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August 2011
Eric Ngondi
Ermittlung der Fluidkräfte in Quetschfilmdämpfern mit Hilfe von aktiven Magnetlagern und CFD-Methoden
Durch eine gelungene Auslegung eines Quetschfilmdämpfers kann erreicht werden, dass die Schwingamplituden in rotierenden Maschinen gesenkt, die Kraftübertragung in die Substruktur reduziert und instationär angeregte Schwingungen stabilisiert werden.
Der Quetschfilmdämpfer weist eine stark nichtlineare Charakteristik auf. Bei realistischen Betriebsbedingungen liegt die Strömung im Grenzbereich der Turbulenz. Die Einführung einer Nut zur homogenen Verteilung des Fluids im Dämpferspalt verändert die dynamischen Eigenschaften entscheidend und führt zu noch größeren Trägheits- und Turbulenzeffekten. Die genannten Eigenschaften erschweren die experimentelle und theoretische Untersuchung so, dass der Einsatz klassischer Untersuchungsmethoden keine nennenswerten Fortschritte zur zuverlässigen Auslegung dieser Maschinenkomponente liefern kann.
In der vorliegenden Arbeit werden aktive Magnetlager und CFD-Methoden zur Ermittlung der Fluidkräfte in Quetschfilmdämpfern verwendet. Mit Hilfe der Magnetlager wird die Struktur angeregt und die Fluidkräfte erfasst. Beide Prozesse erfolgen zeitgleich und berührungslos. Mit der numerischen CFD-Berechnung werden die vollen Navier-Stokes-Gleichungen gelöst. Auf diese Weise können Trägheits- und Turbulenzeffekte berücksichtigt werden. Die Anwendung der genannten Ansätze ermöglicht es eine flexible und detaillierte Untersuchung zu erreichen. Die die gewonnenen Erkenntnisse können in die Auslegung von Quetschfilmdämpfern einfließen und sie zuverlässiger machen.
Ziel der experimentellen Untersuchung ist es, eine breite Datengrundlage zu schaffen, in dem Versuche im Bereich realistischer Betriebsbedingungen durchgeführt werden. Durch eine Variation der Dämpfergeometrie wird der Einfluss der Nut auf die Gesamtfluidkraft erfasst. Auf der Grundlagen der Messergebnisse werden Kraftbewegungsgesetze ermittelt, welche die dynamischen Eigenschaften vereinfachend beschreiben. Der Einfluss der Nutgeometrie und des Zuführdrucks auf die dynamischen Koeffizienten wird gezeigt und diskutiert.
Bei den theoretischen Arbeiten steht die numerische Berechnung der Fluidkräfte im Mittelpunkt. Ziel ist die Validierung eines vorhandenen Berechnungsansatzes auf extreme Betriebsbedingungen auszudehnen. Die Aussagekraft der Simulationsergebnisse wird durch einen Vergleich mit Messdaten bewiesen.
Der Quetschfilmdämpfer weist eine stark nichtlineare Charakteristik auf. Bei realistischen Betriebsbedingungen liegt die Strömung im Grenzbereich der Turbulenz. Die Einführung einer Nut zur homogenen Verteilung des Fluids im Dämpferspalt verändert die dynamischen Eigenschaften entscheidend und führt zu noch größeren Trägheits- und Turbulenzeffekten. Die genannten Eigenschaften erschweren die experimentelle und theoretische Untersuchung so, dass der Einsatz klassischer Untersuchungsmethoden keine nennenswerten Fortschritte zur zuverlässigen Auslegung dieser Maschinenkomponente liefern kann.
In der vorliegenden Arbeit werden aktive Magnetlager und CFD-Methoden zur Ermittlung der Fluidkräfte in Quetschfilmdämpfern verwendet. Mit Hilfe der Magnetlager wird die Struktur angeregt und die Fluidkräfte erfasst. Beide Prozesse erfolgen zeitgleich und berührungslos. Mit der numerischen CFD-Berechnung werden die vollen Navier-Stokes-Gleichungen gelöst. Auf diese Weise können Trägheits- und Turbulenzeffekte berücksichtigt werden. Die Anwendung der genannten Ansätze ermöglicht es eine flexible und detaillierte Untersuchung zu erreichen. Die die gewonnenen Erkenntnisse können in die Auslegung von Quetschfilmdämpfern einfließen und sie zuverlässiger machen.
Ziel der experimentellen Untersuchung ist es, eine breite Datengrundlage zu schaffen, in dem Versuche im Bereich realistischer Betriebsbedingungen durchgeführt werden. Durch eine Variation der Dämpfergeometrie wird der Einfluss der Nut auf die Gesamtfluidkraft erfasst. Auf der Grundlagen der Messergebnisse werden Kraftbewegungsgesetze ermittelt, welche die dynamischen Eigenschaften vereinfachend beschreiben. Der Einfluss der Nutgeometrie und des Zuführdrucks auf die dynamischen Koeffizienten wird gezeigt und diskutiert.
Bei den theoretischen Arbeiten steht die numerische Berechnung der Fluidkräfte im Mittelpunkt. Ziel ist die Validierung eines vorhandenen Berechnungsansatzes auf extreme Betriebsbedingungen auszudehnen. Die Aussagekraft der Simulationsergebnisse wird durch einen Vergleich mit Messdaten bewiesen.
Schlagwörter: Quetschfilmdämpfer; Magnetlager; CFD-Methoden; Rotordynamik
Forschungsberichte Mechatronik & Maschinenakustik
Herausgegeben von Prof. Dr.-Ing. R. Nordmann, Darmstadt
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