Aktive Wälzlagerung zur Reduktion von Rotorschwingungen

Von:

Fabian Benedikt Becker

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Rotierende Maschinen sind zentraler Bestandteil unserer Gesellschaft. Jeder Rotor weist dabei Fertigungstoleranzen auf, die im Betrieb Biegeschwingungen anregen und zu Vibrationen und Lärm führen. Diese belasten sowohl die Maschine als auch deren direkte Umgebung. Erzielen passive Maßnahmen keine ausreichende Reduktion, bieten aktive Wälzlager eine Möglichkeit, auftretende Schwingungen zu eliminieren. Ziel dieser Arbeit ist es, die Technologie der aktiven Wälzlagerung weiterzuentwickeln und das Verständnis für die physikalische Wirkung der aktiven Schwingungsreduktion an wälzgelagerten Rotoren zu steigern. Auf Basis der Analyse bisheriger Forschungsaktivitäten werden zunächst wirtschaftliche und gesellschaftliche Potentiale sowie mögliche Anwendungsfelder aktiver Wälzlager dargestellt. Weiterhin wird ein verallgemeinertes Regelziel zur kombinierten Schwingungsminderung und -isolation definiert und zum Reglerentwurf verwendet. Als Referenzsystem dient ein elastisches, gyroskopiebehaftetes Rotorsystem unter Unwuchtanregung, dessen drehzahlveränderliche Dynamik über ein linear parameterveränderliches Modell abgebildet wird. Die Reglersynthese strebt neben einer hohen Performance und Robustheit eine geringe Komplexität an. Hierfür vergleicht die Arbeit modellfreie, modellbasierte, adaptiv modellbasierte und adaptiv modellfreie Syntheseverfahren. Die entworfenen Regelungen werden in Simulation und Experiment erprobt. Die leistungsfähigsten Regelungen sind dabei in der Lage, das Lager radial so zu verschieben, dass sowohl Lagerkräfte als auch Rotorauslenkungen nahezu vollständig eliminiert werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit leisten einen Beitrag zur Entwicklung einer hochintegrierten, universell einsetzbaren, aktiven Wälzlagereinheit.