Rapid modelling of multi-stepped rotor dynamics

Abstract

ÖZET Rotorların dinamik davranışı üzerine yapılan çalışmaların ana amacı titreşim problemlerine maruz kalmayan dönen makinaların gelişimine imkân sağlamaktır. Rotor dinamiğinin tahmin edilmesi birçok makina için önemli sonuçlara sahiptir. Dönen bileşenlere sahip birçok makina vardır; örneğin türbin, kompresör, pompa, takım tezgâhı, helikopter ve dişçi girgin rotorları. Bu sistemlerin dinamiği arzu edilen şekilde çalışmaları, kararlılık, verimlilik ve sağlık açısından oldukça önemlidir. Keza, tahrik frekanslarından birinin sistemin doğal frekanslardan birine çok yakın olması gibi, eğer doğal frekanslardan biri çalışma alanı içinde ise sistem rezonansa girebilir ve ortaya çıkan büyük genlikli titreşimler işlemin hassasiyet ve verimliliğinde kayba yol açıp rulmanlarda ve makinanın diğer elemanlarında hasara neden olabilir. Rotor dinamiği analizinde iki ana yaklaşım vardır. Kullanımda olan rotorlar için sistem dinamiği modal analiz gibi deneysel yöntemlerle elde edilebilir. Bu hızlı bir yaklaşım olmasına karşın, hali hazırda bir deney düzeneğinin kurulu olması gereklidir. Ayrıca, takım tezgahı anamilindeki değişik takım ve takım tutucular için olduğu gibi, eğer rotora değişik bileşenler eklenirse ölçümler her kombinasyon için tekrarlanmalıdır ve bu da birçok ölçüm yapılmasına ve makinanın verimli zamanında kayba neden olur. Tasarım sırasında rotor dinamiğinin tahmin edilmesi de dinamik analiz gerektiren önemli bir durumdur. Tabi ki böyle bir durumda deneysel yaklaşım uygulanabilir bir metot değildir. Bunun yerine dinamiğin tahmin edilmesinde sonlu elemanlar analizi kullanılabilir. Bu birçok durum için geçerli çözüm olabilir. Bununla beraber modelin geliştirilmesi için sertlik ve sönüm gibi temas parametrelerinin bilinmesi gerekir. Ayrıca mümkün olan en küçük dönme ataletiyle en büyük dinamik rijitliği sağlayacak en uygun tasarım için birçok simülasyon gerçekleştirilmelidir. Bu genellikle çok zaman alır ve en uygun konfigürasyon hiçbir zaman elde edilemeyebilir. Bu çalışmanın amacı makinanın tasarımı ve çalıştırılması esnasında kullanılmak üzere rotor-rulman sistemlerinin dinamik analizi için hızlı bir metot geliştirmektir. Bu metot değişik geometrik konfîgürasyonlar için kritik bölgelerde sistemin frekans cevabı fonksiyonunu çok hızlı bir şekilde belirlemek amacıyla kullanılabilir ve bu sayede tasarım optimize edilebilir. Rulman önyüklemeleri gibi sistemin bazı dâhili parametrelerinin değerleri ve etkileri de bu metot kullanılarak belirlenebilir. Aynca, rotora yeni bileşenlerin eklenmesinin ardından sistemin dinamik cevabı yenilenebilir.

ABSTRACT The major objective of the studies on the dynamic behaviour of rotors is to allow development of rotating machinery that will be free from vibrational problems. Rotor dynamics prediction has several important consequences for a large group of machinery. First of all, there are many machines with rotating components, i.e. rotors, such as turbines, compressors and pumps, machine tools, helicopters, dentist's tooth grinders etc. The dynamics of these systems are very critical for their proper functioning, stability, efficiency and health. For example, if one of the natural frequencies is in the operation region of the system, i.e. one of the excitation frequencies during the operation is close to one of the natural frequencies, then the system may resonate and the resulting large amplitude vibrations will cause loss of accuracy and efficiency in the operation, and may also damage the bearings and the rest of the machinery. There are two main approaches to rotor dynamics analysis. For existing rotors, the dynamics can be measured using experimental techniques such as modal analysis. Although this can be a fast approach, it requires the experimental set up be available. Also, if there are many different components added to the rotor, such as different tool holders and tools on a machine tool spindle, then the measurements must be repeated for each combination which may result in high number of tests and waste of productive time on the machine. Prediction of the rotor dynamics during the design is another critical case where dynamics analysis is required. Obviously, testing is not a possible technique for this case. FEA can be used for the prediction of the dynamics. This may be a viable solution in many cases, however the bearing contact parameters, i.e. stiffness and damping, must be known in order to develop the model. Also, many simulations have to be performed for optimal design resulting in highest dynamic rigidity with smallest possible rotary inertia. This is usually very time consuming, and the optimal configuration may never be obtained. The objective of this study is to develop a fast method for the dynamic analysis of rotor-bearing systems so that they can be used during the design and the operation of the machinery. The method can be used to determine the frequency response function of the system at critical locations for different geometric configurations very fast so that the design could be optimized. The effects and optimal values of some internal system parameters such as bearing preloads could also be determined using the method. Also, the dynamic response of the system could be updated after new components are added to the rotor. IV