The paper presents the rotordynamic performance measurements and model predictions of a fuel cell electric vehicle (FCEV) air compressor supported on gas foil bearings (GFBs). The rotor has an impeller on one end and a thrust runner on the other end. The front (impeller side) and rear (thrust side) gas foil journal bearings (GFJBs) are located between the impeller and thrust runner to support the radial loads, and a pair of gas foil thrust bearings are located on both sides of the thrust runner to support the axial loads. The test GFJBs have a partial arc shim foil installed between the top foil and bump strip layers to enhance hydrodynamic pressure generation. During the rotordynamic performance tests, two sets of orthogonally installed eddy-current displacement sensors measure the rotor radial motions at the rotor impeller and thrust ends. A series of speed-up and coast-down tests to 100k rpm demonstrates the dominant synchronous (1X) rotor responses to imbalance masses without noticeable subsynchronous motions, which indicates a rotordynamically stable rotor-GFB system. Finite element analysis of the rotor determines the rotor free-free (bending) natural modes and frequencies well beyond the maximum rotating frequency. The predicted damped natural frequencies and damping ratios of the rotor-GFB system reveal rotordynamic stability over the speeds of interest. The imbalance response predictions show that the predicted critical speeds and rotor amplitudes strongly agree with the test measurements, thus validating the developed rotordynamic model.
Song, Ae Hee;Song, Jin Dae;Lim, Woo Seop;Yang, Bo Suk
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2012.10a
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pp.592-596
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2012
This paper presents numerical analysis result of rotor-bearing system of a multi-stage high pressure pump. Especially resonance possibility, stability and damping factor are estimated for a selected commercial multi-stage high pressure pump. The result shows that it is not easy to avoid resonance of rotor-bearing system against main excitation forces which are residual unbalance force and pressure pulsation. This makes damping effect be more important.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.17
no.10
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pp.967-975
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2007
A rotordynamic analysis was performed with a dry vacuum pump, which is a major equipment in modern semiconductor and LCD manufacturing processes. The system is composed of screw rotors, lobes picking air, helical gears, driving motor, and support rolling element bearings of rotors and motor. The driving motor-screw rotor system has a rated speed of 6,300 rpm, and was modeled utilizing a rotordynamic FE method for analysis, which was verified through 3-D FE analysis and experimental modal analysis. As loadings on the bearings due to the gear action were significant in the system considered, each resultant bearing load was calculated by considering the generalized forces of the gear action as well as the rotor itself. Each resultant bearing loading was used in calculating each stiffness of rolling element bearings. Design goals are to achieve wide separation margins of lateral and torsional critical speeds, and favorable unbalance responses of the rotor in the operating range. Then, a complex rotordynamic analysis of the system was carried out to evaluate its forward synchronous critical speeds, whirl natural frequencies and mode shapes, unbalance responses under various unbalance locations, and torsional interference diagram. Results show that the entire system is well designed in the operating range. In addition, the procedure of rotordynamic analysis for dry vacuum pump rotor-bearing system was proposed and established.
This paper deals with the study on the rotordynamic and experimental analysis of turbine-generator system connected with a magnetic coupling. Although magnetic coupling has been used to torque transmission of chemical processing pump rotating at under 3,600rpm, magnetic coupling in this study is applied to high-speed turbine-generator system using a working fluid that is refrigerant such as ammonia or R-124a. Results of rotordynamic design analysis are as follows. The first, shaft diameter nearest to outer hub of magnetic coupling has a big effect on the $1^{st}$ critical speed of generator rotor. The second, if the $1^{st}$ critical speeds of turbine rotor and generator rotor have enough to separation margin in comparison to rated speed, the $1^{st}$ critical speed of turbine-magnetic coupling-generator rotor train has enough to separation margin regardless of connection stiffness of magnetic coupling. The analytical FE model is guaranteed by impact test on the prototype and condition monitoring such as measurements of vibration and bearing temperature is also performed.
