An Approach to Non-Linear Dynamics of Rotors with Flexible Seals

Bäuerle, Simon Andreas

dc.contributor	Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Maschinenbau
dc.date.accessioned	2021-11-15T10:56:08Z
dc.date.available	2021-11-15T10:56:08Z
dc.date.issued	2021
dc.identifier	doi:10.17170/kobra-202109244809
dc.identifier.uri	http://hdl.handle.net/123456789/13385
dc.description	Zugleich: Dissertation, Universität Kassel, 2021
dc.language.iso	eng
dc.publisher	kassel university press
dc.rights	Namensnennung 4.0 International	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/	*
dc.subject	seals	eng
dc.subject	rotordynamics	eng
dc.subject	bulk-flow	eng
dc.subject	Fourier-Galerkin method	eng
dc.subject	quasi-periodicity	eng
dc.subject.ddc	600
dc.title	An Approach to Non-Linear Dynamics of Rotors with Flexible Seals	eng
dc.type	Buch
dcterms.abstract	Contact-free annular seals are used in turbomachinery to reduce leakage flows between areas of different fluid pressures, whilst allowing shaft rotation. In the last fifteen years, a new type of seal was developed, which uses purposefully inserted structural stator flexibility. Thus, the structure is able to slightly deform and can consequently adapt to rotor motion: the inherent risk of rotor-to-stator contact is lowered. This allows for a smaller sealing clearance, therefore lowering leakage and increasing overall machine efficiency. The influence of structural flexibility on leakage performance of these new designs is well investigated within the literature. However, profound research of the influence on non-linear dynamics is scarce. Thus, the main objective of this work is the investigation of the influence of seal flexibility on non-linear rotordynamics. In that respect, two points are of central interest: firstly, the modelling of the fluid force acting on the rotor, with the force resulting from the fluid flow through the sealing clearance. Secondly, the combined mass imbalance excitation and fluid force excitation of the rotor, which generally leads to quasi-periodic oscillations. To adress these issues, the work is divided into three parts: in the first part, the rotordynamic model and models for turbulent incompressible lubrication flow are presented. On the basis of simulations of the used bulk-flow model, simplified ODE models are built for describing the fluid forces. These allow for an efficient incorporation into the rotordynamic model. The second part is dedicated to the theory and derivation of numerical tools. For the computation of quasi-periodic stationary solutions, a Fourier-Galerkin method based on a torus manifold approach is derived. For lubrication flow simulation, the bulk-flow equations are discretised in space and the resulting equations are solved as DAE system. In the third part, the basic phenomena of the models are discussed. Apart from representative results of the fluid flow and force simulations, the solution stability and solution curves of the flexible seal-rotor system are investigated for a wide variety of parameters. The main observations are an increase in stable operation range due to the addition of flexibility and a complex non-linear dynamic behaviour involving amongst others resonance phenomena, quasi-periodic solutions as well as Hopf, fold, Neimark-Sacker and Bautin bifurcations.	eng
dcterms.abstract	Berührungslose Dichtungen, wie sie in Turbomaschinen eingesetzt werden, reduzieren Leckageströme zwischen Bereichen mit unterschiedlichem Fluiddruck und ermöglichen gleichzeitig die Rotation der Welle. In den letzten fünfzehn Jahren wurde eine neue Art von Dichtung entwickelt, welche gezielt im Stator eingebrachte strukturelle Flexibilität nutzt. Dadurch kann sich die Struktur leicht verformen und sich folglich an Rotorbewegungen anpassen: Das inhärente Risiko eines Rotor-Stator Kontakts wird gesenkt. Dies ermöglicht einen kleineren Dichtspalt, wodurch die Leckage gesenkt und der Gesamtwirkungsgrad der Maschine erhöht wird. Der Einfluss der Flexibilität auf die Leckage dieser neuen Dichtungsart ist in der Literatur gut untersucht. Der Einfluss auf die nichtlineare Dynamik ist jedoch nur wenig erforscht. Daher ist das Hauptziel dieser Arbeit die Untersuchung des Einflusses der Dichtungsflexibilität auf die nichtlineare Rotordynamik. Dabei sind zwei Punkte von zentralem Interesse: zum einen die Modellierung der auf den Rotor wirkenden Fluidkraft, welche aus der Fluidströmung durch den Dichtungsspalt resultiert. Zum anderen die kombinierte Massenunwuchtanregung und Fluidkraftanregung des Rotors, die im Allgemeinen zu quasi-periodischen Schwingungen führt. Um diese Punkte zu untersuchen, gliedert sich die Arbeit in drei Teile: Im ersten Teil werden das rotordynamische Modell und Modelle für turbulente inkompressible Schmierspaltströmungen vorgestellt. Auf der Grundlage von Simulationen des verwendeten Bulk-Flow-Modells werden vereinfachte ODE-Modelle zur Beschreibung der Fluidkräfte erstellt, welche eine effiziente Einbindung in das rotordynamische Modell ermöglichen. Der zweite Teil widmet sich der Theorie und der Herleitung von numerischen Algorithmen. Für die Berechnung quasi-periodischer stationärer Lösungen wird ein Fourier-Gakerkin-Verfahren hergeleitet, das auf einem Torus-Mannigfaltigkeits-Ansatz basiert. Für die Simulation der Schmierspaltströmungen werden die bulk-flow Gleichungen räumlich diskretisiert und das resultierende Gleichungssystem als DAE gelöst. Im dritten Teil werden die grundlegenden Phänomene der Modelle diskutiert. Neben repräsentativen Ergebnissen der Strömungs- und Kraftsimulationen werden die Lösungsstabilität und die Lösungskurven des flexiblen Dichtung-Rotor-Systems für eine Vielzahl von Parametern untersucht. Die zentralen Phänomene sind eine Vergrößerung des stabilen Betriebsbereichs durch die Einbringung von Stator-Flexibilität und ein komplexes nichtlineares dynamisches Verhalten, das unter anderem Resonanzphänomene, quasiperiodische Lösungen sowie Hopf-, Falten-, Neimark-Sacker- und Bautin-Bifurkationen beinhaltet.	ger
dcterms.accessRights	open access
dcterms.creator	Bäuerle, Simon Andreas
dcterms.dateAccepted	2021-07-13
dcterms.extent	IX, 300 Seiten
dc.contributor.referee	Hetzler, Hartmus ((Prof. Dr.)
dc.contributor.referee	Hoffmann, Norbert (Prof. Dr.)
dc.publisher.place	Kassel
dc.relation.isbn	978-3-7376-0988-3
dc.subject.swd	Massestrom	ger
dc.subject.swd	Dichtung <Technik>	ger
dc.subject.swd	Dynamische Dichtung	ger
dc.subject.swd	Rotordynamik	ger
dc.title.subtitle	Models, Numerical Tools and Basic Phenomena	eng
dc.type.version	publishedVersion
dcterms.source.series	Berichte des Instituts für Mechanik
dcterms.source.volume	Bericht 2/2021
kup.iskup	true
kup.price	39,00
kup.series	Berichte des Instituts für Mechanik	ger
kup.subject	Naturwissenschaft, Technik, Informatik, Medizin
kup.typ	Dissertation
kup.institution	FB 15 / Maschinenbau
kup.binding	Softcover
kup.size	DIN A5
ubks.epflicht	true