Cerda Varela, Alejandro Javier

Den seneste tendens indenfor design og drift af turbomaskineri stiller i større udstrækning krav om udvidelse af de operationelle grænseområder for de mekaniske systemer hvad angår produktionen, driftsikkerheden og omstillingsevnen. For at imødekomme disse behov, er det nødvendigt at benytte et nyt koncept hvori maskinen er defineret som et mekatronisk system. Denne integrerede metode inkluderer brugen af maskinelementer som er i stand til at modificere egenskaberne ved at kombinere mekaniske elementer, sensorer, behandlingsenheder samt aktuatorer.Formålet med forskningsprojektet "Mechatronics Applied to Fluid Film Bearings: Towards more Efficient Machinery" har været at forbedre den nyeste metode med hensyn til at benytte oliefilmslejer som "intelligente" maskinelementer. Dette projekt har i særdeleshed omhandlet design af et vippeskoleje som indeholder et regulerbart smørringssystem der er i stand til at modificere de statiske, termiske, og dynamiske lejeegenskaber afhængig af de operative krav som stilles. De forskningsaktiviteter som er udført i projektet inkluderer både teoetiske og eksperimentelle undersøgelser ved, at benytte en teststand bestående af en ubøjelig rotor understøttet af vippeskolejer som indeholder den regulerbare smøringsteknologi. Disse undersøgelser var rettet mod tre hovedformål. Det første hovedformål var, at forbedre den eksisterende teoretiske model for vippeskolejet med regulerbar smørring. Det andet hovedformål var, at validere den tilgængelige teoretiske model eksperimentelt med hensyn til at forudsige den statiske, termiske og dynamiske opførsel af det regulerbare leje. Det tredje hovedformål var, at evaluere egenskaberne eksperimentelt ved brugen af det regulerbare leje som en kalibreret aktuator.Indenfor disse formål, er de største originale bidrag og resultater i projektet følgende. Udarbejdelse af en teoretisk model for det undersøgte leje, som indeholder et regulerbart termoelastisk hydrodynamisk regime; udvidelse af den teoretiske model for the hydrauliske system som er tilknyttet det regulerbare leje ved at inkludere effekterne fra rørledningsdynamikken; eksperimentel karakterisering af de aktive oliefilmskrafter genereret af lejet i frekvensdomænet, og succesfuld eksperimentel implementering af det regulerbare maskinelement som en kalibreret ryster ved rotordynamiske identifikationsformål.Det er bevist at den teoretiske model for det regulerbare leje er tilstrækkelig til at forudsige den statiske og termiske opførsel af lejet. Desuden er det passende at karakterisere den dynamiske opførsel af lejet i det lave frekvensområde, med hensyn til at størrelsen og fasen af de aktive oliefilmskrafter i forbindelse med kontrolsignalet. Det viser sig dog, at den eksperimentelle karakterisering af de aktive oliefilmskrafter genereret af det regulerbare leje, afslørede eksistensen af øvrige dynamiske effekter i systemet foruden dem som er tilknyttet servoventilen og rørledningerne. Denne ekstra dynamik bliver særlig relevant ved implementeringerne, hvor det regulerbare leje er nødsaget til at generere aktive krafter i det høje frekvensområde. En faseforsinkelseseffekt var navnlig observeret mellem trykket i indsprøjtningsdysen og den aktive oliefilmskraft, som virker på rotoren. Denne effekt er ikke inkluderet i den nuværende teoretiske model for det regulerbare leje. Den kan opstå fra de dynamiske effekter indenfor olietilstrømningen i indsprøjtningsdysen og lejeklaringen. Som følge af dette, er nye forskningsområder opstået indenfor regulerbare oliefilmslejer.The current trends regarding turbomachinery design and operation demand for an expansion of the operational boundaries of these mechanical systems, regarding production rate, reliability and adaptability. In order to face the new requirements, it is necessary to migrate towards a new concept, where the machine is defined as a mechatronic system. This integrated approach comprises the usage of machine elements capable of modifying their characteristics, by using in a combined way mechanical elements, sensors, processing units and actuators.The research project entitled "Mechatronics Applied to Fluid Film Bearings: Towards more Efficient Machinery" was aimed at improving the state of the art regarding the usage of fluid film bearings as "smart" machine elements. Specifically, this project dealt with a tilting pad journal bearing design that features a controllable lubrication system, capable of modifying the static, thermal and dynamic properties of the bearing, depending on the operational requirements at hand.The research activities carried out during the project included both theoretical as well as experimental investigations, using a test rig consisting of a rigid rotor supported by a tilting pad bearing featuring the controllable lubrication technology. These investigations were aimed at three main objectives: firstly, the improvement of the existing theoretical model for the tilting pad journal bearing with controllable lubrication; secondly, the experimental validation of the available theoretical model, regarding its capability of predicting the static, thermal and dynamic behavior of the controllable bearing; and lastly, the experimental evaluation of the feasibility of using the controllable bearing as a calibrated actuator.Within these areas, the main original contributions and results achieved during this research project are: the obtention of a theoretical model for the studied bearing, featuring a controllable thermoelastohydrodynamic regime; the expansion of the theoretical model for the hydraulic system associated with the controllable bearing, by including the effect of the pipelines dynamics; the experimental confirmation of the validity of the theoretical model, regarding the prediction of static and thermal characteristics of the controllable bearing; the experimental characterization of the active oil film forces generated by the bearing in the frequency domain; and the successful experimental application of this controllable machine element as a calibrated shaker, for rotordynamics parameter identification purposes.The theoretical model of the studied controllable bearing proves to be adequate to predict the static and thermal behavior of the bearing. Furthermore, it is suitable to characterize the dynamic behavior of the bearing in the low frequency range, regarding the magnitude and phase of the active fluid film forces with respect to the control signal. However, the experimental characterization of the active fluid film forces generated by the controllable bearing revealed the existence of additional dynamic effects in the system, apart from the ones related to the servovalve and pipelines. These additional dynamics become specially relevant for applications where the controllable bearing must generate active forces in the high frequency range. Specifically, a phase lag effect was observed between the pressure in the injection nozzle and the active fluid film force acting over the rotor. This effect is not included in the current theoretical model of the controllable bearing, and it could arise from dynamic effects within the oil flow in the injection nozzle and bearing clearance. Consequently, new research fronts are opened within the field of controllable fluid film bearings

Online Research Database In Technology

Mechatronics Applied to Fluid Film Bearings: Towards More Efficient Machinery

http://orbit.dtu.dk/ws/files/77763682/SMALL_Thesis_Alejandro_Cerda_Varela..PDF

Mechatronics Applied to Fluid Film Bearings: Towards More Efficient Machinery

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Online Research Database In Technology