In a transmission or geared rotor system a coupled phenomenon of lateral and torsional vibrations may occur due to the gear meshing effect. Particularly, in high speed or low vibration and low noise applications of geared rotor systems a coupled rotordynamic analysis is required to precisely predict their dynamic characteristics. In this paper a generalized finite element model of a gear pair element is developed, which actively couples the lateral and torsional vibrations due to the gear meshing effect. In the modeling the generalized forces due to the transmission error. geometrical eccentricities. and unbalances in the gear system are also considered. Then. using the developed gear pair element model a coupled unforced rotordynamic analysis is performed with a prototype 800 RT turbo-chiller rotor-bearing system having a hull-pinion speed increasing gear. Results show that the torsional vibration characteristics experience some changes due to the gear meshing and lateral dynamic coupling effect, but that they have no adverse effect and the lateral ones have no practical changes in an operating speed range.
Part I of this study analyzed the effects of tilting pad bearing designs to reduce the stiffness of the bearings used in a process high-speed lightweight centrifugal compressor intended for a domestic refinery use. This was done in an attempt to enhance the robustness of its rotordynamic stability against possible aerodynamic cross-coupled stiffness. The bearing design variables reviewed were the clearances, LBPs, LOPs, and preloads. The results showed that there was practically no difference between the LBP and LOP designs in terms of the bearing stiffness, because the compressor rotor was lightweight and the bearings had relatively high preloads. Increasing both the machined and assembled clearances in bearing designs has resulted in the bearing stiffness being greatly reduced. In addition, it has been confirmed that an additional reduction in the bearing stiffness can be obtained for given fixed machined clearances by decreasing the preloads, i.e., by increasing the assembled clearances.
In this study rotordynamic characteristics of an air turbo-compressor (ATC) used in oxygen plant are analyzed and its operating-speed balancing is performed to solve the vibration trouble caused by rotor unbalance. Three dimensional model of the ATC rotor is completed and then analytical FE (finite element) model, which is verified by experimental modal testing, is developed. A rotordynamic analysis includes the critical map, Campbell diagram, and unbalance response, especially considering the pedestal housings supporting tilting pad bearings. A test run of operating-speed, using tilting-pad bearing of actual use, showed that the vibration level increased very sharply as approaching the rated speed. The operating-speed balancing specified by API 684 was carried out by using influence coefficient method. The results showed that the vibrations at the bearing pedestal housings represented good levels of 0.1 mm/s. From the test run and operating-speed balancing, the analytical results, that is, critical speeds are in good agreement with the test results and unbalance responses introducing the correction masses are similar to the as-is test responses in its aspect.
A 500Wh class high-speed Flywheel Energy Storage System (FESS) driven by a built-in BLDC motor/generator has been designed, which runs from 30000 to 60000rpm nominally. Due to the motor/generator inside, the flywheel rotor made of composites supported by PM/EM hybrid bearing system has a shape of bell or pendulum and thus requires accurate rotordynamic analysis and prediction of its dynamic behavior to secure the operating reliability. Rotordynamic analyses of the flywheel rotor-bearing system revealed that the bell shaped rotor has two conical rigid-body modes in the system operating range and the first conical mode, of which nodal point lies in the radial EM bearing position, can adversely affect the dynamic response of the rotor at the corresponding critical speed. To eliminate the possibility of wild behavior of the rotor, two guide bearings are adopted at the upper end of the rotor and motor/generator. It was also revealed that the EM bearing stiffness if 0.5~1.0E+6 N/m and damping of 2000 Ns/m are favirable for smooth operation of the system around the 2nd critical speed.
This paper deals with the development of analytical model of a turbocharger and its detail rotordynamic analysis. Two analytical models, which are verified by experimental modal testing, are proposed and the analytical model including rotor shaft extended to compressor and turbine wheel end side is chosen. A rotordynamic analysis includes the critical map, Campbell diagram, stability, and unbalance response, especially nonlinear transient response considering nonlinear fluid film force at bearings. Although the linearized analysis accurately predicts the critical speeds, stability limit, and stability threshold speed, the predicted vibration results are not valid for speeds above the stability threshold speed since the rotor vibrates with a subsynchronous component much larger than the one synchronous with rotor speed. Hence, for operating speed above the stability threshold, a nonlinear transient analysis considering nonlinear fluid film force must be performed in order to accurately predict vibration responses of rotor and guarantee results of analysis.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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