Rotordynamik

27 Die harte Statorberührung - Fanglager (S.555)

27.1 Einleitung

Für den Fall des "Absturzes" eines aktiv magnetgelagerten Rotors, dessen Elektronik versagt, sieht man Hilfslager vor, die dann die Tragfunktion über- nehmen sollen. Im Beispiel von Bild 27.1 ist das Wälzlager, das im Normal- betrieb durch das Spaltspiel von 0,2 bis 0,4 mm nicht trägt dargestellt. Stürzt der Rotor aber ab, greifen sie ein.

Das metallene Wellband zwischen Außen- ring und Gehäuse wirkt als Federdämpfersystem. Es soll die Fallenergie ver- nichten, damit der zunächst springende Kontakt möglichst schnell in ein Ausrollen übergeht, ehe der Rotor dann zum Stillstand kommt. Eine andere Bauform eines Fanglagers eines aktiv magnetgelagerten Rotors zeigt Bild 27.2. Federnd und dämpfend gestützte Gleitschuhe sollen hier die gleiche Aufgabe übernehmen.

Zur harten Wandberührung der Welle kommt es aber auch beispielsweise dann, wenn ein Rotor nach einem Schaufelverlust durch die kritischen Drehzahlen abgefahren werden muß. Dann streift die Welle wegen der hohen Unwucht u.U. in den Gehäusedurchführungen an. Auch hierfür können Fang- lagerkonstruktionen hilfreich sein.

Während wir das sanfte Anstreifen des Rotors, Kap. 26, noch durch lineare Differenzialgleichungen beschreiben konnten, geht das bei grober, harter Be- rührung nicht mehr. Die Bewegungsgleichungen werden nicht-linear und damit die Lösungen wesentlich vielfältiger, als bei linearen Differentialgleichungen. Selbst das einfachste bilineare Modell, das nur berührt / berührt nicht unterscheidet, weist schon eine große Mannigfaltigkeit von Lösungen auf.

Zu den bekanntesten Lösungsbildern gehören:

das Gleiten des Rotors entlang der Statorwand (full annular rub),

das partielle Gleiten mit ein oder auch mehreren Unterbrechungen (partial rub),

der vielfältig springende Kontakt mit regelmäßigem, rosettenartigem Muster, das langsam gegen den Wellendrehsinn rückwärts läuft,

chaotisches Springen zwischen den begrenzenden Statorwänden,

der "dry friction whirl" - das kinematische, schlupflose Rückwärtsab- rollen der Welle im Lager oder in einer Gehäusedurchführung mit sehr hoher Frequenz,

der schlupf-behaftete "dry friction whirl",

das Plumpsen in die Wälzlager-Fangkonstruktion von Bild 27.1.

Alle diese Lösungen können auch instabil werden und aufklingen. Tatsächlich ist für die genauere Untersuchung eines Rotors mit hartem Wandkontakt die numerische Lösung (digitale Simulation) der nicht-linearen Bewegungsgleichungen Zeitschritt für Zeitschritt unumgänglich. Es existieren jedoch auch einige periodische Lösungen, die für die Fanglagerauslegung praktische Bedeutung haben. Mit ihnen werden wir uns zunächst beschäftigen.

27.2 Resonanzpassage mit im Fanglager anliegendem Rotor

Bild 27.3 zeigt die spielbegrenzenden Wälzlager im Stator (Masse m,), die das Spaltspiel C haben. Sie sollen bei allzu großen Unwuchtausschlägen der Welle das Anschleifen am Gehäuse verhindern, indem sie mitdrehen. Zwei Betriebs- zustände sind bei fester Drehzahl stationär möglich.

Zum einen kann der Rotor (Masse mw, Wellensteifigkeit sw, Exzentrizität E) frei umlaufen - ohne Wandberührung. Zum anderen kann sich die Welle an die Fanglager anlegen; dann führen nach einem Einschwingvorgang Rotor und Gehäuse eine gemeinsame stationäre periodische Bewegung mit der Um- lauffrequenz aus.