
Im Rahmen dieser Arbeit wird ein weiterer Typ von Luftlagern, hier bezeichnet als Air Ring Bearing, untersucht, der als eine Kombination der oben genannten Lagertypen angesehen werden kann. Dabei wird eine starre Buchse beweglich zwischen der Folienstruktur und dem Rotor angeordnet. Alternativ zur Folienstruktur kann auch ein Elastomer verwendet werden. Durch die externe, zusätzliche Dämpfung der Folienstruktur ist mit Air Ring Bearings auch ein Betrieb des Rotorsystems oberhalb der Stabilitätsgrenze möglich. Durch die starre Buchse werden Luftfilm und Struktur entkoppelt, wodurch der Rotor früher abhebt und der Lagerverschleiß beim Start/Stopp deutlich reduziert wird.
In dieser Arbeit wird ein schnelldrehendes Rotorsystem mit zwei Air Ring Bearings betrachtet. Ziel ist der Betrieb des Systems oberhalb der Stabilitätsgrenze bei selbsterregten Schwingungen mit tolerierbaren, moderaten Amplituden. Mithilfe von Hochlaufsimulationen wird das stark nichtlineare Verhalten des Rotorsystems untersucht und anhand von Bifurkationspfaden systematisch beschrieben. Auftretende dynamische Effekte und Bifurkationseffekte aufgrund der Nichtlinearität werden physikalisch ausführlich erklärt. In anschließenden Optimierungsstudien werden weite Parameterbereiche ermittelt, in denen ein technisch sicherer Betrieb des Rotorsystems möglich ist.
Zur Untersuchung des stark nichtlinearen Systems wird ein komplexes Co-Simulationsmodell verwendet. Dieses besteht zum einen aus einem Mehrkörpersystem, in dem die Bewegungen des Rotors und der Buchsen modelliert werden, und zum anderen aus Finite-Elemente-Systemen, die die Luftfilme modellieren.
Air bearings are suitable for mounting high-speed rotor systems in environments with high purity requirements, such as fuel cells. Air bearings with rigid housings are widely used, which must be operated below the stability limit due to the low damping properties of air. Air foil bearings with an additional damping foil structure between the air film and the housing are also used. However, due to the strong coupling with the air film, preloads in the structure can result in higher lift-off speeds and thus increased wear during start/stop of the rotor system.
Another type of air bearing, referred to here as an air ring bearing, which can be regarded as a combination of the above types of bearings, is investigated in this thesis. Here, a rigid bushing is movably arranged between the foil structure and the rotor. As an alternative to the foil structure, an elastomer can also be used. Due to the additional external damping, rotor systems with air ring bearings can be operated above the stability limit. The rigid bushing decouples the air film from the structure, allowing the rotor to lift off earlier and improving the wear properties of the bearing.
This thesis considers a high-speed rotor system with two air ring bearings. The objective is to operate the system above the stability limit with self-excited vibrations of tolerable moderate amplitudes. The highly nonlinear behavior of the rotor system is studied using run-up simulations and systematically described using bifurcation paths. Dynamic and bifurcation effects due to the nonlinearity are explained in physical detail. In subsequent optimization studies, large parameter ranges are determined in which technically safe operation of the rotor systems is possible.
A complex co-simulation model is used to study the highly nonlinear system. It consists of a multi-body system, in which the movements of the rotor and the bushings are modeled, and finite element systems, in which the air films are modeled.