Rotordynamics Module

Analysieren Sie die Dynamik rotierender Maschinen mit dem Rotordynamics Module

Rotordynamics Module

Die Druckverteilung im Schmierstoff der Lager (3D-Modell, Farbdarstellung), von Mises-Spannung (3D-Modell, blauer Farbverlauf) und Verschiebung der Lager (Orbit-Plot), als Ergebnis einer Rotordynamikanalyse.

Prognostische Rotordynamik-Simulation

Kenntnisse über die Rotordynamik sind wichtig in Anwendungen, in denen rotierende Maschinen und Bauteile vorkommen, wie z.B. in den Industriesektoren Automobil und Luftfahrt, bei der Energieerzeugung, sowie beim Design von elektrischen Produkten und Haushaltsgeräten. Das physikalische Verhalten von rotierenden Maschinen wird stark durch Vibrationen beeinflusst, die durch die Rotation der Maschinen selbst verstärkt werden können. Perfekt symmetrische Rotorbaugruppen weisen drehzahlabhängige Eigenfrequenzen auf. Unvollkommenheiten und Unwuchten können diese Frequenzen in komplizierter Weise anregen. Bei der Konstruktion von Maschinen mit rotierenden Teilen wird eine effiziente Möglichkeit benötigt, um dieses Verhalten zu berücksichtigen und den Betrieb und die Leistung zu optimieren.

Sie können das Rotordynamics Module, das eine Erweiterung des Structural Mechanics Module ist, verwenden, um die Auswirkungen der Rotorvibrationen zu analysieren und innerhalb akzeptabler Grenzen zu halten. Zu den verschiedenen Größen, die in diesem Modul ausgewertet werden können, zählen u.a. kritische Drehzahlen, Eigenfrequenzen, Stabilitätsschwellen sowie die stationären und transienten Reaktionen eines Rotors auf Unwuchten. Zudem lassen sich Interaktionen zwischen verschiedenen Bauteilen innerhalb der gesamten Baugruppe nachvollziehen.

Mit dem Rotordynamics Module können Sie die Auswirkungen verschiedener stationärer und bewegter Rotorbauteile, wie Naben und Lager, auf das Rotorverhalten bestimmen. Sie können Ihre Ergebnisse auch direkt in der Softwareumgebung auswerten und sie z.B. als Campbell-Diagramme, Orbit-Plots, Wasserfall-Plots oder Wirbel-Plots präsentieren.


Weitere Bilder:

  • Die von Mises Spannnungen und ein Orbit-Plot der verschiedenen Lager für eine Kurbelwelle, aus dem Festkörperrotor- Interface.

    Die von Mises Spannnungen und ein Orbit-Plot der verschiedenen Lager für eine Kurbelwelle, aus dem Festkörperrotor- Interface.

  • Wirbel-Plots werden in der Analyse von rotierenden Maschinen verwendet, die mit Balkenelementen simuliert wurden. Der von den Bauteilen, wie beispielsweise Lager und Scheiben, zurückgelegte Weg kann auch in diesen Plots enthalten sein. Wirbel-Plots werden in der Analyse von rotierenden Maschinen verwendet, die mit Balkenelementen simuliert wurden. Der von den Bauteilen, wie beispielsweise Lager und Scheiben, zurückgelegte Weg kann auch in diesen Plots enthalten sein.
  • Campbell-Plots zeigen Variationen der Eigenfrequenzen eines Rotors in Bezug auf die Rotorgeschwindigkeit. Im Vorwärtswirbel steigt die Eigenfrequenz mit der Rotorgeschwindigkeit an. Im Rückwärtswirbel sinkt die Eigenfrequenz mit der Rotorgeschwindigkeit. Infolgedessen kreuzen sich Eigenfrequenzen mit zunehmender Rotorgeschwindigkeit (rechts). Campbell-Plots zeigen Variationen der Eigenfrequenzen eines Rotors in Bezug auf die Rotorgeschwindigkeit. Im Vorwärtswirbel steigt die Eigenfrequenz mit der Rotorgeschwindigkeit an. Im Rückwärtswirbel sinkt die Eigenfrequenz mit der Rotorgeschwindigkeit. Infolgedessen kreuzen sich Eigenfrequenzen mit zunehmender Rotorgeschwindigkeit (rechts).
  • Ein Wasserfall-Plot zeigt die Verschiebung eines Lagers. Die Kurve zeigt die Frequenz (x-Achse, entlang der Vorderseite des Plots), die Winkelgeschwindigkeit (y-Achse, entlang der Seite des Plots) und die Amplitude (z-Achse in vertikaler Richtung des Plots) in 3D. Die Farbdarstellung zeigt auch die Amplitude der Verschiebung.

