Operationelle Modalanalyse thermischer Turbomaschinen
Creators: name: Amer, Mona
Publisher: name: Hannover : Institutionelles Repositorium der Leibniz Universität Hannover
Year: 2023
Subjects: subject: rotor-casing coupling
subject: Operational modal analysis
subject: experimental modal analysis
subject: axial compressor
subject: structural health monitoring
subject: viscous &amp; friction damping
subject: Rotor-Gehäuse Kopplung
subject: Operationelle Modalanalyse
subject: Experimentelle Modalanalyse
subject: Axialverdichter
subject: rotierende Maschinen
subject: Structural Health Monitoring
subject: harmonische Erregereffekte
subject: Viskose &amp; Reibdämpfung
subject: Dewey Decimal Classification::600 | Technik::620 | Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau

description: Die operationelle Modalanalyse ist im Bereich des Bauingenieurwesens und des Maschinenbaus eine etablierte Methode zur experimentellen Ermittlung der charakteristischen Struktureigenschaften für die Beschreibung des dynamischen Verhaltens unter realen Betriebs- und Umgebungsbedingungen. Ihr Vorteil liegt darin begründet, dass die Anregung für die modale Identifikation, im Gegensatz zu konventionellen Verfahren, unbekannt bleiben kann, was die Methodik gerade für Monitoringkonzepte qualifiziert. Im Maschinenbau ist jedoch bei der Anwendung an rotierenden Maschinen eine Grundannahme des Verfahrens bezogen auf die Anregung nicht erfüllt. Die Anregung aus der Umgebung wird ursprünglich durch weißes Gauß-verteiltes Rauschen angenähert, die bei Rotation durch eine harmonische, drehzahlsynchrone Anregung überlagert wird. Dadurch ist das Einsatzfeld der Methode an rotierenden Maschinen bisher begrenzt. In der vorliegenden Arbeit wird ein Verfahren betrachtet, welches diesen drehzahlsynchronen Anteil der Anregung und Systemantwort unter Berücksichtigung der Drehzahlvariabilität aus den Daten vor einer weiteren Auswertung entfernt. Daneben wird ein Kriterium herangezogen, was es ermöglicht, andere Frequenzen, die keine Struktureigenfrequenzen repräsentieren, aus der Infrastruktur einer Anlage zu identifizieren. Die beschriebene Methodik wird bereits bewährten Techniken im Umgang mit der harmonischen Anregung gegenübergestellt und die Vorteile der verwendeten Verfahren werden herausgestellt. Dies ermöglicht eine modale Charakterisierung rotierender Maschinen im Betrieb. Der für die Anwendung dieser Verfahren betrachtete Versuchsträger ist ein schnelldrehender Axialverdichter-Prüfstand, an dem zahlreiche Messungen im Stillstand mit unterschiedlichen Anregungen und im Betrieb bei verschiedenen repräsentativen Drehzahlen durchgeführt wurden. Es werden fünf charakteristische Moden in einem um die erste Biegemode des Rotors befindlichen Frequenzbereich identifiziert. Da der Versuchsträger über Fügestellen verfügt, wird auch der Einfluss der nichtlinearen Fügestellendämpfung auf die identifizierten modalen Parameter, Eigenfrequenz und speziell die modale Dämpfung, betrachtet. Die modale Dämpfung des Gesamtsystems nimmt im Betrieb konsistent durch eine erhöhte Anregung und daraus resultierende höhere Schwingungsamplituden des Systems ab. Für die Einordnung der Frequenzverschiebung von drei der charakteristischen Moden wird zusätzlich ein vereinfachtes mechanisches Ersatzsystem, welches den Einfluss der Kopplung des Gehäuses mit dem Rotor berücksichtigt, hinzugezogen. Die Arbeiten qualifizieren die operationelle Modalanalyse für die Anwendung an schnelldrehenden Maschinen und ebnen den Weg, dieses Verfahren, analog zum Bauingenieurwesen, auf das modellbasierte Monitoring von rotierenden Anlagen auszuweiten.
description: Operational modal analysis is already an established method in civil and mechanical engineering for the experimental characterization of structural properties under real operating conditions. In contrast to conventional modal identification techniques, in ope-rational modal analysis the excitation remains unknown, which represents an advantage and qualifies the method for monitoring applications. In mechanical engineering a basic assumption is not fulfilled applying it to rotating machines. The ambient excitation is originally assumed to be represented by white Gaussian noise, which in case of rotation is superposed with harmonic, rotor-synchronous excitation. For this reason, operational modal analysis still fails to gain widespread acceptance in rotating machine applications. In the present work, a method is considered, which eliminates the rotor-synchronous part in the system response taking into account the speed variability before further evaluation of the data. In addition, a criterion is used, which makes it possible to remove other interfering frequencies from the infrastructure of a plant. The described methodology is compared to already proven techniques in dealing with harmonic excitation. The advantages of the proposed methods are highlighted. This allows modal characterization of rotating machinery in operation. The application considered for these methods is a high-speed axial compressor test rig. Numerous measurements were carried out at standstill with di˙erent excitation techniques and in operation at various representative rotor speeds. Five characteristic modes are identified in a frequency range around the first bending mode of the rotor. The test rig consists of joints, where friction damping can occur. For this reason, the influence of the nonlinear friction damping on the identified modal parameters, eigenfre-quency and modal damping in particular, is studied. The modal damping of the system decreases consistently during operation due to an increased excitation and higher vibra-tion amplitudes of the system. For the classification of the frequency shift of three of the characteristic modes, a simplified mechanical system, which takes the influence of the coupling between casing and rotor into account, is considered. This work qualifies the operational modal analysis for the application to high-speed rotating machines. It lays the ground work to use this method analogous to civil engineering applications for the model-based monitoring of rotating machines.