Rotating systems subjected to oil-film bearings nonlinearities

Orientador: Katia Lucchesi Cavalca DediniTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: Máquinas rotativas estão presentes em diversos setores industriais e, principalmente, no setor energético. Dessa forma, um componente rotativo apoiado em mancais hidrodinâmicos e que transmite potência cria uma série de problemas característicos que são encontrados em diversas máquinas, sejam estas turbinas de pequeno ou grande porte, turbo-geradores, motores, compressores ou bombas. Então, modelos matemáticos representativos das causas e consequências desses problemas têm sido desenvolvidos para simular as condições de trabalho dos sistemas rotativos. Contudo, o estudo de rotores é frequentemente realizado levando-se em conta forças hidrodinâmicas linearizadas, embora os mancais possam apresentar comportamento altamente não linear, e mesmo agindo localmente podem alterar significativamente a dinâmica da máquina rotativa, interferindo na realização de procedimentos básicos, como por exemplo no balanceamento da máquina. Devido à necessidade de procedimentos numéricos para a solução da equação de Reynolds, a análise de rotores utilizando modelos não lineares de mancais acarreta em alto tempo computacional, uma vez que essa equação deve ser resolvida a cada instante de tempo. Sendo assim, esse trabalho propõe o estudo do comportamento de sistemas rotativos apoiados em mancais não lineares, sendo que para reduzir o custo computacional, é proposta a aproximação das forças hidrodinâmicas por uma expansão em série de Taylor de alta ordem. Por esse motivo, primeiramente, foram realizadas diversas simulações para verificar as situações nas quais o modelo linear não é mais válido, mostrando que em situações com altas forças de excitação o modelo não linear deve ser utilizado. Em seguida, foi realizada a análise do uso de coeficientes não lineares, obtidos a partir da expansão em série de Taylor, para representar o comportamento das forças hidrodinâmicas e da dinâmica do rotor, sob a influência de alta não linearidade, mostrando que essa abordagem consegue reproduzir de forma eficaz o comportamento dinâmico do sistema com menor custo computacional. Finalmente, foi proposta uma identificação de desbalanceamento, que não necessita de massas de triagem, para verificar a influência das não linearidades no balanceamento de rotores, mostrando que tal procedimento pode ser mais eficaz ao se considerar mancais não lineares. Ademais, testes experimentais foram realizados para validar os resultados numéricos obtidosAbstract: Rotating machines are present in several industrial sectors, mainly, in energy generation sector. In this way, a rotating component sustained by hydrodynamic bearings and transmitting power creates typical problems that are found in several machines, being that small or large turbines, turbo generators, motors, compressors or pumps. Therefore, representative mathematical models have been developed in order to simulate specific rotating systems working conditions. However, the study of rotors is frequently performed taking into account linearized hydrodynamic forces, although bearings may present highly nonlinear behavior. Despite this nonlinear force acts locally in the system, it can significantly change the rotating machine dynamics, interfering in basic procedures such as rotor balancing. Due to the necessity of numerical procedures for the Reynolds equation solution, rotors analysis using nonlinear bearings is extremely time consuming, since this equation must be solved at each time step. Thus, this work analyzes the behavior of rotating systems supported by nonlinear hydrodynamic bearings, and in order to reduce the computational cost, it is proposed a hydrodynamic forces approximation by a high order Taylor series expansion. For this reason, firstly, several simulations were performed in order to verify situations where the linear model is no longer valid. The results showed that the nonlinear model should be used in situations with high excitation forces. Then, the use of nonlinear coefficients, obtained from Taylor series expansion, to represent the hydrodynamic forces and rotor dynamics behavior, under influence of high nonlinearity, was analyzed. It was observed that this approach can effectively reproduce the system dynamic behavior with much lower processing time. Finally, an unbalance identification, without requirement of trial masses, has been proposed to verify the nonlinearities influence on rotor balancing, showing that this procedure can be more efficient when considering nonlinear bearings. In addition, the numerical results validation was performed through experimental testsDoutoradoMecânica dos Sólidos e Projeto MecânicoDoutor em Engenharia Mecânica141083/2014-0CNP