Research Collection
Doctoral Thesis
Dry friction backward whirl of rotors
Author(s): Bartha, Alexander Robert
Publication Date: 2000
Permanent Link: https://doi.org/10.3929/ethz-a-004130993
Rights / License: In Copyright - Non-Commercial Use Permitted
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ETH Library
Dissertation ETH No. 13817
ackwar
Dissertation submitted to the SWISS FEDERAI~ INSTITTi~TE OF TECHNOLOGY
ZTTR,TCH
for the degree of Do&or of Technical Sciences
presented by Alexander Robert Bartha
Dipl.-Ing. born June 24, 1968 citizen of Austria
rotord;ynam.icselyahoo.corn
accepkd on the recommendation of Prof. Dr. G. Schweitzer, examiner
Prof. Dr. R,. Nordmann, co-examiner Dr. J . Schmied, co-examiner
Dry friction backward whirl is a ra,re but potentially fatal malfunction of turbomachines. After a, sufficiently la,rge escita,tion, the rotor runs at a, very high frequency on the inner surface of the stator. Beca,use of the large forces, dry friction ba,ckward whirl represents a major threat to the integrity of the affected plant. A reported case [Rnsenblum95] describes the complete destruction of a 600 MVV turbo generator.
In spite of the importance of ba,ckward whirl, the knowledge about this effect was found to be limited, in pa,rticulas -with respect to real plants and applications. Although there exist several publications on backwasd whirl, the theoretical research work tha.t co~dd be found in most cases is ba,sed on strong simplifications and there arc few publica,tions thaJt report experimental studies. Generally, the litera~ture is rather incoherent, and especially for systems with realistic para,meters, there remain many open questions associa,ted with backward whirl. To a,nswer these questions, a research project has been carried out in which dry friction backward whirl has been studied experimentally and theoretically. The present, thesis summarises these investigations a,ncl their reslrlts.
A test rig was built to mimic a small turbo compressor and to study the behaviour of a, rotor, startSing from a, defined excitation up to and includ- ing fully clevelopecl backward whirl. This test rig was equipped with a, magnetic exciter t,hrough which a, tariety of different excitation patterns could be apyliecl to the .rotor. A grea,t number of experiments were per- formed to determine the excita,tion which just triggers backward whirl as a function of different sys ten1 pa,rameters and to clasi-fy the behaviour of a rotor whirling in a tightly fixed, as well a,s in a complia,ntly mounted, sta,tor. Experiments were performed up -to a, ~rotational frequency of the rotor of 166 Hz (10,000 rrm).
xii A.bstract
The experimental results show that backwasd whirl can occur in turboma chines with realistic parameters, such as clearances, eigenfrequencies, a,nd rotational velocities. It can be triggered by a we&h of excitations, but 21 of them have to be rather huge. It wa,s found tha,t the whirl motion itself is m.ainly determined by the dyna,mic compliances of the system. Thereby an upper limit is imposed on the whirl frequency which is not exceeded even if the rotor’s rota,tional velocity is greatly increased. For plants with realistic parameters the kinematic rolling of the rotor on the inner surface of the stator is never reached. Nevertheless, whirl usua~lly results in very high frequencies in the order of magnitude of several hundred Hertz. The contact loads can destroy seal elements and the frictional torque ca,n shea,r the rotor.
A model is derived that describes the s>stem’s beha,viour from excitation over the development of ba,ckward whirl t,o the fully esta,blis.hed whirl. Both the rotor and the stator are represented as flexible bodies and their dynamic properties are taken into a,ccount. The model furthermore in- cludes a, contact model representing frictiona contacts between the rotor and stator. The simula,tion results are abased on the numerical integra,tion of the system’s equations of motion.
The results that were calculated for the test rig, which was used in the experimental investiga,tions, show a very good agreement with the exper- iment al findings. The model gives quantitatively correct numbers for the robustness of the plant a,nd qualita~tively explains the processes during ‘backward whirl.
Among the methods to protect plants from backward whirl is the reduction of the coefficient of friction between the rotor a,nd stator, A high modal damping and a reduced coefhcient of restitution for impa,cts of the rotor with the sta,tor also increase the plant’s robustness towards excitation. In case backward whirl cannot be avoided, the tuning of the dynamic properties of -the sta,tor might be a, possibilitSy to yield minimum whirl frequencies.
“Dry friction backward whirl” ist, eine seltcne, aber potentiell katastrophale F’ehlfunktion van T~lrborna,scllirlell. Na8ch einer hinreichend star-ken Anre- gung bewegt sic11 der: Rotor dabei mit sehr hoher Frequenz innen auf der Sta,toroberfl~che. Wegen cler hohen auftretenden K%fte stellt Ba,ckward Whirl eine starke Bedrohung fur die betroffene Anla,ge dar: [R,osenblum95] berichtet von der vijlligen Zerstiirung eines 600 MW Turbogenera4tors.
