Design of a test rig for squeeze film dampers

In the last decades, the power generation industry has pushed the development of more efficient and reliable turbomachinery, both for the reduction in consumption of resources and emission and for the reduction of costs. This trend in increasing the overall performance of the turbomachinery adept for power generation have pushed many plants towards severe operating conditions, that can lead to increasing vibration levels and unstable operation. Squeeze film dampers (SFD for brevity) have been used in the last decades by both the aeronautical and power generation industry to tackle the issues of high vibration amplitude, as an added component to the rotor system able to introduce external damping to the rotating assembly, allowing safer operation and lower vibration levels. This works focuses on the test rigs used for the identification of the squeeze film dampers parameters, presenting an experimental evaluation of the performance of a SFD on a flexible rotor test rig on a rotor simulating a radial outflow turbine for ORC cycles. Of interest is the effect of the damper on the damping ration of the system at resonance frequencies, evaluated through bump tests, constant speed tests and rundown tests, confirming the positive effect in reducing the vibration level. In the current work a novel design for a test rig for micro-SFD applications is proposed, employing low peak force electromagnetic shakers, exciting the rotor part, in contrast with the most part of test rigs in the literature that excite the bearing cartridge. A complete mechanical design is proposed, together with static and dynamic finite element simulation aimed to validate the design. The damping and added mass coefficients of the SFD are extrapolated through a frequency domain method with circular orbit motion caused by prescribed force produced by the shakers.

Negli ultimi decenni, il settore industriale della produzione di energia ha spinto lo sviluppo di turbomacchine più efficienti e affidabili, sia per la riduzione del consumo di risorse e delle emissioni, sia per la riduzione dei costi. Questa tendenza ad aumentare le prestazioni complessive delle turbomacchine adibite alla generazione di energia ha spinto molti impianti verso severe condizioni operative, che possono portare ad un aumento dei livelli di vibrazione e ad un funzionamento instabile. Gli squeeze film damper (SFD per brevità) sono stati utilizzati negli ultimi decenni sia dall'industria aeronautica che da quella della produzione di energia per affrontare i problemi dell'elevata ampiezza delle vibrazioni, come componente aggiuntivo al sistema rotorico in grado di introdurre dello smorzamento esterno al gruppo rotante, consentendo un funzionamento più sicuro e livelli di vibrazioni inferiori. Questa tesi si concentra sui banchi di prova utilizzati per l'identificazione dei parametri degli squeeze film damper, presentando una valutazione sperimentale delle prestazioni di un SFD su un banco di prova a rotore flessibile su un rotore che simula una turbina a deflusso radiale per cicli ORC. Di interesse è l'effetto dello smorzatore sul rapporto di smorzamento del sistema alle frequenze di risonanza, valutato attraverso bump test, test a velocità costante e prove di rundown, confermano l'effetto positivo nella riduzione del livello di vibrazione. Nel presente lavoro viene proposto un nuovo design per un banco di prova per applicazioni micro-SFD, che impiega shaker elettromagnetici con bassi valori di forza massima, eccitando l’assieme rotorico dello smorzatore, in contrasto con la maggior parte dei banchi di prova in letteratura che eccitano la cartuccia del cuscinetto. Viene proposta una progettazione meccanica completa, insieme alla simulazione statica e dinamica agli elementi finiti volta a validare il progetto. I coefficienti di smorzamento e di massa aggiunti dello smorzatore vengono estrapolati attraverso un metodo nel dominio della frequenza con movimento orbitale circolare causato dalla forza prescritta prodotta dagli shaker.