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Numerical Investigation of Rotors in Floating Ring Bearings using Co-Simulation

Nowald, Gerrit Edgar :
Numerical Investigation of Rotors in Floating Ring Bearings using Co-Simulation.
Studienbereich Mechanik, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2018)

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20181112_Nowald_Dissertation.pdf - Accepted Version
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Numerical Investigation of Rotors in Floating Ring Bearings using Co-Simulation
Language: English
Abstract:

In this work, the nonlinear oscillation behavior of rotors in floating ring bearings is investigated numerically by means of transient run-up simulations. Non plain bearing designs are considered, which are commonly used in turbocharger applications. Furthermore, a mass-conserving cavitation model based on two-phase theory is employed, which is well suited for transient journal motions due to subsynchronous oscillations. Special axial boundary conditions are introduced, which better reflect open-ended bearings. In contrast to classical cavitation approaches, which assume degassing of dissolved air as the main mechanism, this boundary condition leads to sucking-in of air from the surroundings during squeeze motion of the journal. The numerical model is separated into a rotor and a bearing model, which are implemented in commercial software tools. Both subsystems are joined by means of one of two coupling methods, which enables the creation of detailed, easily interchangeable and updateable subsystems. Dynamic-static solver coupling is used for rotors in single film bearings with non mass-conserving cavitation models. An explicit co-simulation approach is employed for rotors in floating ring bearings or bearings with a mass-conserving cavitation model. In the first case, only the rotor subsystem is time-dependent. In the latter case, both subsystems are time-dependent and are solved with their respective solvers. All time-dependent subsystems use stable, implicit BDF solvers. The rotor is modeled using multibody dynamics software. The partial differential equation of the bearing subsystem is discretized with the Finite Element method, which yields high flexibility concerning the gap geometry. The influences of the bearing geometry and different parameters are investigated using a symmetric Jeffcott rotor. Also, an asymmetric, heavy turbocharger is considered. A non mass-conserving penalty cavitation approach yields a smooth pressure profile. The run-up behavior and the stability threshold are almost identical to the often-used half-Sommerfeld (Gümbel) condition. The hydrodynamic pressure in pockets or grooves is negligible due to their large gap size. However, the hydrostatic pressure has to be considered, which can stabilize or destabilize the system, depending on the lubricant supply geometry. The differences between non mass-conserving and the mass-conserving cavitation model are small for purely synchronous oscillations due to small unbalance. The two-phase model yields a lower stability threshold rotor speed, which is further decreased for open-ended bearings. Non mass-conserving models implicitly assume that the bearing gap is completely filled with lubricant at all times. During squeeze motion, the pressure build-up upon load-reversal is instantaneous. The pressure build-up is delayed for the mass-conserving cavitation model, which yields reduced radial damping. Furthermore, the circumferential extend of the pressure profile during whirl motion is smaller due to cavitation for mass-conserving models. The load carrying capacity is decreased, which may often yield higher eccentricities during sub-synchronous oscillations. A two-phase model can also entail a different bifurcation behavior, especially for insufficient lubricant supply.