Bestuderen van torsionele dynamica ter optimalisatie van de aandrijflijn van turbocompressoren

Hans Meeus
Studenten - Een schakel in de innovatieketen bij Atlas CopcoWist u dat achter het rode gebouw van Atlas Copco Airpower gelegen aan de Boomse-steenweg ’s werelds grootste compressoren-bouwer gevestigd is? Het bedrijf is het meest geavanceerde kenniscentrum op vlak van comprimeerde lucht. Talrijke product- en procesinnovaties vinden dan ook hun oorsprong terug in deze Belgische vestiging. De voortdurende innovatie wordt mede mogelijk gemaakt door diepgaander onderzoek in nauwe samenwerking met verschillende universiteiten.

Bestuderen van torsionele dynamica ter optimalisatie van de aandrijflijn van turbocompressoren

Studenten - Een schakel in de innovatieketen bij Atlas CopcoWist u dat achter het rode gebouw van Atlas Copco Airpower gelegen aan de Boomse-steenweg ’s werelds grootste compressoren-bouwer gevestigd is? Het bedrijf is het meest geavanceerde kenniscentrum op vlak van comprimeerde lucht. Talrijke product- en procesinnovaties vinden dan ook hun oorsprong terug in deze Belgische vestiging. De voortdurende innovatie wordt mede mogelijk gemaakt door diepgaander onderzoek in nauwe samenwerking met verschillende universiteiten. Deze masterproef is hier een mooi voorbeeld van.

Het thema van deze masterproef kadert binnen een gespecialiseerde en gecompliceerde tak van de mechanica, genaamd rotordynamica. Rotor-dynamica bestudeert het gedrag van roterende toestellen, gaande van auto- en vliegtuigmotoren tot zelfs de harde schijf in uw computer. De titel van dit afstudeerwerk luidt: “Het bestuderen van torsionele dynamica ter optimalisatie van de aandrijflijn van turbocompressoren”.

ProbleemstellingDe mechanische onderdelen van een compressor worden gedurende hun levensduur dynamisch hoog belast. Dynamisch wil zeggen dat de inwerkende kracht wijzigt in functie van de tijd. Hoofdzakelijk de aandrijflijn krijgt te maken met een hoge torsiebelasting. Onderdelen die onderworpen zijn aan een torsiebelasting hebben de neiging om te verdraaien omheen hun lengteas. Omdat de torsiebelasting vrijwel niet waarneembaar is, kunnen zowel de betrouwbaarheid als de veiligheid van de machine in het gedrang komen. In het verleden is gebleken dat in sommige compressor-prototypes de as van de aandrijflijn ten gevolge van de dynamische torsiebelasting vroegtijdig faalt. De kosten die gepaard gaan met dergelijke falingen kunnen aanzienlijk oplopen. Het ultieme doel van de masterproef is dan ook om kennis rond torsietrillingen te verwerven, wat moet leiden tot nieuwe en meer gedetailleerde inzichten. Dit moet op lange termijn dan ook innovaties van machines met een hogere kwaliteit en lagere productie- en ontwikkelingskost mogelijk maken.

Tijdens de masterproef worden dan ook een aantal torsie-gerelateerde fenomenen bestudeerd. Het onderzoek wordt gerealiseerd aan de hand van een zelfontworpen en gebouwde testopstelling, waarop tot slot een hele reeks experimenten wordt uitgevoerd. Om met name in te gaan op de aandrijflijn, kan deze vereenvoudigd voorgesteld worden als een motor die d.m.v. een koppeling verbonden is met het compressor-gedeelte. Dit

geheel is grafisch weergegeven in figuur 1. Met het compressor-gedeelte wordt het hart van de machine bedoeld. Dit zijn de onderdelen die de lucht daadwerkelijk comprimeren, zoals twee in elkaar roterende schroeven bij een schroefcompressor.

TestopstellingDe testopstelling is, kort samengevat, opgebouwd uit twee afzonderlijke assen die met elkaar verbonden worden d.m.v. een wisselbare koppeling. Bijgevolg kunnen verschillende koppelingen getest worden. Verder worden op de assen dwarsbalken met gewichten aangebracht. Deze dwarsbalken worden geklemd op de as en kunnen dus verschoven worden. De assen roteren niet, maar een wisselende verdraaiing wordt geïntroduceerd d.m.v. een shaker die bevestigd is aan het uiteinde van één van de balken. De shaker is, zoals de naam al aanduidt, een toestel dat de opstelling volledig door elkaar kan schudden. Hoe het ganse systeem reageert op de ingaande kracht, ook wel de respons genoemd, wordt opgemeten door verschillende sensoren. Figuur 2 geeft de opstelling fysisch weer.

