Fluid film bearing modelling and experimental characterization

Hydrodynamic journal bearings are essential power transmission elements which are carrying increasingly high loads because of the growing volume specific power in numerous machines. Industrial rotating machinery for both low and high rotating speed with high loads, such as centrifugal compressors, steam turbines, pumps and motors, employs journal bearings for supporting rotor. Journal bearings utilized in industrial machinery typically fall into two groups: partial arc bearings and full bearings. The aim of this thesis is to study the static and dynamic behaviors of two kinds of hydrodynamic journal bearings, namely tilting-pad journal bearing (partial arc design) and plain journal bearing (full design) under various working conditions by numerical simulations as well as experimental tests. Tilting-pad journal bearings (TPJBs) are widely used in high rotating speed machines operating under low to medium loads mainly because of their high stability compared with plain or fixed-arc journal bearings. The dynamic response characterization of TPJBs is essential for successful design of the high speed rotating machinery. Theoretical models using for the dynamic response estimation are especially important for the design stage of modern high speed rotating machinery. Besides, experimental results are vital to fully understand the bearing behavior and to enhance theoretical modelling. At the same time, bearings with non-nominal geometry due to manufacturing error may alter rotor-bearing system dynamic behavior compared to the systems with nominal geometry ones. Moreover, for operating conditions in which the load direction changes rapidly, studying the effect of the load direction is very important, particularly when analysis of the dynamic performances of the TPJB is needed. Plain journal bearing, in general, is the simplest and cheapest type of bearing. They are also compact and lightweight, and they have a high load-carrying capacity. In addition, plain bearings are usually used in slowly rotating applications. Typical applications include reciprocating machines with small diameter shafts, operating at high speeds, where the high dynamic behaviors offered by other bearing types are not required. Critical applications are represented by machines with medium/large diameter shafts, characterized by both low tangential speeds (less than 1 m/s) and high loads (specific pressure higher than 10 MPa). High viscosity oils are usually employed in these cases (ISO VG grade higher than 100) in order to prevent possible failures of the bearing due to contact friction. Thermo-elasto-hydrodynamic (TEHD) model, taking into account the large deformation of the bearing under large loads, is essential to accurately predict the oil film pressure distribution as well as the oil film thickness and is very useful during the design phase. In the first part of thesis, a theoretical analysis of the influence of the load direction on the static and dynamic characteristics of a rocker-backed five-shoe TPJB is investigated. An analysis is performed for a TPJB using a non-nominal geometry, that is, with a different preload factor for each pad. The numerical simulation using a TEHD model considers both pad and pivot flexibility and a simple thermal model only for the oil film temperature to accurately predict the performance of TPJBs. The model also accounts for pivot stiffness of pads which are determined by a model based on the Hertz contact theory and the experimental measurements. The analytical results of the bearing behavior are then compared with the experimental measurements for a real bearing having pads with different geometries due to manufacturing errors. The results show that the load direction has considerable effects on both the static and dynamic characteristics of the TPJB. A robust estimation method is introduced for the calculation of experimental dynamic coefficients. The procedure for the bearing geometry estimation from the experimental measurement of the clearance profile is also described. After verification of the numerical model for TPJBs, a TEHD model for plain journal bearings is developed. Characteristics of the two axial grooves journal bearing under severe operation conditions are analyzed and compared with the experiment measurements. Two different lubricants with different viscosity, namely ISO VG150 and ISO VG220 oils are used and compared. To measure the pressure and the oil film thickness during the shaft rotation, a hollow shaft has been equipped with a pressure probe and a proximity probe. The rotational speed ranged from 60 rpm to 1440 rpm, and the applied load varied from 0 kN to 400 kN in the vertical direction. Results of the dynamic coefficients, static position of the shaft, hydrodynamic pressure, temperature distributions on the bearing, oil-film thickness and bearing deformation under several operating conditions are presented and discussed. The obtained results can be used in the development and validation of mathematical methods for research into hydrodynamic journal bearings.

