This paper deals with the dynamic characteristics of the impeller shaft model which is the most important part in developing the resin mixing machine. The can is rotating by air motor in mixing machine. Then the end of shaft is fixed. The bearing support is to increase the fundamental natural frequency. The natural frequency analysis using finite element analysis software are performed on the imported commercial impeller shaft model. This paper presents calculated bearing stiffness of Soda, Harris and modified Harris formula considering contact angle according to bearing supported position. The most important fundamental natural frequency of the impeller shaft except bearing support is around 13.932 Hz. This paper presents one bearing and two bearings support position to maximize the 1st natural frequency. The maximized fundamental natural frequency is around 48.843 Hz in one bearing support and 55.52 Hz in two bearings support.
The stability of a rotor-bearing system supported by swirl-controlled hybrid journal bearing with pair-type angled injection orifices is investigated for improvement of the whirl frequency ratio by allowing effective control of the tangential flow inside the bearing clearance, i.e., by achieving more freedom in controlling strength and direction of the supply tangential flow inside the bearing clearance. It is suggested that the system instability can be improved through the change of bearing dynamic characteristic parameters with the swirl control. The orifice diameter $d_0$ and recess injection angle $\alpha$ along with combinations of swirl/anti-swirl supply pressures and directions (3.0~3.0 MPa, 4.0~2.0 MPa, 2.0~4.0 MPa) are selected for design parameters for swirl-controlled effective factors dependent on journal speeds (3000, 9000, 15000, 21000 rpm). It has been found that the orifice diameter $d_0$ shows strong effects on effective maneuverability of direct-stiffness and direct damping values, while recess injection angle $\alpha$ results in substantial effects on the magnitude and direction of cross-stiffness. Specifically, recess injection parameters which are functions of angle of orifice feeding flow and recess dimensions showed very feasible effect on the stability control of swirl-controlled rotor-bearing system.
In this paper, we predict the rotordynamic force coefficients of tilting pad journal bearings (TPJBs) with rocker-back pivots, and we compare the predictions to recently published predictions and test data. The present TPJB model considers the rocker-back pivot stiffness calculated based on the Hertzian contact-stress theory, which is nonlinear with the application of a force . For the five-pad TPJB in load-between-pad and load-on-pad configurations, the predictions show the pressure- and film-thickness distributions, the deflection and stiffness of the individual pivots, and bearing stiffness and damping coefficients. The minimum film thickness and peak pressure occur at the bottom pad on which the applied load is directed. Because of the preload, the pres- sure is positive even at the upper pad in the opposite direction to the applied load. The pivot deflection and stiff- ness are maximum at the bottom pad that receives the heaviest pressure load. The predicted stiffness coefficients increase as the static load and rotor speed increase, while the damping coefficients decrease as the rotor speed increases, but increase as the static load increases. In general, the predicted stiffness coefficients agree well with the test data. The predicted damping coefficients overestimate the test data, particularly for large static loads. In general, the current predictive model considering the pivot stiffness improves the accuracy of the rotordynamic performance compared to previously reported models.
Recently, fluid bearing have been studied to apply to spindle motors for hard disk drive, printer and others. Since fluid bearing have excellent stiffness and good load carrying capacity, the bearing proved to be suitable for those devices related to computer industry. In this paper, the friction and wear characteristics of the bearing were studied. The bearing appears good performance at a high temperature and high wear resistance.
A method has been developed to tune the static stiffness at a rotation joint considering the whole machine tool system by interactive use of finite element method and experiment. This paper describes the procedure of this method and shows the results. The method uses the static experiment on measurement model which is set-up so that the effects of uncertain factors can be excluded. For FEM simulation, the rotation joint model is simplified using only spindle, bearing and spring. At the rotation joint, the damping coefficient is ignored, The spindle and bearing is connected by only spring. By static experiment, 500 N is forced to the front and behind portion of spindle and the deformation is measured by capacitive sensor. The deformation by FEM simulation is extracted with changing the static stiffness from the initial static stiffness considering only rotation joint. The tuning static stiffness is obtained by exploring the static stiffness directly trusting the deformation from the static experiment. Finally, the general tuning method of the static stiffness of machine tool joint is proposed using the force stream and the modal analysis of machine tool.
