Aktive Schwingungsminderung an elastischen Rotoren mittels piezokeramischer Aktoren

Beschreibung

Zur Steigerung der Produktivität wird in vielen Industriebereichen die Steigerung der Betriebsdrehzahlen rotierender Maschinen angestrebt. Die Biegeschwingungen der Rotoren im Betrieb stellen dabei oft ein Hindernis dar, welches nur durch wirksame Maßnahmen der Schwingungsminderung überwunden werden kann. Das Ziel der vorliegenden Arbeit besteht vor diesem Hintergrund in der Entwicklung und Erforschung neuer Ansätze zur aktiven oder adaptiven Schwingungsminderung elastischer Rotoren mit Hilfe von piezokeramischen Aktoren. Aus einer Vielzahl möglicher Strategien zur Beeinflussung des Schwingungsverhaltens rotierender Maschinen werden drei Lösungsprinzipien zur Untersuchung ausgewählt. Dies sind die aktive Schwingungsminderung mit Hilfe einer aktiven Lagerabstützung mit integrierten piezokeramischen Stapelaktoren, die Verwendung der aktiven Lagerabstützung zur adaptiven elektromechanischen Tilgung und die aktive Schwingungsbeeinflussung des Rotors mit rotorgebundenen piezokeramischen Elementen, die auf der Oberfläche des Rotors angebracht werden. Als Basis für numerische Berechnungen und Simulationen werden zunächst die mathematische Modellierung elastischer Rotoren mit Hilfe von finiten Balkenelementen, die Integration der rotordynamischen Eigenschaften und die Abbildung von Lagerstrukturen und elektronischen Komponenten des Regelkreises erläutert. Mit Hilfe dieser Modelle wird das dynamische Verhalten von zwei ausgezeichneten Rotorvarianten untersucht, einem fliegend gelagerten Läufer mit hoher Elastizität der Rotorwelle und einem steiferen Rotor mit zwischen den Lagern angeordneter Läuferscheibe. Ein zentraler Bestandteil dieser Arbeit ist die modellbasierte Auslegung, Dimensionierung und Anordnung von piezokeramischen Stellgliedern und die Untersuchung der modalen Beeinflussung des Rotors mit Hilfe dieser Aktoren. Anhand von einfachen Lavalrotormodellen werden analytische Berechnungsformeln entwickelt, die eine schnelle Aussage zur Machbarkeit der vorgestellten Maßnahmen für konkrete Rotoranwendungen erlauben sollen. Im Weiteren wird der Entwurf modellbasierter Regelungen zur Schwingungsminderung beschrieben. Hierbei werden zwei Strategien verfolgt, zum einen eine adaptive Optimalregelung mit dynamischem Beobachter auf Basis eines modal formulierten linear quadratischen Gütekriteriums und zum anderen ein robuster Reglerentwurf auf Basis der μ-Synthese. Beide Verfahren sollen einen stabilen Betrieb der Rotoren in einem Drehfrequenzbereich bis 200Hz ermöglichen. In Simulationen können wirkungsvolle Schwingungsreduktionen in den kritischen Resonanzbereichen bei beiden Rotorvarianten erzielt werden. Zur Validierung der Simulationen und zum Nachweis der technischen Machbarkeit wurde ein Versuchsstand eines fliegend gelagerten Rotors entwickelt. Die experimentellen Untersuchungen konzentrierten sich auf die Vermessung des geregelten und ungeregelten Systemverhaltens des stillstehenden Rotors und die Untersuchung des Schwingungsverhaltens mit und ohne Regelung während des Anfahrens des Rotors bis zu einer maximalen Drehfrequenz von 150Hz. Bei den experimentell erprobten Maßnahmen zur Schwingungsminderung bietet sich ein zweigeteiltes Bild. Bei der Verwendung der aktiven Lagerabstützung als elektromechanischer Tilger bleiben die gemessenen Schwingungsreduktionen weit hinter den Ergebnissen der Simulation zurück, was durch Reibungsvorgänge in den verwendeten Aktoren erklärt wird. Im Gegensatz dazu werden die Simulationsergebnisse bei den Verfahren mit aktiver Regelung weitgehend bestätigt, und es zeigt sich eine sehr gute Übereinstimmung im geregelten Systemverhalten sowohl bei stehendem Rotor als auch im drehenden Betrieb. Für alle Regelungsansätze kann ein stabiles Systemverhalten bis zur maximalen Betriebsdrehzahl nachgewiesen werden und Schwingungsreduktionen in den kritischen Resonanzen im Bereich von 92-98%.

Autor*in

Hans G Horst

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Maschinenbau Piezo Regelung Rotordynamik Sensoren

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