    Ein Wasserfall-Plot zeigt die Verschiebung eines Lagers. Die Kurve zeigt die Frequenz (x-Achse, entlang der Vorderseite des Plots), die Winkelgeschwindigkeit (y-Achse, entlang der Seite des Plots) und die Amplitude (z-Achse in vertikaler Richtung des Plots) in 3D. Die Farbdarstellung zeigt auch die Amplitude der Verschiebung.

Umfangreiche Modellierwerkzeuge für Rotoren und hydrodynamische Lager

Mit der Simulationsplattform COMSOL Multiphysics® und deren Zusatzmodulen haben Sie Zugriff auf eine Reihe von vordefinierten Modellierungswerkzeugen, die Physikinterfaces, welche auf bestimmte Analysebereiche zugeschnitten sind. Das Rotordynamics Module bietet fünf dedizierte Interfaces für die präzise Modellierung von Rotoren und Lagern:

  1. Das Festkörperrotor-Interface zur Modellierung eines Rotors als 3D-Modell, erstellt durch CAD-Software oder mittels der integrierten COMSOL Multiphysics® CAD-Funktionen.
  2. Das Balkenrotor-Interface zur näherungsweisen Modellierung des Rotors durch 1D-Linienelemente und mit idealisierten Komponenten (z.B. Punktmassen).
  3. Das Interface Hydrodynamisches Lager für die detaillierte Modellierung von Lagern, bei welcher der Schmierfilm innerhalb des Lagers mit Hilfe der Reynolds-Gleichung beschrieben wird.
  4. Das Festkörperrotor mit hydrodynamischem Lager-Interface für die kombinierte Betrachtung eines 3D-Rotors und dessen hydrodynamischer Lagerung.
  5. Das Balkenrotor mit hydrodynamischem Lager-Interface Betrachtung eines 1D-Rotors und dessen hydrodynamischer Lagerung.

Zusätzlich können Sie das Rotordynamics Module mit anderen Modulen der COMSOL Produktpalette kombinieren. Beispielsweise können Sie durch Kombinieren des Rotordynamics Module mit dem Multibody Dynamics Module eine zeitabhängige Simulation durchführen, um die Vibrationen einer Getriebebaugruppe für ein aufgebrachtes Drehmoment vorherzusagen.

3D-Analyse rotierender Maschinenbaugruppen

Um eine möglichst detaillierte Beschreibung einer rotierenden Maschinenbaugruppe zu erhalten, müssen Sie alle beteiligten Komponenten in Form von 3D-Modellen beschreiben. Mit dem Festkörperrotor-Interface ist die rotordynamische Analyse solcher 3D-Körper möglich.

Durch Verwendung dieses Ansatzes können Sie Asymmetrien, Unwuchten, sowie geometrisch nichtlineare Vorgänge im System abbilden. Der hohe Detailgrad erlaubt außerdem die Berücksichtigung von Effekten wie dem Spin-Softening oder der Versteifung des Systems aufgrund von Zentrifugalkräften. Das Festkörperrotor-Interface ist am nützlichsten, wenn Sie explizite Simulationsergebnisse für Verformungen und Spannungen im Rotor und seinen Komponenten benötigen.

1D-Idealisierung des Rotors für eine rechnerisch effiziente Rotordynamiksimulation

Wenn Sie eine rechnerisch weniger umfangreiche Simulation durchführen möchten, können Sie das Balkenrotor-Interface im Rotordynamics Module verwenden. Der Rotor wird mit Hilfe dieses Interfaces als Timoshenko-Balken beschrieben.