Microturbomachinery (< 250 kW) using gas foil bearings can function without oil lubricants, simplify rotor-bearing systems, and demonstrate excellent rotordynamic stability at high speeds. State-of-the-art technologies generally use bump foil bearings or leaf foil bearings due to the specific advantages of each of the two types. Although these two types of bearings have been studied extensively, there are very few studies on leaf-bump foil bearings, which are a combination of the two aforementioned bearings. In this work, we illustrate a simple mathematical model of the leaf-bump foil bearing with leaf foils supported on bumps, and predict its static and dynamic performances. The analysis uses the simple elastic model for bumps that was previously developed and verified using experimental data, adds a leaf foil model, and solves the Reynolds equation for isothermal, isoviscous, and ideal gas fluid flow. The model predicts that the drag torques of the leaf-bump foil bearings are not affected significantly by static load and bearing clearance. Due to the preload effect of the leaf foils, rotor spinning, even under null static load, generates significant hydrodynamic pressure with its peak near the trailing edge of each leaf foil. A parametric study reveals that, while the journal eccentricity and minimum film thickness decrease, the drag torque, direct stiffness, and direct damping increase with increasing bump stiffness. The journal attitude angle and cross-coupled stiffness remain nearly constant with increasing bump stiffness. Interestingly, they are significantly smaller compared to the corresponding values obtained for bump foil bearings, thus, implying favorable rotor stability performance.
The thermal characteristics of high-speed air spindle system with built-in motor are studied. Experiment and finite difference method analysis obtain temperature rise and temperature distribution of housing. For the analysis, air fluid film model is built and temperature rise and distribution in thermal steady state are computed for each rotational speed. Generally, it is said that the heat generation of air bearing is negligible. But the heat generation in air film by heat dissipation can not be negligible especially into high-speed region of the journal. In case that the heat generation of air spindle system is high, natural frequency of the spindle system becomes lower when the thermal state is in steady-state and it means the changes of air bearing stiffness due to the change of bearing clearance. It is shown that the temperature rise of air spindle system causes thermal expansion and induces the variation of bearing clearance. In consequence the stiffness of air bearing becomes smaller.
Flying attitudes of the slider, which are flying height, pitch and roll, are affected by the air flow velocity, the skew angle, and the manufacturing tolerances. Traditional designs of the air bearing surface have considered only the flying performances for the variations in the air flow velocity and the skew angle, which are determined by the radial position. In this study, we present the new shape design of the air bearing surface by considering the track seek performance and the air bearing stiffness as well as the traditional design requirements. The optimization technique is used to improve the dynamic characteristics and operating performance of the newly proposed air bearing surface shape design further. The optimized configuration is obtained automatically and the optimally designed sliders show the enhanced flying and dynamic characteristics.
In this paper, we present a hydrostatic bearing design and rotordynamic analysis of a pump-and-drive turbine module for a 250-kW supercritical CO2 cycle application. The pump-and-drive turbine module consists of the pump and turbine wheel, assembled to a shaft supported by two hydrostatic radial and thrust bearings. The rated speed is 21,000 rpm and the rated power is 143 kW. For the bearing operation, we use high-pressure CO2 as the lubricant, which is supplied to the bearing through the orifice restrictor. We calculate the bearing stiffness and flow rate for various orifice diameters, and then select the diameter that provides the maximum bearing stiffness. We also conduct a rotordynamic analysis based on the design parameters of the pump-and-drive turbine module. The predicted Campbell diagram shows that there is no critical speed below the rated speed, owing to the high stiffness of the bearings. Furthermore, the predicted damping ratio indicates that there is no unstable mode. We conduct the operating tests for the pump and drive turbine modules within the supercritical CO2 cycle test loop. The pressurized CO2, at a temperature of 136℃, is supplied to the turbine and we monitor the shaft vibration during the test. The test results show that there is no critical speed below the rated speed, and the shaft vibration is controlled to below 3 ㎛.
This paper presents a hydrostatic bearing design and rotordynamic analysis of a turbo expander for a hydrogen liquefaction plant. Th~e turbo expander includes the turbine and compressor wheel assembled to a shaft supported by two hydrostatic radial and thrust bearings. The rated speed is 75,000 rpm and the rated power is 6 kW. For the bearing operation, we use pressurized air at 8.5 bar as the lubricant that is supplied to the bearing through the orifice restrictor. We calculate the bearing stiffness and flow rate for various gauge pressure ratios and select the orifice diameter providing the maximum bearing stiffness. Additionally, we conduct a rotordynamic analysis based on the calculated bearing stiffness and damping considering design parameters of the turbo expander. The predicted Cambell diagram indicates that there are two critical speeds under the rated speed and there exists a sufficient separation margin for the rated speed. In addition, the predicted rotor vibration is under 1 ㎛ at the rated speed. We conduct the operating test of the turbo expander in the test rig. For the operation, we supply pressurized air to the turbine and monitor the shaft vibration during the test. The test results show that there are two critical speeds under the rated speed, and the shaft vibration is controlled under 2.5 ㎛.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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