Experimental study of the dynamic behavior of gas foil bearings and its constructive controllability
Final Report Abstract
Das Hauptziel des Forschungsprojektes war die Erschaffung einer grundlegenden experimentellen Datenbank, die über Lagerparameter von Gasfolienlagern des grundlegenden Typs I detaillierte Auskunft gibt. Darüber hinaus sollten die Ergebnisse rotordynamischer Untersuchungen bei Verwendung dieses Lagertyps ebenfalls für zukünftige Untersuchungen zur Verfügung gestellt werden. Die Daten dienen den Forschungsinstituten zur Validierung sowie Optimierung von numerischen Modellen zur rechnerischen Vorhersage von Gasfolienlagerparametern und des rotordynamischen Verhaltens von gasfoliengelagerten Systemen. Das rotordynamische Verhalten von Gasfolienlagern lässt sich generell schwer vorhersagen, da starke Nichtlinearitäten herrschen, die zu einer Vielzahl von subharmonischen Schwingungen führen. Aus diesem Grund liefert die experimentelle rotordynamische Untersuchung unter kontrollierten Bedingungen eine gute Datenbasis über das reale Schwingungsverhalten und dient damit einer deutlichen Verbesserung der Simulationsmodelle. Ein weiteres Ziel war die Untersuchung von Maßnahmen zur Unterdrückung der subharmonischen Schwingungen, die in diesem Forschungsprojekt am Beispiel der relativ einfach herzustellenden und zu verwendenden Shims erfolgte. Die Ermittlung der Lagerparameter erfordert zunächst die Inbetriebnahme des jeweiligen Prüfstands. Dabei wurden zwei bauliche Maßnahmen am bereits vorhandenen Teststand durchgeführt, nämlich das Einbauen von hoch-präzisen Spindellagern zur Reduzierung der Schwingung des Rotorzapfens sowie eine Modifikation der Lagerung des Lagerbocks, um eine bessere Fluchtung des Lagers am Rotor zu gewährleisten. Die Umbauten wurden von Untersuchungen begleitet, um ihren Einfluss auf das Betriebsverhalten zu überprüfen. Die Untersuchungen zur Lagerparameteridentifikation zeigten, dass die direkten Lagersteifigkeiten und -dämpfungen über den gesamten Anregungsfrequenzbereich größer als die gekoppelten sind. Weiterhin sind die Steifigkeiten und Dämpfungen im Stillstand, also ohne den Luftschmierfilm, höher als beim rotierenden Rotor. Dieses Verhalten ist auf die geringere Steifigkeit und Dämpfung der Luft zurückzuführen. Mit zunehmender Drehzahl nimmt die Lagersteifigkeit ab. Dies liegt vermutlich daran, dass der Luftspalt bzw. der Schmierfilm bei steigender Drehzahl zunimmt, wodurch der dynamische Anteil der elastischen Lagerwand an der gesamten Lagersteifigkeit sinkt. Durch eine Lagermodifikation mit Shims lässt sich die Steifigkeit erhöhen. Die Dämpfung ändert sich allerdings dabei geringfügig. Im Verlauf der rotordynamischen Untersuchungen wurden Kenntnisse über das dynamische Verhalten eines starren, in zwei Gasfolienlager gelagerten Rotors gewonnen. Zu diesem Zweck wurde ein Prüfstand konstruiert und gefertigt. Der Teststand besteht aus einem symmetrisch aufgebauten Rotor, angetrieben von einer Gleichdruckturbine (Pelton-Turbine). Eine Voruntersuchung zur Bestimmung der Resonanz des Rotors wurde durchgeführt. Die Schwingungsuntersuchung des Rotors wurde bei unterschiedlichen Beschleunigungen, Wuchtzustände, Lagerlasten sowie mit und ohne Lagermodifikation durchgeführt. Die Ergebnisse aus Hoch- und Runterfahrt zeigen superharmonische Schwingungen der Ordnung 2Ω und 3Ω sowie die Resonanzfrequenzen der Zylindermode und die der Kegelmode. Diese Moden treten bei unterschiedlichen Drehzahlen und abhängig von Hoch-oder Runterfahrt auf. Dieser Effekt ist dem Frequenzsprung sehr ähnlich, der bei dem Duffing-Schwinger zu beobachten ist. Die beim Duffing-Schwinger auftretende Frequenzmodulation lässt sich auch beim GFB-gelagerten Rotor beobachten. Um unterschiedliche Wuchtzustände zu erreichen, wurden am Rotor zusätzliche Wuchtsetzungen so angebracht, dass eine dynamische sowie eine statische Unwucht vorhanden war. Zusätzliche statische und dynamische Unwuchtverteilungen riefen subharmonischen Schwingungen der Ordnung 1/2 Ω, 1/3 Ω und 1/4 Ω hervor. Die Ursache für diesen Effekt ist die Erhöhung der Schwingwege, denn dadurch wird die Nichtlinearität des Systems verstärkt. Unterschiedliche statische Lasten, realisiert über Voll- und Hohlwelle, zeigten keinen nennenswerten Unterschied im rotordynamischen Verhalten. Die Verwendung von Shims verschob das Auftreten der subharmonischen Schwingungen in deutlich höhere Drehzahlbereiche. Weitere Forschungsfragen die sich bei diesem Projekt ergeben haben, betreffen das Verhalten anderer GFB Typen, axialer GFBs, und den Einfluss der Temperatur.
Publications
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”Experimental Analysis of the nonlinear Vibrations of a rigid Rotor in Gas Foil Bearings”, Technische Mechanik, Vol. 37, 2-5, p. 226-238, 2017
Hoffmann, R., Kayo, C., and Liebich, R.
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”Experimental structural analysis of gas foil bearings”. In Proceedings of the 10th International Conference on Rotor Dynamics – IFToMM, Rio de Janeiro September 2018, Mechanism and Machine Science, Vol. 60,p 264-280, K. L. Cavalca and H. I. Weber, eds, Springer, 2019
Kayo, C., and Liebich, R.