Trotz der Bedeutung van Backward Whirl ist das VVissen iiher diesen Ef- fekt sehr begrenzt) besonders in Hinblick a,uf rea,le Anla,gen und Anwen- dungen. Obwohl cinige Arbeiten iiber Backward Whirl existieren, basieren die theoretischen TJnters~~chungel~ meist, auf stasken Vereinfachungen; ex- perimentelle Tintersuchungell sind sehr selten. Die Bitera-tur ist allgemein sehr uneinheitlich und speziell fiir Systeme mit realistischen Para~metern bleiben im Zusa,mmenhang mit Backwa~rd Whirl viele Fragen offen. Zur Beantwortung dieser Fragen wurde ein ‘li’orschungsprojekt durchge-ftihrt, in desn Backward Whirl experimentell und theoretisch untersucht wur- de. Die vorliegendc Arbeit fal,it diese Untersuchuugen und ihre Ergebnisse zusa,mmen.
Es w~xcle ein Versuchsstand aufgebaut ? der als Model1 einer Turbomaschine diente und es erlaubte, das Verhalten eines .R,otors ausgehend van einer de- finierten Anregung bis zum ~011 entwickclten Whirl ZLI untersuchen. Dieser Versuchsstand wa,r mit einem magnetischen Errcger ausgertistet, mit, tels dessen der Rotor mit ciner Vielzahl unterschiedlicher Kra,ftverla,ufe ange- regt werden konnte. In zahlreichen Experimenten wurde cliejenige Anre- gung, die gera,de zu Whirl ftihrt, als Funktion verschiedener Systempa,ra8- meter ermittelt sowie das Verhalten des Rotors wahrend Whirls in einem Starr befcstigten uncl einem elastisch aufgehangten Stator untersucht. Ex- perimcnte wu~den bis zu einer maximalen Drehzxhl des R,otors von 166 Hz (10’000 rpiii) durchgcfiihrt.
xiv Kurzfassung
Die experimentellen Ergebnisse zeigen, da13 Backward Whirl in Turboma schinen mit realen Parametern wie Dichtspaltweiten, Eigenfrequenzen und Drehzahlen auftreten kann. Er kann durch eine Vielzahl von Anregungs- arten ausgelijst werden~ diese miissen jedoch alle s&r heftig sein Es stell- te sich heraus, da.ss die Whirlbewegung selbst haupts&hlich durch die dyna,mischen Nachgiebigkeit~en des Systems bestimmt wird. Die Whirl- frequenz wird dabei nach oben hin durch eine Grenzfrequenz begrenz-t , die selbst dann nicht iiberschritten wird, wenn die R20tordrehzahl stark erhiiht wird. In Anlagen mit realistischen Parametern wird das kinema- tische Abrollen des Rotors im Stator bei weitem nicht erreicht. Dennoch ftihrt Whirl gewiihnlich zu sehr hohen Frequenzen im Bereich mehrerer hundert Hertz. Die Kontaktkra,fte kijnnen Dichtstreifen zerstijren und das a,uftretende Reibmoment kann den Rotaor abschcren.
Es wurde ein Rechenn~odell erstellt, das das Verha~lten des Systems von der Anregung bis zum ajusgebildeten Whirl heschreibt. Sowohl. Rotor a,ls such Stator werden dabei als elastische Kiirper modelliert und ihr dynamisches Verhalten wird in den R,echnungen beriicksichtigt . Aul3erclem enthalt dieses Model1 ein Kontaktmodell fiir die Berechnung reibungsbehafteter Kontak- te zwischen dem Rotor uncl dem Stator. Die Sin~ulationsergel~nisse .basieren auf der expliziten Integra,tion der Bewegungsgleichung des Systems.
Die Ergebnisse der n/Iodellrecl-Lrlullgen fiir den verwendeten Versuchsstand weisen einc sehr gute Tjbel~eiustimlmIng mit den experimentellen Resul- -taten auf. Die Simula,tionen ergeben quantitativ korrekte Zahl.enwerte beziiglich der Robus-theit der Anla,ge und erkla,ren qualitativ die Vor@nge w;Lhrend des ausgebildeten Whirls.
Eine der Miiglichkeiten, ‘~L~rl:>or~~aschine:n vor Backward Whirl ZLI schiitzen, ist die Verringerung des Rei.~~l;oef-l”lziellt;en zwischen Rotor und Sta,tor. Eine hohe modale Dampfun g uncl ein niedriger Restitutionskoe~flizient erhiihen ebenfalls die Stabilita,t dcr Anlage gegcniibcr Anregungen. Sollte sich Whirl nicht vermeiden lassen, so liegt eine Miiglichkei t, die auftretenden Frequenzen ZLI minimieren, im Tuning der dynamischen Eigenschaften des Stators.