Eine Separation der Axial-, Biege- und Torsionsspannungskomponenten ist mit Hilfe der 1D-Formulierung möglich. Auf dem Rotor angebrachte Naben werden ebenfalls idealisiert und deren wesentliche Eigenschaften auf Geometriepunkten vorgegeben. Querschnittsdaten des Rotors fließen in Form von Parametern in die zugrundeliegenden Gleichungen ein. Die 1D-Formulierung kann eingesetzt werden, wenn die Querschnittsabmessungen viel kleiner als die Ausdehnung des Rotors in Längsrichtung sind. Mit dem Interface Balkenrotor können Sie die Verformungen in den Rotoren, die einen Schlankheitsgrad von bis zu 0,2 aufweisen, genau simulieren.

Lagerungen in Rotorbaugruppen modellieren

Lager und Fundamente sind wesentlich für eine Rotorbaugruppe. Sie sind die Komponenten, die einen Rotor mit dem Gehäuse verbinden. Das Verhalten des Rotors hängt empfindlich von der Art der Lagerung ab. Diese muss folglich genau beschrieben werden, was mit den Funktionen des Rotordynamcs Modules problemlos möglich ist.

Gleitlager

Gleitlager beschränken die translatorische Bewegung einer Welle in Querrichtung und deren Rotation um beide Querachsen. Die Lagerschmierung kann mit Hilfe der Reynolds-Gleichung beschrieben werden, wenn die genaue Kenntnis des Druckverlaufs von Bedeutung ist. Alternativ kann auf vereinfachte Beschreibungen zurückgegriffen werden.

Vereinfachte Modelle

Eine vereinfachte Beschreibung von Gleitlagern ist mit folgenden Methoden möglich:

  • Spielfreie Lager
    • Es wird angenommen, dass kein Spiel zwischen Welle und Lagerbuchse existiert.
  • Zylindrische Lager
    • Basierend auf der Theorie von Ocvirk arbeitet dieses Lagermodell mit einem Feder-Dämpfer-System. Die dynamischen Steifigkeits- und Dämpfungskoeffizienten können bekannt oder unbekannt sein. Falls unbekannt, können Sie diese als Funktion der Wellenbewegung im Lager auswerten.
  • Feder- und Dämpfungskonstante
    • Dieses Modell beschreibt das Lager über ein Feder-Dämpfer-System. Die axiale Federwirkung, sowie die Rotation um die Rotorquerachsen, kann mit Hilfe von Steifigkeits- und Dämpfungskoeffizienten beschrieben werden, welche auch als Funktion, z.B. in Abhängigkeit der Fundamentbewegung, vorgegeben werden können. Es kann also auch auf experimentell bestimmte Daten oder Daten aus anderen Simulationen zurückgegriffen werden.
  • Kraft und Moment
    • Anstelle der Simulation eines Lagers können Sie auch Reaktionskräfte und Momente auf die Welle durch experimentelle Daten oder als Funktionen der Wellenbewegung angeben.

Hydrodynamische Gleitlager

Sie können das Verhalten von Gleitlagern im Detail mit dem Hydrodynamisches Lager-Interface modellieren. Dieses Interface enthält die vordefinierten physikalischen Einstellungen, um die Modellierung der Druckverteilung im Schmiermittel durch Lösung der Reynolds-Gleichung zu ermöglichen.

Sie können es verwenden, um ein Gleitlager und seine Eigenschaften in Bezug auf Steifigkeit und Dämpfung zu analysieren. Ebenso gibt es die Möglichkeit, die multiphysikalische Kopplung mit den Interfaces Festkörperrotor oder Balkenrotor zu nutzen, um die Dynamik der gesamten Baugruppe zu untersuchen. Diese Interfaces bieten integrierte Modelle für die folgenden hydrodynamischen Lagertypen:

  • Zylindrisch
  • Elliptisch
  • Versetztes Zitronenspiellager
  • Mehrkeillager
  • Geneigte Sitzfläche
  • Benutzerdefiniert
Axiallager

Zur Analyse von Axiallagern, welche die axiale Bewegung eines Rotors und die Rotation um die Querachsen beschränken, können Sie vereinfachte Lagerparameter verwenden. Folgende vereinfachte Methoden stehen Ihnen im Rotordynamics Module zur Verfügung:

  • Spielfreies Lager
    • Sie können dieses Modell verwenden, um die axiale Bewegung des Rotors und die Drehung um die Querachsen vollständig zu beschränken. Dies ist nützlich, wenn die Wirkung des Lagers für die Dynamik der Rotorbaugruppe nicht signifikant ist.
  • Feder- und Dämpfungskonstante
    • Dieses Modell beschreibt das Lager über ein Feder-Dämpfer-System. Die axiale Federwirkung, sowie die Rotation um die Rotorquerachsen, kann mit Hilfe von Steifigkeits- und Dämpfungskoeffizienten beschrieben werden, welche auch als Funktion, z.B. in Abhängigkeit der Fundamentbewegung, vorgegeben werden können. Es kann also auch auf experimentell bestimmte Daten oder Daten aus anderen Simulationen zurückgegriffen werden.
  • Kraft und Moment
    • Mit dieser Methode werden Reaktionskräfte und –momente direkt durch experimentelle Daten oder als Funktion der Bewegung des Fundamentes vorgeben.
Fundament

Fundamente sind die Bauteile, auf denen Lager ruhen. Sie können Fundamente in Ihrem Rotorbaugruppenentwurf wie folgt modellieren:

  • Fixiert
    • Wenn die Bewegung des Fundamentes starr ist oder die Rotorreaktion nicht signifikant beeinflusst.
  • Bewegt
    • Wenn das Fundament und die Lagerbewegung äußeren Vibrationen ausgesetzt sind. Diese können entweder mit Daten, einer Gleichung, einer Funktion oder mit den Ergebnissen anderer COMSOL Multiphysics®-Simulationen beschrieben werden.
  • Flexibel
    • Ein flexibles Fundament kann die kritische Geschwindigkeit des Rotors verändern und wird von diesem Modell in Fällen erfasst, in denen die äquivalente Steifigkeit des Fundaments bekannt ist.

Implementierte Studientypen

Mit den im Rotordynamics Module enthaltenen Studien können Sie die Dynamik einer Rotorbaugruppe analysieren.

Das Rotordynamics Module ermöglicht es Ihnen, Scheinkräfte (u.a. Zentrifugalkräfte) zu berücksichtigen. Diese Scheinkräfte müssen in einem mit dem Rotor rotierenden Bezugssystem beschrieben werden.

Daraus folgt, dass in einer rotordynamischen Analyse Trägheitseffekte als stationäre Kräfte auftreten können, während eine Schwerkraft, die in einer herkömmlichen Analyse stationär ist, aus Sicht des mitbewegten Bezugssystems als eine dynamische, sinusförmig variierende Kraft erscheint. Eine rotordynamische Analyse unterscheidet sich also von konventionellen Analysen.

Die typischen Eigenschaften eines Rotorsystems können im Zeit- und im Frequenzbereich ermittelt werden. Im Frequenzbereich können sowohl die Eigenfrequenzen des Systems, als auch die Frequenzantwort auf harmonisch wirkende Lasten ermittelt werden.

Zusammengefasst stehen die folgenden Studientypen zur Verfügung:

  • Stationäre Studie
    • Wenn Lasten im mitrotierenden Bezugssystem ihre Größe und Richtung nicht wesentlich verändern und keine Zeitabhängigkeit im Materialmodell des Rotors, wie im Falle der Viskoelastizität oder bei Kriechvorgängen, besteht. Sie können parametrische Untersuchungen, wie z.B. zur Bestimmung des Rotorverhaltens mit exzentrisch positionierten Massen, mit einer stationären Studie durchführen.
  • Eigenfrequenzstudie
    • Diese Studie berechnet die Eigenfrequenzen und die zugehörigen Moden für ungedämpfte und gedämpfte Systeme. Sie können Eigenfrequenzanalysen verwenden, um die stabilen Betriebsbereiche und kritische Drehzahlen des Rotors zu bestimmen, indem Eigenfrequenzen bei unterschiedlichen Rotordrehzahlen bestimmt werden.
  • Frequenzbereichsstudie
    • Berechnet die Reaktion des Rotors, wenn alle Lasten aus Sicht des mitbewegten Bezugssystems zeitlich harmonisch sind.
  • Zeitabhängige Studie
    • Für Fälle, in denen man die Trägheitseffekte aus Unwuchten und deren zeitliche Änderungen gegenüber dem mitrotierenden Bezugssystem nicht außer Acht lassen kann.
  • Zeitabhängige Studie mit FFT
    • Führt einen parametrischen Sweep über die Winkelgeschwindigkeit des Rotors aus. Dies geschieht in einer Zeitbereichssimulation mit darauf folgender schnellen Fourier-Transformation (FFT). Da dieser Studientyp sehr rechenintensiv ist, sollten Sie ihn vor allem dann einsetzen, wenn die Verformung des Rotors eine wesentliche Rolle bei der Bestimmung der Gesamtdynamik der Rotorbaugruppe spielt.

