Effects of oil supply conditions of the hydrodynamic journal bearing on rotor dynamic behaviour

Orientador: Gregory Bregion DanielDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: Este trabalho tem como objetivo analisar a influência das condições de lubrificação de mancais hidrodinâmicos no comportamento estático e dinâmico do rotor. À vista disso, desenvolveu-se um modelo para solução da equação de lubrificação de Reynolds com conservação de massa e condição de cavitação baseado na abordagem p-?. O modelo implicitamente considera a condição de cavitação de acordo com a teoria de Jakobsson-Floberg-Olsson, localizando as fronteiras de ruptura e reformação do filme de maneira automática, e considera as condições de entrada de lubrificante como condições de contorno aplicadas à região do groove. Para a implementação numérica do modelo foi utilizado o Método dos Volumes Finitos, por se tratar de um esquema localmente conservativo e que, portanto, favorece a representação correta dos fluxos. A solução do problema fornece o campo de pressão e de fração volumétrica ao longo de todo mancal, a partir dos quais é possível determinar as forças hidrodinâmicas e a posição de equilíbrio estático do eixo no mancal. Além disso, considerando que as forças hidrodinâmicas têm comportamento linear em torno da posição de equilíbrio, calcula-se os coeficientes equivalentes de rigidez e amortecimento do mancal. Por fim, a análise dinâmica do sistema é realizada aplicando o Método dos Elementos Finitos para modelar a equação de movimento do conjunto rotor-mancais. Essa análise permite definir as velocidades críticas, o limiar de instabilidade e a resposta dinâmica no domínio do tempo. Deste modo, é possível impor diferentes condições de entrada de lubrificante e observar seus efeitos na resposta estática e dinâmica do rotor. Diante disso, foram realizadas análises da influência da posição de entrada de óleo no mancal, da influência da pressão de alimentação e, por fim, da influência da vazão de entrada considerando cenários de falta de lubrificação (starvation) e com lubrificação plena (flooded). Os resultados mostraram que a condição de lubrificação é decisiva no desempenho do mancal, podendo mudar consideravelmente a capacidade de carga, os coeficientes equivalentes e, inclusive, o comportamento estável do sistema. É notável a relação do desempenho do mancal principalmente com a posição do groove e a evidente transição do comportamento entre lubrificação em starvation e floodedAbstract: This work aims to analyze the influence of lubricant supply conditions of hydrodynamic bearings on the static and dynamic behavior of the rotor. Therefore, a mass-conservative cavitation model based on p-? formulation of the Reynolds equation is developed. This approach implicitly considers Jakobsson-Floberg-Olsson cavitation conditions, leading to the automatic localization of the film reformation and rupture boundaries, and also considers the lubricant supply conditions as boundary conditions applied to the groove region. The Finite Volume Method is applied to numerically implement the model because it is a locally conservative scheme and therefore aids in the accurate representation of the flows. The problem solution provides the pressure and liquid fraction fields throughout the bearing domain, from which it is possible to determine the hydrodynamic forces and the equilibrium position of the shaft in the bearing. In addition, considering that the hydrodynamic forces have a linear behavior close to the equilibrium position, the equivalent stiffness and damping coefficients of the bearing are calculated. Finally, the dynamic analysis of the system is carried out by applying the Finite Element Method to model the equation of motion of the rotor-bearing assembly. This analysis allows to define the critical velocities, the instability threshold and the dynamic response in time domain of the rotating system. Thus, it is possible to apply different lubricant supply conditions and investigate their effects on the static and dynamic rotor response. Therefore, analyses of the influence of the oil inlet position on the bearing, the influence of the feed pressure and, finally, the influence of the inlet flow considering starvation and flooded bearing conditions were performed. The results showed that the lubricant supply condition is decisive in the performance of the bearing because it can considerably change the load capacity, the equivalent coefficients and even the instability threshold of the rotor system. There is a remarkable relationship between bearing performance and groove position as well as an evident behavior transition between starvation and flooded lubricationMestradoMecânica dos Sólidos e Projeto MecânicoMestra em Engenharia Mecânic