Experimenteel onderzoekHet experimenteel onderzoek wordt stapsgewijs opgebouwd en bijgevolg opgedeeld in drie grote testreeksen.

De eerste reeks experimenten onderzoekt de invloed van de klemkracht tussen de koppeling en de as. De metingen leiden tot enkele interessante conclusies die het toekomstig ontwerp van een compressor-aandrijflijn ingrijpend kan veranderen.

De tweede reeks van experimenten bestudeert de resonantie-opbouw. Resonantie is het fysisch fenomeen waarbij de frequentie van het ingangs-signaal gelijk is aan een eigenfrequentie van het systeem. Het meest bekende voorbeeld van resonantie is de verwoesting van de Tacoma Narrows brug in de Verenigde Staten. De amplitude van de opgemeten respons heeft een zekere tijd nodig om op te bouwen tot zijn maximale waarde.

Bibliografie

 [1] Hibbeler R.C., 2006, Sterkteleer. 2e editie, Amsterdam: Pearson Education Benelux.

[2] Muhs D., Wittel H., Becker M., Jannasch D. en Voßiek J., Roloff/Matek Machine- onderdelen. 4e editie, Den Haag: Academic Service

[3] Wachel J.C. en Szenasi F.R., Analysis of Torsional Vibrations in Rotating Machinery, San Antonio, Texas: Engineering Dynamics Incorporated.

[4] Buskirk E., 2013, Torsional Dynamics of large 2-pole and 4-pole Steam Turbine Powertrains GER-4724, Schenectady, New York: GE Power & Water.

[5] American Petroleum Institute, 1996, API 684 Tutorial on the API standard paragraphs covering rotordynamics and balancing: An introduction to lateral critical and train torsional analysis and rotor balancing. Washington: API.

[6] Moens D., 2013, Dynamische aspecten, YI6417, KU Leuven - campus De Nayer, niet gepubliceerd.

[7] Malcolm E. en Ray D., Practical implementation of torsional analysis and field measurement, Dickinson, Texas: Applied Machinery Dynamics Co.

[8] Young W.C. en Budynas R.G., Roark’s formulas for stress and strain. 7e editie, New York: McGraw-Hill.

[9] KTR, Company catalogue 2013, Rheine: KTR Kupplungstechnik GmbH.

[10] SKF, Rolling bearings: General catalogue 2013, Gothenburg: SKF.

[11] Combori, Catalogus Fabory 2013, Antwerpen: Combori N.V.

[12] Tevema, Standard Tevema springs catalogue 2013, Amsterdam: Tevema.

[13] The Modal Shop (2014), Modal Exciter 100 lbf: Model 2100E11, [Online], Beschikbaar: http://www.modalshop.com/excitation/100-lbf-Modal-Exciter?ID=164 [28 november 2013].

[14] Heylen W., Lammens S. en Sas P., 1998, Modal Analysis Theory and Testing, 2nd edition, KU Leuven - campus Arenberg.

[15] Avitabile P., 2001, Experimental Modal Analysis: A Simple Non-Mathematical Presentation, Massachusetts: University of Massachusetts Lowell.

[16] Schwarz B. en Richardson M., 1999, Experimental Modal Analysis, Jamestown, California: Vibrant Technology Inc.

[17] PCB (2014), Impact Hammers, [Online], Beschikbaar: http://www.pcb.com/ TestMeasurement/impacthammers.aspx [12 april 2014].

[18] Allemang R., 2003, The Modal Assurance Criterion - Twenty Years of Use and Abuse, Cincinnati, Ohia: University of Cincinnati.

[19] Nayfeh A. en Balachandran B., 2004, Applied Nonlinear Dynamics, Weinheim: Wiley-VCH.

[20] Society of Tribologists and Lubrication Engineers (2008), Basics of Wear, [Online], Beschikbaar: http://www.stle.org/resources/lubelearn/wear/ [3 mei 2014].

[21] Schwingshackl C.W., Joannin C., Pesaresi L., Green J.S. en Hoffmann N., 2014, Test Method Development for Nonlinear Damping Extraction of Dovetail Joints, London, UK: Imperial College London.

[22] Nagy T. en Balachandran B., 2011, Forced Harmonic Vibration of a Duffing Oscillator with Linear Viscous Damping, Virginia & Texas: USA.

[23] Laschet A., 2008, Model Generation and Model Reduction, Wipperfuerth: Germany.

[24] Vance J., Zeidan F. en Murphy B., 2010, Machinery Vibration and Rotordynamics, Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc.

Universiteit of Hogeschool
Industriële Wetenschappen, elektromechanica
Campus De Nayer
Publicatiejaar
2014
Share this on: