Rotordynamic properties of a shrink-fitted disk rotor

Abstract

The rotordynamic behaviour of an unconventional disk rotor design is investigated in this study. Laminated rotors and solid rotors are by now well researched and proven rotor structures. Laminated rotors excel in electromagnetic performance and manufacturing costs, whereas solid rotors are superior in terms of mechanical rigidity and achievable rotational velocity.

A disk rotor aims to strike a balance between these two structural extremes. The new design is expected to benefit from the electromagnetic performance of laminated rotors and the mechanical rigidity of solid rotors. The goal is to verify the viability of the design from a mechanical point of view. Furthermore, the aim is to clarify the rotordynamic effect of set design parameters such as disk thickness.

A literature review is conducted to relevant topics, interference fits and laminated structures in particular. A prototype test piece rotor is designed and manufactured. Experimental modal measurements are conducted with a laser vibrometer and the results are used to support a numerical simulation model. Relevant theory of modal experiments is presented and rotordynamic analysis. Numerical modal analysis is performed for the test rotor to establish a simulation model that accurately represents the vibrational behaviour of the rotor. The established model is utilized in simulating a case example disk rotor. The results of the disk rotor are compared to a solid rotor equivalent.

According to the results the rotor stiffness increases with increasing disk thickness. With a correctly selected disk thickness it is possible to reach rotation speeds similar to solid rotors. The created simulation model is a simplification of reality and further study is warranted to reach reliable results.

Tutkimuksessa tarkastellaan uudenlaisen kiekkoroottori konseptin roottoridynamiikkaa. Laminoidut- sekä massiiviroottorit ovat molemmat nykyisin tutkittuja ja toimivaksi todettuja ratkaisuja. Laminoiduilla roottoreilla saavutetaan parempi elektromagneettinen suorituskyky ja valmistettavuus, toisaalta massiiviroottoreiden etuna on mekaaninen kestävyys ja suuremmat pyörimisnopeudet.

Kiekkoroottorirakenne pyrkiikin löytämään kompromissin näiden kahden rakenteellisen ääripään välillä. Rakenteen odotetaan hyötyvän sekä laminoidun rakenteen elektromagneettisesta tehokkuudesta, että massiiviroottorin mekaanisesta kestävyydestä. Tutkimuksen tavoitteena on varmistaa rakenteen toimivuus mekaanisesta näkökulmasta. Lisäksi tavoitteena on selventää tiettyjen suunniteluyksityiskohtien, kuten kiekon paksuuden vaikutusta rakenteen värähtelykäyttäytymiseen.

Kirjallisuuskatsauksessa tarkastellaan asianmukaisia aihepiirejä, erityisesti ahdistussovitteiden ja laminoitujen rakenteiden värähtelykäyttäytymistä. Tutkimusta varten suunnitellaan ja valmistetaan testiroottori, jonka vapaat värähtelyt mitatataan laservibrometrillä. Ohessa esitellään asianmukainen moodianalyysiin sekä roottoridynamiikkaan liittyvä teoria. Testiroottori mallinnetaan ja sille rakennetaan simulaatiomalli, joka verifioidaan testitulosten avulla. Rakennettua simulaatiomallia hyödynnetään sitten olemassa olevan massiiviroottorin simulointiin kiekkoroottorirakenteella. Näin laskentatulokset ovat vertailtavissa olemassa olevaan massiiviroottoriin.

Tuloksien mukaan paksumpi kiekko johtaa jäykempään roottoriin ja sopivalla paksuudella voidaan saavuttaa samanlaisia kierrosnopeuksia, kuin massiiviroottoreissa. Luotu simulaatiomalli on kuitenkin yksinkertaistus todellisuudesta ja tulosten varmistaminen vaatii lisätutkimusta.