A contribution towards optimising the vibration behaviour of complex rotor systems with viscoelastic damping elements

In der vorliegenden Arbeit wurde ein Verfahren zur Auslegung von Elastomerlagern mit dem Ziel der Optimierung des Schwingungsverhaltens komplexer Rotorsysteme entwickelt. Als Anwendungsbeispiel diente ein Modell eines Flugtriebwerkes, welches standardmäßig mit Quetschöldämpfern zur Schwingungsminderung ausgestattet ist. Als kostengünstige Alternative wurde untersucht, ob die Wälzlager der Triebwerksrotoren auch in Elastomerringen gebettet werden können, die aufgrund ihrer viskoelastischen Eigenschaften zu einer Erhöhung der Dämpfung des Systems beitragen. Die Wirksamkeit von Elastomerbauteilen zur Schwingungsdämpfung von Rotorsystemen ist in der Literatur schon umfangreich untersucht worden. Allen Quellen gemein ist jedoch, dass die Betrachtungen in der Regel auf einfache Rotoren beschränkt waren und das reale Materialverhalten nur in wenigen Fällen Berücksichtigung fand. Der Einfluss der Gehäusestrukturen ist vollständig vernachlässigt worden. Die bisher entwickelten Entwurfsverfahren für Elastomerlager zur Schwingungsminderung sind daher nur auf sehr einfache Strukturen anwendbar. Die vorliegende Arbeit schließt diese Lücke, indem auf systematische Weise zunächst die dynamischen Eigenschaften der Materialien untersucht werden. Anschließend wird das Bauteilverhalten anvulkanisierter Elastomerringe theoretisch und experimentell ermittelt und eine Analyse der Dämpfungswirkung der Elastomerbauteile im Gesamtsystem durchgeführt. Durch den sukzessiven Abgleich von Theorie und Experiment gelingt eine Modellierung der Dämpfungselemente, die im Rahmen einer Gesamtsystemoptimierung genutzt werden kann. Kapitel 2 beschreibt das komplexe Materialverhalten und eine Möglichkeit zur analytischen Beschreibung der dynamischen Eigenschaften der Elastomere. Einer Erläuterung des experimentellen Vorgehens zur Ermittlung der realen Materialeigenschaften folgt eine Materialauswahl. Kapitel 3 widmet sich der Erstellung der Masterkurven, die zur Beschreibung des temperatur- und frequenzabhängigen Verhaltens der Elastomere genutzt werden können. Nach einer kritischen Betrachtung der bisher üblichen manuellen Verfahren zur Erzeugung der Masterkurven wird ein völlig neues Verfahren entwickelt, welches anhand objektiver Kriterien eine automatisierte und fehlerminimale Masterkurvenerstellung ermöglicht. Der Einfluss der Geometrie der Dämpfungselemente auf die realen dynamischen Eigenschaften der Elastomerlager wird in Kapitel 4 berücksichtigt. Die theoretischen Untersuchungen werden durch Experimente an einem Bauteilprüfstand ergänzt und mit sehr guter Übereinstimmung bestätigt. Damit ist die Grundlage für das zu entwickelnde Verfahren zur Optimierung der Elastomerlagergeometrie mit dem Ziel der Schwingungsminderung komplexer Rotorsysteme gelegt. Im Kapitel 5 wird der Einfluss der Elastomerlager auf das dynamische Verhalten eines Versuchsrotors untersucht. Der Vergleich der Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen mit numerischen Simulationsergebnissen zeigt eine sehr gute Übereinstimmung. Die gewonnenen Erkenntnisse werden im Kapitel 6 genutzt, um ein Verfahren zur Optimierung des Schwingungsverhaltens komplexer Rotoren mit viskoelastischen Dämpfungselementen zu entwickeln. Dies erfolgt im Rahmen einer Fallstudie am Modell eines Flugtriebwerkes. Die Optimierung wird mit Hilfe einer Evolutionsstrategie vorgenommen. Die Ergebnisse der Optimierung der Elastomerlager zur Triebwerksdämpfung zeigen, dass ein Einsatz von Elastomerringen aus schwingungstechnischer Sicht im Flugtriebwerk denkbar ist. Parallel durchgeführte Bauteilalterungsversuche verdeutlichen aber auch die Grenzen der Anwendbarkeit der Elastomerbauteile. Die vorliegende Arbeit liefert mit ihren Erkenntnissen und entwickelten Verfahren einen Beitrag zur praktischen Anwendung kostengünstiger Dämpfungselemente aus Elastomerwerkstoffen in komplexen Rotorsystemen.In this thesis, a method for designing elastomer bearings was developed with the objective of optimising the vibration behaviour of complex rotor systems. A common aero engine model equipped with squeeze film dampers to reduce vibration served as an example. As a cost-effective alternative, the thesis examined whether the rolling bearings of the engine rotors could also be supported by elastomer rings that contribute to increasing the damping of the system because of their viscoelastic properties. The effectiveness of elastomeric elements to damp vibration in rotor systems has already been investigated extensively in the literature on the subject. However, all considerations in these sources were usually limited to simple rotors, and the actual material behaviour was taken into account only in a very few cases. The influence of the support structures was neglected completely. Therefore, existing design methods for elastomer bearings to reduce vibration are applicable only to very simple structures. This thesis closes this gap by systematically examining the dynamic properties of the materials. Subsequently, the element behaviour of vulcanized elastomer rings is investigated both theoretically and experimentally. Additionally, the damping effect of the elastomer components in the overall system is analyzed. The successive reconciliation of theoretical and experimental research then allows for the modelling of damping elements that can be used to optimise the whole system. Chapter Two describes both the complex material behaviour and a possible way of describing the elastomers’ dynamic properties analytically. An explanation of the experimental procedure to determine the actual material properties is followed by a material selection. Chapter Three deals with designing the master curves that can be used to describe the temperature and frequency dependence of the elastomers. After a critical examination of previously standard manual procedures to generate master curves a completely new method, which enables an automated and minimally at fault generation of master curves based on objective criteria, is developed. The influence of the damping elements’ geometry on the actual dynamic properties of the elastomer bearings is examined in Chapter Four. Theoretical investigations are complemented by experiments on a component test and are in conformity. This provides a solid foundation for the development of a new suitable method to optimise the elastomeric bearing’s geometry with the objective of reducing vibration of complex rotor systems. In Chapter Five the elastomeric bearing’s influence on the dynamic behaviour of a test rotor is investigated. The results of the experimental research are in line with numerical simulation data. The findings thus gained are used in Chapter Six to develop a procedure to optimise the vibration behavior of complex rotors with viscoelastic damping elements. This is achieved in a case study on an aero engine model. An evolution strategy is used for the optimisation. The results of the optimisation process of elastomer bearings to damp engines provide evidence that using elastomer rings in an aero engine is conceivable from the perspective of vibration technology. However, experiments on component ageing conducted in parallel also reveal the limits of the applicability of the elastomer components. The findings and developed procedures in this thesis provide a contribution to the practical implementation of cost-effective damping elements made out of elastomer materials in complex rotor systems