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Vergleich einer piezoelektrischen Lagerabstützung mit Quetschöldämpfern zur Schwingungsreduktion eines elastischen Rotors

Kaletsch, Christian (2011):
Vergleich einer piezoelektrischen Lagerabstützung mit Quetschöldämpfern zur Schwingungsreduktion eines elastischen Rotors.
Darmstadt, Deutschland, TU Darmstadt, Maschinenbau, [Online-Edition: urn:nbn:de:tuda-tuprints-27785],
[Ph.D. Thesis]

Abstract

Ziel dieser Arbeit ist es erstmals eine aktive Lagerabstützung mit Piezostapelaktoren für elastisch Rotoren anhand der Reduktionfähigkeit von der Rotorschwingungen einer passiven Lagerabstützung mit Quetschöldämpfern gegenüberzustellen. Hierfür steht am Institut für Mechatronische Systeme im Maschinenbau der Technischen Universität Darmstadt ein mittelgroßer elastischer Rotor als Untersuchungsobjekt zur Verfügung. Vor Beginn dieser Arbeit standen Schwingungsmessdaten mit Quetschöldämpfern zu Verfügung, die das Reduktionsmaß von Rotorschwingungen mit Quetschöldämpfern aufzeigen. Für den angestrebten Vergleich wurde das Prüfstanddesign so verändert dass die aktiven Elemente wie die Piezostapelaktoren sowohl geometrisch als auch funktionell in die Prüfstandstruktur eingebracht werden konnten, sodass Schwingungsmessdaten auf Basis des aktiven Dämpfungselements erstellt werden konnten. Aufgrund des Vergleichs der Schwingungsreduktionsfähigkeit der beiden Dämpfungselemente konnte experimentell nachgewiesen werden, dass durch den Einsatz einer aktiven Lagerabstützung mit Piezostapelaktoren eine größere Reduktion von radialen, unwuchtinduzierten Biegeschwingungen eines elastischen Rotors als mit Quetschöldämpfern in den Resonanzen des vorliegenden Systems möglich ist. Für die aktive Lagerabstützung ist die hohe Dämpfungsleistung nicht nur auf ein Auslegungsoptimum beschränkt, wie es bei den Quetschöldämpfern der Fall ist, sondern auf den gesamten Drehzahlbereich übertragbar. Außerdem konnte gezeigt werden, dass durch den Einsatz der aktiven Lagerabstützung eine signifikante Reduktion der Lagerkräfte in den beiden Resonanzen des Systems bezüglich eines ungeregelten Betriebes erreicht werden konnte. Hilfreich für die Entwicklung von Flugtriebwerken ist die Fähigkeit einer aktiven Lagerabstützung, durch den Einsatz von verschiedenen digitalen Reglertypen die Schwingungscharakteristik eines rotierenden Systems wesentlich beeinflussen zu können. Neben der schon erwähnten Variationsmöglichkeit der äußeren Dämpfung und damit der Reduktion der Schwingungsamplituden kann auch die Gesamtsteifigkeit des Systems aktiv beeinflusst und so die Lage von Resonanzstellen verändert werden.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2011
Creators: Kaletsch, Christian
Title: Vergleich einer piezoelektrischen Lagerabstützung mit Quetschöldämpfern zur Schwingungsreduktion eines elastischen Rotors
Language: German
Abstract:

Ziel dieser Arbeit ist es erstmals eine aktive Lagerabstützung mit Piezostapelaktoren für elastisch Rotoren anhand der Reduktionfähigkeit von der Rotorschwingungen einer passiven Lagerabstützung mit Quetschöldämpfern gegenüberzustellen. Hierfür steht am Institut für Mechatronische Systeme im Maschinenbau der Technischen Universität Darmstadt ein mittelgroßer elastischer Rotor als Untersuchungsobjekt zur Verfügung. Vor Beginn dieser Arbeit standen Schwingungsmessdaten mit Quetschöldämpfern zu Verfügung, die das Reduktionsmaß von Rotorschwingungen mit Quetschöldämpfern aufzeigen. Für den angestrebten Vergleich wurde das Prüfstanddesign so verändert dass die aktiven Elemente wie die Piezostapelaktoren sowohl geometrisch als auch funktionell in die Prüfstandstruktur eingebracht werden konnten, sodass Schwingungsmessdaten auf Basis des aktiven Dämpfungselements erstellt werden konnten. Aufgrund des Vergleichs der Schwingungsreduktionsfähigkeit der beiden Dämpfungselemente konnte experimentell nachgewiesen werden, dass durch den Einsatz einer aktiven Lagerabstützung mit Piezostapelaktoren eine größere Reduktion von radialen, unwuchtinduzierten Biegeschwingungen eines elastischen Rotors als mit Quetschöldämpfern in den Resonanzen des vorliegenden Systems möglich ist. Für die aktive Lagerabstützung ist die hohe Dämpfungsleistung nicht nur auf ein Auslegungsoptimum beschränkt, wie es bei den Quetschöldämpfern der Fall ist, sondern auf den gesamten Drehzahlbereich übertragbar. Außerdem konnte gezeigt werden, dass durch den Einsatz der aktiven Lagerabstützung eine signifikante Reduktion der Lagerkräfte in den beiden Resonanzen des Systems bezüglich eines ungeregelten Betriebes erreicht werden konnte. Hilfreich für die Entwicklung von Flugtriebwerken ist die Fähigkeit einer aktiven Lagerabstützung, durch den Einsatz von verschiedenen digitalen Reglertypen die Schwingungscharakteristik eines rotierenden Systems wesentlich beeinflussen zu können. Neben der schon erwähnten Variationsmöglichkeit der äußeren Dämpfung und damit der Reduktion der Schwingungsamplituden kann auch die Gesamtsteifigkeit des Systems aktiv beeinflusst und so die Lage von Resonanzstellen verändert werden.

Place of Publication: Darmstadt, Deutschland
Uncontrolled Keywords: Rotordynamik, aktive Lagerabstützung, Piezoaktoren, Quetschöldämpfer
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Mechatronic Systems in Mechanical Engineering (IMS)
16 Department of Mechanical Engineering
Date Deposited: 01 Nov 2011 08:01
Official URL: urn:nbn:de:tuda-tuprints-27785
License: only the rights of use according to UrhG
Referees: Rinderknecht, Prof. Dr.- Stephan and Dreizler, Prof. Dr. Andreas
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 14 June 2011
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
rotordynamic, aktive bearing support, piezo actuators, squeeze film damperEnglish
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
The aim of this research is to compare an active bearing support with squeeze film dampers for vibration reduction. The active system consists of a rotor comparable to a real aircraft engine, the actuator, the sensors and the controller. In order to compare the damping devices the active system was geometrical and functional integrated in the test rig environment. For reduction of the rotor vibrations a PID-, IFF, DVF-controller controllers are designed. Best results were achieved by integrating a PID-controller leading to higher vibration reductions than with a squeeze film damper. This work can be used as an approach to integrate an active bearing support in an aircraft.English
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