Stability Analysis of Rotating Machines

Nowadays the necessity of having machines more and more efficient from an energetic point of view brings those to extremely severe working conditions. This condition leads the machine toward unstable working conditions if perturbation arises. Mechanical stability study of rotating machines, more particularly sub-synchronous vibrations, became important at the beginning of the XX century and it is still a prominent topic in the system dynamics field. In the past several sources of instability have been discovered, such as oil whip, seal instability, rotating internal damping and Alford’s force, but the relation between these instability sources and the mechanical components of the system is something not so clear. This work is aimed at finding the possible influence of bearings parameters and Alford variations on the stability of the whole machine. This thesis has been developed by exploiting the Finite Element Model of the system and proposing a parametric analysis. As expected, some clear influences have been found depending on the bearing parameters, and Alford’s force magnitude, leading to unstable working conditions of the machine. The founded results can be applied to an industrial field given that the analyzed parameters directly regard the rotor-bearing coupling and design.

La necessità di sviluppare macchine rotative sempre più efficienti da un punto di vista energetico porta a condizioni di lavoro sempre più critiche. Questa condizione può portare le suddette macchine a lavorare in condizioni di instabilità una volta che una possibile perturbazione agisce sul sistema. Lo studio delle instabilità meccaniche, in particolare quello delle vibrazioni sub-sincrone, è diventato predominante all’inizio del XX secolo ed è ancora un argomento cruciale nel campo della dinamica dei sistemi. Diverse componenti di instabilità sono state proposte nel passato, come Oil Whip, instabilità da tenuta e dovuto dallo smorzamento strutturale, e dalle forze di Alford, senza trovare una chiara correlazione con i componenti meccanici presenti nel sistema. Questo manoscritto ha lo scopo di trovare possibili influenze sulla condizione di stabilità data dalla variazione dei parametri dei cuscinetti e dalla variazione dell’ordine di grandezza della forza di Alford. In questo lavoro i modelli FEM dei sistemi considerati sono stati sviluppati e diverse analisi parametriche vengono proposte per comprendere meglio l’influenza dei diversi contributi. Il risultato finale conferma una chiara influenza della forza di Alford e dei cuscinetti considerati sulla stabilità del sistema. Ciò trovato può avere un importante risvolto industriale in modo da avere piena consapevolezza durante la fase di progettazione della macchina.