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H. Ecker, J Kogler:
"First critical speed determination of a rotor via low-speed measurements";
Talk: GAMM 2019 - 90th Annual Meeting of the International Association of Applied Mathematics and Mechanics, Universität Wien, Austria; 2019-02-18 - 2019-02-22.

Knowing the critical speed of an actual rotor system is very important for several reasons. For an actual rotating machinery it may define the maximum speed to avoid undue stress or even damage to the rotor. Numerical calculations may give answers, but only if the system parameters are known with sufficient accuracy. Since the operation of a weakly damped rotor at or near a critical speed can be too dangerous, vibration data may only be collected at speeds within reasonable distance of the yet unknown critical speed.

Recently, Virgin, Knight and Plaut [1] proposed a method to evaluate low-speed vibration measurement data such that the actual critical speed can be predicted accurately. The basic idea of this new method is to generate FRF-like functions (aka Southwell-plots) that can be analysed such that a prediction of the critical speed is possible.

In this contribution, the authors have tested this new method on a rotor test rig with a vertical shaft. The arrangement was similar to a Jeffcott-rotor, but altogether four ball bearings were attached to hold the very flexible and weakly damped shaft. Emphasis was put on running the experiments under real word conditions, i.e. imperfections like initial shaft bow, misaligned bearings and bearing anisotropy were present in the system. Operation parameters, as for example bearing temperature, were changed and their influence was studied.

The evaluation of the proposed method did show that this method did give very good results. The accuracy obtained was typically within a few percent of the actual critical speed. The imperfections of the rotor system in use did not have a destructive influence on the method. However, the quality of the results did depend in some cases heavily on the selection of the measurement points used for the extrapolation routine. As one may expect, the accuracy was reduced, when unfavourable measurement points were selected. From this experimental work, guidelines can be deduced how to apply this technique such that high-fidelity predictions of the first critical speed of a rotor can be made, based on low-speed measurements.

[1] L .N. Virgin, J .D. Knight, R .H .Plaut (2016), A New Method for Predicting Critical Speeds in Rotordynamics, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 138 (2), 022504.

Die Kenntnis der kritischen Drehzahl eines Rotorsystems ist aus mehreren Gründen sehr wichtig. Für eine rotierende Maschine kann sie die maximale Geschwindigkeit definieren, um übermäßige Beanspruchung oder sogar Beschädigung des Rotors zu vermeiden. Numerische Berechnungen können Antworten geben, jedoch nur, wenn die Systemparameter mit ausreichender Genauigkeit bekannt sind. Da der Betrieb eines schwach gedämpften Rotors bei oder in der Nähe einer kritischen Drehzahl zu gefährlich sein kann, können Vibrationsdaten nur bei Drehzahlen innerhalb eines angemessenen Abstands von der noch unbekannten kritischen Drehzahl erfasst werden.

Kürzlich schlugen Virgin, Knight und Plaut [1] ein Verfahren zur Auswertung von Schwingungsmessdaten bei niedriger Geschwindigkeit vor, so dass die tatsächliche kritische Geschwindigkeit genau vorhergesagt werden kann. Die Grundidee dieser neuen Methode besteht darin, FRF-ähnliche Funktionen (auch bekannt als Southwell-Plots) zu generieren, die analysiert werden können, so dass eine Vorhersage der kritischen Geschwindigkeit möglich ist.

In diesem Beitrag haben die Autoren diese neue Methode an einem Rotorprüfstand mit vertikaler Welle getestet. Die Anordnung ähnelte einem Jeffcott-Rotor, jedoch waren insgesamt vier Kugellager angebracht, um die sehr flexible und schwach gedämpfte Welle zu halten. Der Schwerpunkt lag auf der Durchführung der Experimente unter realen Bedingungen, d. H. Unvollkommenheiten wie anfänglicher Wellenbogen, falsch ausgerichtete Lager und Lageranisotropie waren im System vorhanden. Betriebsparameter, wie zum Beispiel die Lagertemperatur, wurden geändert und deren Einfluss untersucht.

Die Bewertung der vorgeschlagenen Methode ergab, dass diese Methode sehr gute Ergebnisse lieferte. Die erhaltene Genauigkeit lag typischerweise innerhalb einiger Prozent der tatsächlichen kritischen Geschwindigkeit. Die Mängel des verwendeten Rotorsystems hatten keinen negativen Einfluss auf das Verfahren. Die Qualität der Ergebnisse hing jedoch zum Teil stark von der Auswahl der für die Extrapolationsroutine verwendeten Messpunkte ab. Wie zu erwarten war, wurde die Genauigkeit verringert, wenn ungünstige Messpunkte ausgewählt wurden. Aus dieser experimentellen Arbeit können Richtlinien abgeleitet werden, wie diese Technik angewendet werden kann, so dass anhand von Messungen mit niedriger Geschwindigkeit hochgenaue Vorhersagen der ersten kritischen Drehzahl eines Rotors getroffen werden können.

[1] L .N. Virgin, J .D. Knight, R .H .Plaut (2016), A New Method for Predicting Critical Speeds in Rotordynamics, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 138 (2), 022504.

Rotordynamik, Resonanzdrehzahl