I cuscinetti portanti a sostentamento idrodinamico rappresentano un componente fondamentale delle trasmissioni di potenza nelle quali vengono trasmessi carichi sempre più elevati a causa della crescente potenza specifica. Nelle macchine rotanti industriali, sia per bassa sia per alta velocità di rotazione con carichi elevati, come in compressori centrifughi, turbine a vapore, pompe e motori, questo tipo di cuscinetti vengono utilizzati per il supporto del rotore. I cuscinetti portanti utilizzati nel macchinario industriale rientrano in genere in due gruppi: i cuscinetti ad arco parziale ed i cuscinetti completi. Lo scopo di questa tesi è quello di studiare i comportamenti statici e dinamici di due tipi di cuscinetti idrodinamici portanti, vale a dire il cuscinetto portante tilting pad (ad arco parziale) e quello piano (arco completo) sotto diverse condizioni di esercizio, sia mediante simulazioni numeriche, sia attraverso prove sperimentali. I cuscinetti portanti tilting pad (TPJBs) sono ampiamente utilizzati nelle macchine rotanti ad alta velocità che operano sotto carichi medio bassi soprattutto a causa della loro elevata stabilità rispetto ai cuscinetti a pareti fisse. La caratterizzazione della risposta dinamica TPJBs è essenziale per la corretta progettazione delle macchine rotanti ad alta velocità. I modelli teorici che si utilizzano per la valutazione della dinamica sono particolarmente importanti per la fase di progettazione delle macchine rotanti ad alta velocità. Inoltre, i risultati sperimentali sono fondamentali per comprendere appieno il comportamento dei cuscinetti e per validare la modellizzazione teorica. Allo stesso tempo, cuscinetti con geometria non ideale, a causa delle tolleranze di lavorazione ed assemblaggio, possono alterare il comportamento dinamico del sistema rotore-cuscinetto rispetto a sistemi con geometria ideale. Inoltre, in condizioni operative in cui la direzione del carico cambia rapidamente, lo studio dell'effetto della direzione del carico è molto importante, in particolare quando è richiesta l'analisi delle prestazioni dinamiche del TPJB. Il cuscinetto portante liscio, in generale, è il tipo più semplice ed economico di cuscinetto. Esso è compatto e leggero, e ha un’elevata capacità di carico. Inoltre, tali cuscinetti sono frequentemente utilizzati in applicazioni che hanno bassa velocità di rotazione con carichi elevati. Altre applicazioni tipiche comprendono macchine alternative con alberi di piccolo diametro, operanti ad alta velocità, che non richiedono elevate prestazioni dinamiche offerti da altri tipi di cuscinetti. Applicazioni critiche sono invece rappresentate da macchine con alberi di diametro medio / grande, caratterizzate da basse velocità tangenziali (meno di 1 m / s) e carichi elevati (pressione specifica maggiore di 10 MPa). In questi casi, sono usualmente impiegati oli ad alta viscosità (ISO VG grado superiore a 100) al fine di prevenire possibili guasti del cuscinetto a causa dell’attrito. In questi casi, tenendo conto della grande deformazione del cuscinetto sotto grandi carichi, sono necessari modelli termo-elasto-idrodinamici, per prevedere con precisione la distribuzione della pressione e lo spessore del film d’olio, dati questi ultimi fondamentali per la progettazione. Nella prima parte della tesi, viene presentata un'analisi teorica dell'influenza della direzione del carico sulle caratteristiche statiche e dinamiche di un TPJB a cinque pattini rocker. L'analisi viene eseguita per un TPJB utilizzando una geometria non ideale, cioè con un differente fattore di precarico per ciascun pattino. La simulazione numerica utilizzando un modello TEHD considera la flessibilità sia del pattino sia del pivot e un semplice modello termico solamente per la temperatura del film d’olio al fine di prevedere con precisione le prestazioni del TPJBs. Il modello spiega anche che la rigidezza del pivot è importante e viene determinata con un modello basato sulla teoria contatto Hertziano e con delle misure sperimentali. I risultati analitici del comportamento dei cuscinetti vengono poi confrontati con le misure sperimentali per un cuscinetto installato su banco prova e avente diversi precarichi a causa delle tolleranze di fabbricazione. I risultati mostrano che la direzione del carico ha effetti notevoli sulle caratteristiche statiche e dinamiche del TPJB. Un metodo di stima robusta viene introdotto per il calcolo dei coefficienti dinamici sperimentali. La procedura per la stima della geometria reale del cuscinetto sulla base dalla misura sperimentale del profilo gioco viene anche descritta. Dopo la verifica del modello numerico per il TPJBs, è stato sviluppato un modello TEHD per cuscinetti lisci con due scanalature assiali. Le caratteristiche calcolate di questo cuscinetto in condizioni di esercizio severe vengono analizzate e confrontate con le misure sperimentali. Due lubrificanti con viscosità diversa, vale a dire gli oli ISO VG150 e ISO VG220 sono stati utilizzati e i corrispondenti risultati confrontati. Per misurare la pressione e lo spessore del film d'olio durante la rotazione dell'albero, un albero cavo è stato dotato di una sonda di pressione ed una sonda di prossimità. La velocità di rotazione varia da 60 rpm a 1440 rpm, e il carico applicato varia da 0 kN a 400 kN nella direzione verticale. I risultati dei coefficienti dinamici, della posizione statica dell'albero, della pressione idrodinamica, della distribuzione della temperatura sul cuscinetto, dello spessore del film d’olio e della deformazione del cuscinetto sotto diverse condizioni di esercizio sono presentati e discussi. I risultati ottenuti possono essere utilizzati nello sviluppo e nella validazione dei modelli matematici per la progettazione di cuscinetti portanti idrodinamici.