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In dieser Arbeit wird das nichtlineare Schwingungsverhalten von Rotoren in Schwimmbuchsenlagern anhand von transienten Hochlaufsimulationen numerisch untersucht. Gleitlager mit Nuten und Bohrungen werden berücksichtigt, die häufig Anwendung in Turboladern finden. Zudem wird ein masseerhaltendes Kavitationsmodell basierend auf der 2-Phasen-Theorie eingeführt, das für transiente Zapfen-Bewegungen aufgrund subsynchroner Schwingungen geeignet ist. Spezielle axiale Randbedingungen werden eingeführt, die besser axial offene Lager abbilden. Im Gegensatz zu klassischen Kavitations-Modellen, die Ausgasen von im Schmierstoff gelöster Luft als den Hauptmechanismus annehmen, führt diese Randbedingung zum Einsaugen von Luft aus der Umgebung bei radialer Verdrängungsbewegung des Zapfens. Das numerische Modell besteht aus einem Rotor- und einem Lager-Modell, die in kommerzieller Software implementiert sind. Beide Subsysteme werden durch eine von zwei Kopplungsmethoden verbunden, was die Erstellung detaillierter, einfach auszutauschender und erweiterbarer Subsysteme ermöglicht. Dynamisch-statische Solverkopplung wird für Rotoren in einfachen Schmierfilmen mit nicht masseerhaltenden Kavitations-Modell verwendet. Ein expliziter Co-Simulations-Ansatz wird für Rotoren in Schwimmbuchsenlagern oder Lagern mit masseerhaltenden Kavitations-Modell angewendet. Im ersten Fall ist nur das Rotor-Subsystem zeitabhängig. Im zweiten Fall sind beide Subsysteme zeitabhängig. Alle zeitabhängigen Subsysteme werden mit einem numerisch stabilen, impliziten BDF Solver gelöst. Der Rotor wird mittels Mehrkörperdynamik-Software modelliert. Die partielle Differentialgleichung des Lager-Subsystems wird mit Finiten Elementen diskretisiert, was eine hohe Flexibilität bezüglich der Schmierspaltgeometrie gewährt. Die Einflüsse der Schmierspaltgeometrie und verschiedener Parameter werden mit einem symmetrischen Laval-Rotor untersucht. Außerdem wird ein asymmetrischer, schwerer Turbolader betrachtet. Ein nicht masseerhaltender Penalty-Kavitations-Ansatz erzeugt einen glatten Druckverlauf. Das Hochlauf-Verhalten und die Stabilitätsgrenzdrehzahl sind beinahe identisch mit der häufig verwendeten Gümbel-Randbedingung. Der hydrodynamische Druck in Taschen und Nuten ist bedingt durch die große Spalthöhe vernachlässigbar. Der hydrostatische Druck muss jedoch berücksichtigt werden und kann das System abhängig von der Schmierstoffzufuhrgeometrie stabilisieren oder destabilisieren. Die Unterschiede zwischen nicht masseerhaltendem und masseerhaltendem Kavitations-Modell sind gering für rein synchrone Schwingungen des Zapfens, wie sie beispielsweise bei langsam veränderlicher Drehzahl unterhalb der Stabilitätsgrenzdrehzahl mit geringer Unwucht auftreten. Das 2-Phasen-Modell berechnet eine geringere Stabilitätsgrenzdrehzahl als nicht masseerhaltende Kavitation-Modelle. Zudem ist die Stabilitätsgrenzdrehzahl niedriger für axial offene Lager als für Lager in einem Ölbad. Nicht masseerhaltende Kavitations-Modelle gehen implizit von einem stets vollgefüllten Schmierspalt aus. Dadurch erfolgt der Druckaufbau bei Lastwechsel unmittelbar, beispielsweise bei radialer, oszillierender Verdrängungsbewegung. Bei einem masseerhaltenden Kavitations-Modell wird der Druckaufbau durch vorhandene Luft im Schmierfilm verzögert, was die Dämpfungswirkung des Lagers herabsetzt. Außerdem ist die Größe des Druckberges bei Whirl-Bewegung des Zapfens durch die vorhandene Luft kleiner. Dies kann zu höheren Exzentrizitäten während subsynchroner Schwingungen führen. Ein 2-Phasen-Modell kann zudem ein anderes Bifurkationsverhalten des Systems herbeiführen, besonders bei unzureichender Schmierstoffzufuhr.German
Place of Publication: Darmstadt
Publisher: Studienbereich Mechanik
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Applied Dynamics (AD)
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Applied Dynamics (AD) > Mehrkörperdynamik
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Applied Dynamics (AD) > Modellierung von Öl- und Luftlagern für hochdrehende Rotoren
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Applied Dynamics (AD) > Nichtlineare Rotordynamik
Date Deposited: 21 Nov 2018 10:46
Last Modified: 21 Nov 2018 10:46
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-81865
Referees: Schweizer, Prof. Bernhard and Schäfer, Prof. Michael
Refereed: 10 October 2018
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8186
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