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.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2012.05a
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pp.11-15
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2012
A rotordynamic analysis is performed for a 7 ton class turbopump applied to the third stage LRE(Liquid Rocket Engine) of the KSLV(Korea Space Launch Vehicle). Based on the heritage of the developed experimental 30 ton class turbopump and developing 75 ton class turbopump for the KSLV first and second stage LRE, the 7 ton class turbopump is designed as an one-axis rotor turbopump. Two rotor systems comprised of one oxidizer pump assembly and the other fuel pump-turbine assembly are connected each other using a spline shaft and operating at a design speed. Through the rotordynamic analysis, it is investigated that the turbopump acquires sufficient separate margin of critical speed as a sub-critical rotor.
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.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2011.04a
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pp.443-444
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2011
This paper discusses a model order reduction for large order rotor dynamics systems results from the finite element discretization. Typical rotor systems consist of a rotor, built-on parts, and a support system, and require prudent consideration in their dynamic analysis models because they include unsymmetric stiffness, localized nonproportional damping and frequency dependent gyroscopic effects. When the finite element model has a very large number of degrees of freedom because of complex geometry, repeated dynamic analyses to investigate the critical speeds, stability, and unbalanced response are computationally very expensive to finish within a practical design cycle. In this paper, the Krylov-based model order reduction via moment matching significantly speeds up the dynamic analyses necessary to check eigenvalues and critical speeds of a Nelson-Vaugh rotor system. With this approach the dynamic simulation is efficiently repeated via a reduced system by changing a running rotational speed because it can be preserved as a parameter in the process of model reduction. The Campbell diagram by the reduced system shows very good agreement with that of the original system. A 3-D finite element model of the Nelson-Vaugh rotor system is taken as a numerical example to demonstrate the advantages of this model reduction for rotor dynamic simulation.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.18
no.8
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pp.879-885
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2008
A rotordynamic analysis was performed with a decant-type centrifuge, which is a kind of industrial centrifuge. The system is composed of screw rotor, bowl rotor, driving motors, gear box, and support rolling element bearings. These rotors have a rated speed of 4300 rpm, and were modeled utilizing a rotordynamic FE method for analysis, which was verified through 3-D FE analysis. Design goals are to achieve wide separation margins of lateral critical speeds, and favorable unbalance responses of the rotor in the operating range. Then, a complex analysis rotordynamic analysis of the system was carried out to evaluate its forward synchronous critical speeds and mode shapes, whirl natural frequencies, and unbalance responses under various balance grade. As a result of analysis, the rotordynamic analysis performed by separating a screw rotor and bowl rotor may cause an error in predicting critical speed of entire system. Therefore, the rotordynamic analysis of a coupled rotor combining a screw and bowl rotor must be performed in order to more accurately estimate dynamic characteristics of the decanter-type centrifuge as presented in this paper. Also, rolling element bearings with suitable stiffness should be selected to keep enough separation margin. In addition, in establishing balance grade of a screw and bowl rotor, ISO G2.5 balance grade is more recommended than ISO G6.3, in particular balancing correction of a screw rotor based on ISO G2.5 grade is strongly recommended.
This paper presents the investigation of two types of rotordynamic modeling issues for 2.2 kW-class, rated speed of 1,800 rpm, squirrel-cage type induction motors. These issues include the lamination structure of rotor cores, and the radial clearance of ball bearings that support the shaft of the motor. Firstly, we focus on identifying the effects of rotor core lamination on the rotordynamic analysis via a 2D prediction model. The influence of lamination is considered as the change in the elastic modulus of the rotor core, which is determined by a modification factor ranging from 0 to 1.0. The analysis results show that the unbalanced response of the rotor-bearing system significantly varies depending on the value of the modification factor. Through modal testing of the system, the modification factor of 0.079 is proven to be appropriate to consider the effects of lamination. Next, we investigate the influence of ball bearing clearance on the rotordynamic analysis by establishing a bearing analysis model based on Hertz's contact theory. The analysis results indicate that negative clearance greatly changes the bearing static behavior. Rotordynamic analysis using predicted bearing stiffness with various clearances from -0.005 mm to 0.010 mm reveals that variations in clearance result in a slight difference in the displacement of the system up to 18.18. Thus, considering lamination in rotordynamic analysis is necessary as it can cause serious analysis errors in unbalanced response. However, considering the effect of the bearing clearance is optional because of its relatively weak impact.
This work proposes a theoretical and numerical study on the behavior of a tapered shaft rotor made of composite materials by the classical version h and the version p of the finite element method. Hierarchical form functions are used to define the model. The purpose of this paper is to determine the expressions of the kinetic and potential energies of the tree necessary for the results of the equations of motion. A comparison between the version h and the p version of the finite element method of the functions of polynomial and trigonometric hierarchical forms with six degrees of freedom per node, of a composite tapered and cylindrical shaft which rotates at a constant speed about its axis. It is found that when the number of functions of form (the version p) is increased, the solution converges. It is also observed that the conicity of the shaft increases the rigidity with respect to a uniform shaft having the same mechanical properties. The numerical simulation allowed us to determine the natural frequencies and the critical speeds of the composite shaft systems are compared with those available in the literature and the effectiveness of the methods used are discussed.
An eigenvalue design sensitivity formulation of a general nonsymmetric-matrix rotor-bearing system is devised. using the DDM (direct differential method). Then, investigations on the design sensitivities of critical speeds are carried out for an APU turbogenerator with a spline shaft connection. Results show that the dependence of the rate of change of the critical speed on the stiffness changes of bearing models of spline shaft connection points is negligible, and thereby their modeling uncertainty does not present any problem. And the passing critical speeds up to the 4th critical speed are not sensitive to the design stiffness coefficients of four main bearings. Further, the dependence of the rate of change of the critical speed on the shaft-element length changes shows quantitatively that the spline shaft has some limited influence on the 4th critical speed but no influence on the 1st to 3rd critical speeds. With no adverse effect from the spline shaft, the APU system achieves a critical speed separation margin of more than 40% at a rated speed of 60,000 rpm.
Modern high-performance automotive turbochargers (TCs) implement ceramic hybrid angular contact ball bearings in series with squeeze film dampers (SFDs) to enhance transient responses, thereby reducing the overall emission levels. The current study predicts the rotordynamic responses of the commercial automotive TCs (compressor wheel diameter = ~53 mm, turbine wheel diameter = ~43 mm, and shaft diameter at the bearing locations = ~7 mm) supported on ball bearings and SFDs for various design parameters of SFDs, including radial clearance, axial length, lubricant viscosity, and rotor imbalance conditions (i.e., amplitudes and phase angles) while increasing rotor speed up to 150 krpm. This study validates the predictive rotor finite element model against measurements of mass, polar and transverse moments of inertia, and free-free mode natural frequencies and mode shapes. A nonlinear rotordynamic model integrates nonlinear force coefficients of SFDs to calculate the transient responses of the TC rotor-bearing system. The predicted results show that SFD radial clearances, as well as phase angles of rotor imbalances, have the paramount effect on the dynamic responses of TC shaft motions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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