Effetti di scratch circonferenziali su un cuscinetto radiale a pattini oscillanti

Bearings used in rotating machinery field are key components which play a fundamental role in availability and correct operation of the whole plant, in fact in power plants they must support and guide rotors of several hundreds of tons. In such applications classic balls and rings bearings can’t be used due to high loads and high rotational speeds. Hydrodynamic bearings, specially tilting pad journal bearings (TPJB), are considered particularly critical since a very limited pool of experimental data about their behavior in particular conditions exist. In TPJB bearings, or more generally in hydrodynamic bearings, the shaft rotates floating upon some pads supported by a thick oil film generated in the channel between the pads and the shaft. This oil film provides lubrication and refrigeration minimizing friction and consequently power losses, providing correct coupling to the foundations and protecting the pads’ white metal (babbitt) surfaces against wear. Careful maintenance is crucial for TPJB’s correct operativity: the pads’ white metal surface is very subject to wear (it also acts as a sacrificial material in case of shaft-pad contact) so it is fundamental to maintain the lubricant very clean through an adequate filtering system. It could however happen to find some little debris in the oil, which may be produced by wearing of some components or some processing waste coming from newly installed components. In this case, these little debris could produce, dragged by shaft’s rotation, scratches on the pads’ white metal surface which could modify oil-pad interface and ultimately the bearing capability to correctly support the shaft. This thesis activity, mainly experimental, is a part of a joint research project between Politecnico di Milano and EDF (Électricité de France) about the dynamical characterization of the bearing in presence of scratches on the tilting pads’ surfaces. In this thesis key components and working principles’ highlights about TPJB will be presented at first, then the test rig will be described in all its components as well as the work done in machining the requested damages with a laser system. The last two chapters will be dedicated to show the tests’ results and the parametric analyses carried out by a Matlab simulation code for TPJB kindly provided by mechanical department rotating machinery workgroup. The parametric analyses will involve depth, width, position and number of scratches as well as clearance variations.

I cuscinetti usati nel campo delle macchine rotanti sono componenti chiave che giocano un ruolo fondamentale nella disponibilità e nel corretto funzionamento dell’intero impianto; essi, infatti, negli impianti di generazione di energia elettrica, hanno il compito di supportare e guidare alberi di diverse centinaia di tonnellate. In questo tipo applicazione non è possibile avvalersi di classici cuscinetti a sfere e anelli che non sopporterebbero gli elevati carichi o le alte velocità di rotazione in gioco. I cuscinetti idrodinamici del tipo tilting pad journal bearings (TPJB) sono considerati particolarmente critici dal momento che esistono pochi dati sperimentali riguardanti il loro comportamento in determinate condizioni. Nei TPJB l’albero ruota su dei pattini, supportato da un sottile meato di olio che si viene a generare nel canale creato tra pattini e albero e che svolge la funzione sia di fluido di raffreddamento sia di lubrificante, permettendo di minimizzare l’attrito e, quindi, le dissipazioni di potenza durante il funzionamento della macchina, fornendo un adeguato accoppiamento alle fondazioni e proteggendo dall’usura la superficie in metallo bianco (babbitt) del pattino. Il corretto funzionamento di questo tipo di cuscinetti passa attraverso una attenta manutenzione: il metallo bianco costituente la superficie dei pattini è molto tenero - infatti agisce da materiale sacrificale in caso di strisciamento dell’albero sul pattino - perciò è fondamentale una elevata purezza dell’olio, che deve essere adeguatamente filtrato. Può però capitare che siano presenti alcuni detriti prodotti dall’usura di qualche componente in contatto con l’olio o dovuti a residui di lavorazione di parti appena installate non a regola d’arte. In questo caso i detriti, trascinati dalla rotazione dell’albero, possono dare origine a dei veri e propri solchi che modificano la superficie di contatto olio-pattino ed in ultima analisi la capacità del cuscinetto di supportare correttamente l’albero. L’attività di tesi, prevalentemente sperimentale, si inserisce in un progetto di ricerca congiunto tra EDF (Électricité de France) e Politecnico di Milano per lo studio degli effetti sul comportamento dinamico del cuscinetto di scratch superficiali sui pattini. Saranno dapprima descritti i componenti chiave e il funzionamento di un cuscinetto TPJB, si passerà poi ad illustrare il banco prova utilizzato per i test, successivamente sarà presentato il lavoro fatto al laser per ricavare i danneggiamenti di interesse e quindi le prove fatte con i pattini danneggiati montati sul banco prova, infine saranno presentate alcune analisi parametriche per indagare gli effetti di profondità, larghezza, posizione e numero di scratch e variazione della clearance, analisi portate a termine mediante un codice di calcolo per TPJB in ambiente Matlab.