Visualisieren Sie Ihre Rotordynamik-Simulationen mit einer Vielzahl von Plot-Typen

Mit dem Rotordynamics Module können Sie klare und übersichtliche Visualisierungen Ihrer Simulationsergebnisse erstellen und die Daten für weitere Anwendungen und Analysen zur Verfügung stellen. In diesem Modul können Sie aus einer Vielzahl von Plot-Typen wählen, die spezifisch für Rotordynamikanwendungen sind. Darunter fallen unter anderem:

  • Wirbel-Diagramme (Modenform), welche die Modenformen eines Rotors um die Rotorachse in diskreten Rotationsintervallen darstellen.
  • Campbell-Plots, welche den Zusammenhang zwischen den Rotoreigenfrequenzen und der Umdrehungsgeschwindigkeit graphisch veranschaulichen.
  • Wasserfall-Plots, welche die Variation des Frequenzspektrums über der ansteigenden Winkelgeschwindigkeit des Rotors darstellen.
  • Orbit-Plots, welche die Verschiebung an bestimmten Punkten des Rotors, wie z.B. an Naben, darstellen.

Rotordynamics Module

Produkteigenschaften

  • Balkenrotor-Interface für die vereinfachte Modellierung von Rotoren in Form von Liniensegmenten
  • Festkörperrotor-Interface für die Modellierung von Rotoren als 3D-Modell
  • Hydrodynamisches Lager-Interface für die detaillierte Modellierung des Schmiermittels im Gleitlager
  • Balkenrotor mit hydrodynamischem Lager-Interface für die gekoppelte Modellierung von Balkenrotoren und hydrodynamischen Lagern. Die Wechselwirkung zwischen den beiden Interfaces wird berücksichtigt
  • Festkörperrotor mit hydrodynamischem Lager-Interface für die gekoppelte Modellierung von Festkörperrotoren und hydrodynamischen Lagern. Die Wechselwirkung zwischen den beiden Interfaces wird berücksichtigt
  • Vereinfachte Modellierung von Lagern
  • Gleitlager
  • Axiallager
  • Hydrodynamische Axiallager
  • Wälzlager
  • Rillenkugellager
  • Schrägkugellager
  • Pendelkugellager
  • Pendelrollenlager
  • Zylinderrollenlager
  • Kegelrollenlager
  • Trägerrotorlagerung
  • Schwungräder
  • Riemenscheiben
  • Zahnräder
  • Laufräder
  • Rotorblattgruppen
  • Vollständig asymmetrische Rotoren basierend auf 3D-CAD-Modellen
  • Feste, bewegliche und flexible Fundamente
  • Stationäre Studie
  • Eigenfrequenzstudie
  • Frequenzbereichstudie
  • Zeitbereichstudie
  • Zeitbereichstudie mit FFT
  • Campbell-Plots
  • Modale Orbits
  • Harmonische Orbits
  • Wasserfall-Plots
  • Whirl-Plots

Anwendungsbereiche

  • Antriebe
  • Antriebsstränge
  • Triebwerke
  • Dampfturbinen
  • Gasturbinen
  • Turbolader
  • Turbogeneratoren
  • Turbopumpen
  • Verbrennungsmotoren
  • Kompressoren
  • Antriebssysteme
  • Elektrische Maschinen
  • Haushaltgeräte
  • Laufwerke

Modeling Geared Rotors

Rotordynamic Analyses of a Crankshaft

Comparison of Different Hydrodynamic Bearings

Whirling of a Uniform Shaft Supported on Journal Bearing

Simply Supported Beam Rotor

Rotors Connected by a Spline Coupling

Nächster Schritt:
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