Beseitigung der Schwingungsursache

1. Ursachen Erkennung

Bevor man sich daran macht, eine Schwingungsverhalten zu beeinflussen, muss die Art der Schwingungsursache klar sein. So hilft eine Erhöhung der Dämpfung bei fast allen Schwingungsphänomenen, aber nicht bei allen (z.B. Flattern). Als wesentliche Aufgabe steht i.a. zunächst die Bestimmung der Systemeigenfrequenzen an. Hierzu sind im Abschnitt Grundlagen Hinweise gegeben.

2. Beseitigung der Ursache

Die Beseitigung einer Schwingungsursache ist in vielen Fällen die einfachste Lösung ein Schwingunsgproblem zu lösen. Eine unausgewuchtete Maschine sollte ausgewuchtet werden, damit keine Probleme entstehen. So werden z.B. schnell laufende Turbinen (3000 U/s enspricht 3000/60=50 Hz) extrem sorgfältig ausgewuchtet, man spürt bei Handauflegen praktisch nichts mehr.. Wenn allerdings bei Schaufelbruch die Unwucht groß wird, gibt es starke Schwingungen, die ggf. zur Zerstörung des Turbinenfundamentes führen können. Dies ist eine Schwingungsursache die nie sicher vermieden werden kann. Die Turbinenfundamente werden dagegen ausgelegt. Der Lastfall Schaufelbruch ist ein Katastrophen-Lastfall mit reduzierten Sicherheiten (ähnlich dem außergewöhnlichen Lastfall).
In vielen Fällen ist die Beseitigung der Schwingungsursache nicht möglich oder nicht sinnvoll. Man denke z.B. an Schwingungen eines Turnhallenbodens infolge hüpfender oder tanzender Menschen. Hier hilft nur eine Reduktion der auftretenden Schwingungen. Dies wird in den Folgekapiteln besprochen. Typisches Beispiel für die Möglichkeit der Beseitigung einer Schwingungsursache ist die Verhinderung oder starke Reduktion der Schwingungen kreis- zylindrischer Bauwerke quer zur Strömungsrichtung infolge einer Kármánsche Wirbelstraße mit Hilfe aerodynamische Störmaßnahmen, vgl. Bild 1:


Bild 1: Scrouton-Wendeln am Seerohrständer eines U-Bootes

Die zusätzlich angebrachten Wendeln, Streifen o.ä. stören den Ablösevorgang der Wirbel so stark, dass kaum noch periodische Seitenkräfte auftreten. Bekanntestes Beispiel hierfür ist die sog. Scrouton-Wendel, links im obigen, linken Bild. Sehr wichtig ist dabei das Einhalten der geometrischen Parameter.
Optimal wirkt die Scrouton- Wendel, wenn die folgenden Parameter eingehalten werden, [15,17]:

+ Wendelanzahl m = 3
+ Wendeltiefe t = 0.09d bis 0.12d .... (1)
+ Wendelsteigung h =4,5d bis 5d

.

Schon geringe Abweichungen von dieser Geometrie können die Wirkungsweise drastisch verschlechtern oder sogar ins Gegenteil verkehren.
Wichtig: Man beachte hierbei, dass der günstige aerodynamische Formbeiwert c_w des Rohres durch die aufgebrachten Störmaßnahmen von etwa 0,7 auf ca. 1,4 ansteigen kann, die Nichtbeachtung hat schon zu schweren Schadensfällen geführt: Der Mast in Bild 2 schwang ursprünglich sehr stark, nach Anbringen einer Wendel war das vorüber, aber bedingt durch den nun großen Windwiderstand knickte der Aufsatz in einem starken Wind ab.


Bild 2: Schadensfall an einem Antennenaufsatz wegen drastischer Erhöhung des Druckbeiwertes c durch nachträglich angebrachte Wendeln

Den Nachteil des hohen Windwiderstandes sollte die Störmaßnahme rechts Bild mit den Wendeln vermeiden. Hier ist ein gelochter Mantel vorgesehen, der etwa Kreisform hat und dazu gelocht war (im Englischen als shrout bezeichnet), um die Drücke an der Oberfläche kurzschließen zu können. Der aerodynamische Kraftbeiwert ist in der Tat geringer, leider aber auch die schwingungsverhindernde Wirksamkeit. Das Prinzip der Scrouton-Wendel wurde schon davor bei den Sehrohren von U-Booten verwendet, wie das Bild oben neben den Wendeln daneben zeigt.