Analysis of a thermohydrodynamic model for thrust bearings

Orientador: Kátia Lucchesi Cavalca DediniTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: Este trabalho possui como principal objetivo analisar a influência da variação da temperatura e, consequentemente, da viscosidade do fluido lubrificante sobre o comportamento de mancais axiais lubrificados de geometria fixa. Foi implementado numericamente, para isto, um modelo termohidrodinâmico (THD) baseado na resolução da Equação de Reynolds generalizada e da Equação de Energia através do Método dos Volumes Finitos (MVF), permitindo a obtenção da distribuição de pressão e da distribuição de temperatura ao longo do filme de óleo presente entre o mancal estacionário e o colar do eixo em movimento. Os resultados de capacidade de carga axial do mancal e o seu comportamento dinâmico, cuja análise é feita através dos coeficientes equivalentes de rigidez e amortecimento do lubrificante, são comparados com os resultados obtidos através de um modelo exclusivamente hidrodinâmico (HD), isotérmico e isoviscoso, previamente desenvolvido, buscando-se compreender o grau de influência da variação da temperatura na análise de mancais deste tipo. A influência de uma gama de parâmetros geométricos envolvidos, tais como comprimento angular da rampa e do segmento e inclinação da rampa, também é analisada, com o objetivo de se definir parâmetros geométricos ótimos do mancal que resultam em uma maior capacidade de carga axial. A influência de parâmetros de operação, tais como velocidade de rotação e espessura mínima de fluido, também é analisada. Resultados experimentais obtidos através de uma bancada de testes montada com um turbocompressor são utilizados para se validar os resultados do modelo implementado numericamente e analisar o comportamento de um sistema real capaz de funcionar a velocidades de rotação muito altas e sujeito a esforços axiais abruptos e elevadosAbstract: The main aim of this work is to analyse the influence of the temperature variation and, as consequence, the viscosity variation of the lubricant fluid on the behaviour of lubricated fixed-geometry thrust bearings. For this purpose, a thermohydrodynamic (THD) model, based on the solution of the Generalized Reynolds¿ Equation and of the Energy Equation by use of a Finite Volume Method, was developed, enabling the calculation of both pressure and temperature distribution along the fluid film present between the stationary bearing and the rotating collar. The results of axial load capacity of the bearing and its dynamic behaviour, characterised by the equivalent stiffness and damping coefficients, are compared to the results obtained by a previously developed purely hydrodynamic (HD), isothermal and isoviscous model, with the objective of understanding the influence of the temperature variation on the analysis of this type of bearings. The influence of several geometric parameters, such as pad length, ramp length and slope of the ramp, is also analysed, with the objective of defining the optimum values that lead to a higher load capacity. Also, the influence of operating parameters as speed and minimum film thickness on the behaviour of the system is studied. Experimental results, obtained at a test rig mounted with a small turbocharger are used to validate the simulated results and analyse the behaviour of a real system, capable of supporting high speeds of rotation and severe and abrupt external loadsDoutoradoMecânica dos Sólidos e Projeto MecânicoMestre em Engenharia Mecânic

Analysis of thrust bearings under hydrodynamic lubrication

Orientador: Kátia Lucchesi Cavalca DediniDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: A geração de pressão no fluido lubrificante presente na folga entre um mancal axial e o colar do eixo em rotação é de fundamental importância para evitar contato entre partes sólidas com movimento relativo. Qualquer contato existente poderá causar fricção, desgaste e, consequentemente, falha dos elementos de máquinas rotativas. Sendo assim, no projeto de um mancal eficaz, é importante conhecer o mecanismo pelo qual a pressão é gerada no filme de óleo e a magnitude da carga axial a ser transmitida do colar para o mancal através do fluido. Para isso, é necessário resolver a Equação de Reynolds, obtendo-se a distribuição de pressão no óleo. A partir disso, diversos parâmetros operacionais, tais como capacidade de carga, fluxos de fluido, posição do pico de pressão entre outros, podem ser obtidos. De maneira a avaliar o problema de lubrificação hidrodinâmica proposto, é obtida uma solução utilizando o Método dos Volumes Finitos em coordenadas polares. Utiliza-se este método para resolver o balanço de fluxo em cada volume de controle com auxílio da Equação de Bernoulli, permitindo a análise de descontinuidades do filme de óleo. Segmentos individuais e mancais compostos, incluindo as suas ranhuras, são analisados. A influência da gama de parâmetros envolvidos, como a área plana ao fim de cada segmento de mancal, espessura de fluido e viscosidade do fluido foi analisada, buscando-se valores ótimos destes parâmetros. Finalmente, foram calculados e analisados o coeficiente de rigidez e o coeficiente de amortecimento para este tipo de mancalAbstract: The pressure generation within the lubricant fluid present in the clearance between a thrust bearing and the collar attached to the shaft has a fundamental importance to avoid contact between solid parts with axial relative motion. Any existing contact can lead to friction, wear and, as a consequence, failure of elements on a rotating machine. Therefore, in order to design an effective bearing, it is important to know how the pressure is generated in the oil film and the magnitude of the load capacity transmitted from the collar to the bearing throughout the fluid. Thus, it is necessary to solve the Reynolds' Equation to obtain the pressure distribution on the sections under Hydrodynamic Lubrication. Afterwards, several operational parameters can be obtained, such as the total load capacity, lubricant fluid flow, position of the maximum pressure and so on. In order to evaluate this hydrodynamic lubrication problem, the solution of the Reynolds Equation by using the Finite Volume Method in polar coordinates is obtained. This method is used to solve the balance of fluid flow in each control volume with help from the Bernoulli Equation, allowing the analysis of the film thickness discontinuities. Individual pads and complete axial bearings, including its grooves, are analyzed. The influence of the set of parameters involved, such as area of the flat part of the pad, film thickness and viscosity of the fluid, on the results of the distribution of pressure and the calculated load capacity was evaluated, as well as the evaluation of the optimum dimensions for bearings. Finally, the stiffness and damping coefficients for such type of bearings were obtained and the obtained results were analyzedMestradoMecânica dos Sólidos e Projeto MecânicoMestre em Engenharia Mecânic