Design of a test rig for the characterization of micro-gas seals

This thesis presents the design and numerical validation of an experimental test rig developed for the investigation of rotordynamic coefficients in micro-scale gas seals. The facility is conceived to reproduce controlled rotor–stator relative motion while enabling independent regulation of inlet swirl conditions and static eccentricity. The objective is to provide a reliable experimental platform for the characterization of seal dynamic behaviour under representative operating conditions. The work is structured in three main parts. First, a theoretical framework on annular gas seals and their rotordynamic modelling is introduced, with particular emphasis on stiffness and damping coefficients and on the influence of inlet swirl. A simplified single-degree-of-freedom dynamic model of the stator assembly is developed to define stiffness requirements and excitation frequency ranges. Secondly, the mechanical design of the test rig is presented. A compliant elastic wheel is integrated into the stator support system to provide controlled radial flexibility and to allow the imposition of static eccentricity. The overall layout of the facility, including the excitation system and the preswirl device, is described in detail. Finally, a numerical validation of the most critical components is carried out. A Finite Element Method (FEM) analysis is performed on the elastic wheel to evaluate its radial stiffness and verify operation within the linear elastic regime. The extracted stiffness is correlated with the simplified dynamic model to confirm the consistency of the design assumptions. In parallel, Computational Fluid Dynamics (CFD) analyses are conducted to assess the performance of the preswirl ring and the seal test section. The generated swirl ratio, velocity uniformity at the seal inlet, and leakage behaviour are evaluated to validate the fluid-dynamic design. The combined analytical, mechanical, and numerical approach demonstrates the feasibility and robustness of the proposed experimental facility, providing a solid basis for future experimental campaigns on micro-scale gas seal rotordynamics.

La presente tesi riguarda la progettazione e la validazione numerica di un banco prova sperimentale dedicato allo studio dei coefficienti rotodinamici in tenute a gas in scala micro. L’impianto è concepito per riprodurre un moto relativo controllato tra rotore e statore, consentendo la regolazione indipendente dell’eccentricità statica e delle condizioni di swirl in ingresso. L’obiettivo è realizzare una piattaforma sperimentale affidabile per la caratterizzazione del comportamento dinamico della tenuta in condizioni operative rappresentative. Il lavoro si articola in tre parti principali. In primo luogo, viene presentato il quadro teorico di riferimento sulle tenute anulari a gas e sui modelli rotodinamici, con particolare attenzione ai coefficienti di rigidezza e smorzamento e all’influenza dello swirl in ingresso. Sulla base di tali considerazioni, viene sviluppato un modello dinamico semplificato a un grado di libertà dell’assieme statorico, utile alla definizione dei requisiti di rigidezza e dell’intervallo di frequenze di eccitazione. Successivamente, è illustrata la progettazione meccanica del banco prova. Una ruota elastica cedevole è integrata nel sistema di supporto dello statore per garantire una flessibilità radiale controllata e permettere l’imposizione dell’eccentricità statica. Sono inoltre descritti il sistema di eccitazione dinamica e il dispositivo di preswirl. Infine, viene effettuata la validazione numerica dei componenti più critici. L’analisi agli elementi finiti (FEM) della ruota elastica consente di determinarne la rigidezza radiale e di verificarne il funzionamento nel campo elastico lineare, in coerenza con il modello dinamico adottato. Parallelamente, analisi di fluidodinamica computazionale (CFD) permettono di valutare le prestazioni dell’anello di preswirl e della sezione di prova della tenuta, analizzando il rapporto di swirl generato, l’uniformità del campo di velocità e il comportamento in termini di leakage. L’approccio integrato adottato dimostra la fattibilità e la robustezza della soluzione proposta, fornendo una solida base per future attività sperimentali sulla rotodinamica di tenute a gas in scala micro.