Evaluation and comparison of the coefficients of a tilting pad journal bearing

In high rotational-speed machines, such as in the turbomachinery, bearings are a fundamental component; thanks to them it is possible to guarantee the movement of the system and the support of the shaft. The best bearing choice for this kind of applications are the Tilting Pad Journal Bearings (TPJBs); these components are unconventional bearing because there is no presence of spheres or rings, but the shaft slides on some pads. This extraordinary characteristic is possible because in the region included between the shaft and the pads of the bearing there is a thin layer of an oil-film that permits high speed values to be reached with a minimum loss of power. The presence of the oil-film reduces greatly the frictions present in the machines (lubricant effect) and preserve the bearing from the wear phenomenon. Moreover, the oil has also the function of cool down the bearing components while it is running. The bearings, together with the other components of the supporting structure, have an important role on the performance of the whole system in which they are installed; in particular, unwanted effects such as the critical speed or the dynamic amplification are strongly influenced by the stiffness and the damping of the bearings. This thesis discusses same research works developed in the Politecnico di Milano laboratory about the evaluation of principal parameters that influence the bearing behaviour. The thesis starts with an accurate description of all the parts of the bearing; moreover, it is described also how the test-rig is composed and how it is working. The test-rig is the principal tool used during the experimental campaign and it has been suitably designed to test the TPJBs in various operating conditions. Then a wide discussion about the parameters that can influence the performances of the bearing is reported with special care to the important role of the pivot. The main topic of this work is about the evaluation of the clearance, the pivot stiffness and dynamic coefficients. The clearance and the pivot stiffness are the ones measured while the shaft is still. It is important to define the geometry of the bearing by means of the “clearance profile” check before starting any test. The dynamic coefficients were evaluated in two ways, but both these tests were performed by means of the application of two types of forces (static and dynamic load) on the bearing in several directions. In the first kind of tests the static and dynamic load change their modulus, while the frequency of the dynamic load is fixed to 25 Hz. The static force ranges from 5 kN to 12,5 kN, while the intensity of the dynamic load follows a function that depends on the value of static one. The second dynamic test configuration consists in keeping constant the modulus of both loads, while the frequency of the dynamic force changes from 10 Hz to 50 Hz. The main goal of these tests is to understand how the behaviour of the bearing change with the application of different load/frequency configuration. The last part of this thesis presents the comparisons between the experimental results and some simulations, including a final discussion about the results obtained.

Nelle macchine con elevate velocità di rotazione, come nelle turbomacchine, i cuscinetti sono una componente fondamentale; grazie a loro è possibile garantire il moto dell’albero e collegarlo al resto del sistema. La migliore scelta di cuscinetti per questo tipo di applicazioni sono i “Tilting Pad Journal Bearings” (TPJBs); questi componenti sono degli speciali cuscinetti che non posseggono al loro interno sfere o anelli, ma l’albero gira scivolando su dei pattini. La caratteristica fondamentale di questi cuscinetti è la presenza di un sottile film d’olio posto tra l’albero e il cuscinetto, che permette di raggiungere elevate velocità con una minima perdita di potenza. Il film d’ olio riduce notevolmente l’attrito presente nella macchina (effetto lubrificante) e protegge il cuscinetto dal fenomeno dell’usura. Inoltre lo strato d’olio ha anche la funzione di raffreddare il cuscinetto mentre è in funzione. I cuscinetti, insieme con la struttura di supporto, hanno un importante ruolo nelle prestazioni dell’intero sistema nel quale sono montati; in particolare, effetti indesiderati come le velocità critiche o amplificazioni dinamiche sono fortemente influenzate dalla rigidezza e dallo smorzamento del cuscinetto. Questa tesi riporta il lavoro di ricerca svolto presso i laboratori del Politecnico di Milano e riguarda la stima dei principali parametri che influenzano il comportamento di un cuscinetto. La tesi presenta, in primo luogo, un’accurata descrizione del cuscinetto in tutte le sue parti, è inoltre descritto il banco prova ed il suo funzionamento. Il banco di prova (o “test-rig”) è lo strumento principale utilizzato durante le prove sperimentali ed è stato appositamente progettato per testare questo tipo di cuscinetti in varie condizioni di lavoro. Inoltre è riportata una discussione riguardo i vari parametri che influenzano le prestazioni del cuscinetto, con particolare attenzione all' importante ruolo del pivot. L’argomento principale di questa tesi riguarda la stima della “clearance profile”, della rigidezza dei pivot e dei coefficienti dinamici. Le prove di “clearance profile” e di stima della rigidezza dei pivot sono misurate mentre l’albero è spento. È importante ricordare di controllare la reale geometria del cuscinetto prima di svolgere qualsiasi test, mediante la prova “clearance profile”. I coefficienti dinamici sono valutati due modalità, ma in entrambi questi due test si effettuano con l’applicazione di due carichi (uno statico e uno dinamico) al cuscinetto in svariate direzioni. Nel primo tipo di prova, l’intensità del carico statico e dinamico cambia, mentre la frequenza di applicazione della forza dinamica resta fissa a 25 Hz. La forza statica varia da 5kN a 12.5kN, mentre il modulo della forza dinamica è variabile in funzione del carico statico. Nella seconda modalità di prova, il modulo del carico statico e dinamico è costante; ciò che varia è la frequenza di applicazione della forza dinamica che passa da 10 Hz a 50 Hz. Lo scopo principale di questi test è capire come il comportamento del cuscinetto cambia in varie condizioni di carico o di frequenza. La parte finale della tesi presenta il confronto tra prove sperimentali e simulazioni numeriche; una discussione riguardo i risultati ottenuti conclude questa trattazione.