Einen flexiblen Rotor verstehen

Definition: Was ist ein flexibler Rotor?

A flexibler Rotor ist ein Rotor, der sich aufgrund der Zentrifugalkräfte verformt oder verbiegt, wenn er an oder nahe seiner kritische GeschwindigkeitenIm Gegensatz zu einem starrer Rotor, das bei niedriger Drehzahl ausgewuchtet werden kann und über den gesamten Betriebsdrehzahlbereich ausgewuchtet bleibt, ändert sich die Unwuchtverteilung eines flexiblen Rotors, da sich seine Form mit der Drehzahl ändert. Das bedeutet, dass das Auswuchten eines flexiblen Rotors ein wesentlich komplexerer Prozess ist.

Als Faustregel gilt, dass ein Rotor dann flexibel ist, wenn seine maximale Betriebsdrehzahl 70% oder mehr seiner ersten biegekritischen Geschwindigkeit.

Warum verhalten sich flexible Rotoren unterschiedlich?

Der Schlüssel zum Verständnis eines flexiblen Rotors ist das Konzept von kritische Geschwindigkeiten und Eigenformen.

• Kritische Geschwindigkeit: Dies ist eine Drehzahl, die einer der Eigenfrequenzen des Rotors entspricht. Bei dieser Drehzahl kommt es zu Resonanzen im Rotor, und jede noch so kleine Unwucht wird stark verstärkt, was zu einer Verbiegung des Rotors führt.
• Modusform: Dies ist die charakteristische Form, die der Rotor annimmt, wenn er eine bestimmte kritische Drehzahl erreicht. Die erste kritische Drehzahl hat die Form einer einfachen Halbsinuswelle, die zweite die Form einer Vollsinuswelle (mit einem Knoten in der Mitte) usw.

Wenn sich ein flexibler Rotor dreht, verschiebt sich die Position des „Schwerpunkts“ (Masseschwerpunkt) aufgrund dieser Biegung. Eine Unwucht, die bei niedriger Drehzahl besteht, kann bei hoher Drehzahl an einer völlig anderen effektiven Stelle liegen. Daher reicht ein einfacher Zwei-Ebenen-Ausgleich bei niedriger Drehzahl nicht aus, um einen reibungslosen Betrieb bei Betriebsdrehzahl oder beim Durchlaufen der kritischen Drehzahlen zu gewährleisten.

Auswuchten flexibler Rotoren

Das Auswuchten flexibler Rotoren ist eine Spezialaufgabe, die fortgeschrittene Techniken und Ausrüstung erfordert, wie in Normen wie ISO 21940-12Das Ziel besteht nicht nur darin, den Rotor für eine Drehzahl auszuwuchten, sondern sicherzustellen, dass er über seinen gesamten Betriebsbereich, einschließlich des Durchlaufens seiner kritischen Drehzahlen, reibungslos läuft.

Zu den gängigen Techniken gehören:

• Modale Balance: Dies ist eine leistungsstarke Technik, bei der jede Biegeform als separates Unwuchtproblem behandelt wird. Korrekturgewichte werden strategisch in mehreren Ebenen entlang des Rotors platziert, um den durch jede Eigenform erzeugten Kräften gezielt entgegenzuwirken. Um beispielsweise die erste Eigenform zu korrigieren, werden Gewichte in der Mitte des Rotors platziert, wo die Biegung am stärksten ist. Um die zweite Eigenform zu korrigieren, werden Gewichte auf beiden Seiten des zentralen Knotens platziert.
• Einflusskoeffizientenmethode (Mehrfachgeschwindigkeit, Mehrebenen): Dabei wird der Rotor mit verschiedenen Drehzahlen (auch nahe der kritischen Drehzahl) betrieben und in mehreren Korrekturebenen werden Testgewichte eingesetzt. Aus den Daten wird eine komplexe Matrix von Einflusskoeffizienten erstellt, die die Reaktion des Rotors beschreibt. Ein Computer löst diese Matrix anschließend, um den optimalen Satz von Korrekturgewichten für mehrere Ebenen gleichzeitig zu bestimmen.

Dieser Prozess erfordert typischerweise eine Hochgeschwindigkeits-Auswuchtmaschine, die den Rotor sicher über seine kritischen Drehzahlen hinweg betreiben kann, sowie eine hochentwickelte Software zur Durchführung der erforderlichen Berechnungen.

Beispiele für flexible Rotoren

Flexible Rotoren sind in Hochleistungsmaschinen üblich, darunter:

• Große Dampf- und Gasturbinengeneratoren
• Hochgeschwindigkeits-Turbokompressoren
• Lange, schlanke Wellen und Walzen in Papiermaschinen
• Hochgeschwindigkeitsspindeln für Werkzeugmaschinen

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