Friction welding technique was studied to weld the turbine wheel and shaft of a turbocharger. The welding parameters were selected to investigate the effects of variables on welding quality of Inconel 713C and SCM 440. Experimental results showed that the turbine wheel and shaft could be successfully welded by friction welding. The heat affected zone was identified to be 2 mm from the weld seam. After welding, the hardness profile was found to have sudden increase and decrease for inconel 713C and SCM 440 respectively. Tensile strength of welded specimens was higher than the required strength for all of the studied welding parameters. The central portion of fracture surfaces by bending had no defects such as crack.
This paper presents a rotordynamic analysis and the operation of a power turbine applied to a 250 kW super-critical $CO_2$ cycle. The power turbine consists of a turbine wheel and a shaft supported by two fluid film bearings. We use a tilting pad bearing for the power turbine owing to the high speed operation, and employ copper backing pads to improve the thermal management of the bearing. We conduct a rotordynamic analysis based on the design parameters of the power turbine. The dynamic coefficients of the tilting pad bearings were calculated based on the iso-thermal lubrication theory and turbine wheel was modeled as equivalent inertia. The predicted Cambell diagram showed that there are two critical speeds, namely the conical and bending critical speeds under the rated speed. However, the unbalance response prediction showed that vibration levels are controlled within 10 mm for all speed ranges owing to the high damping ratio of the modes. Additionally, the predicted logarithmic decrement indicates that there is no unstable mode. The power turbine uses compressed air at a temperature of $250^{\circ}C$ in its operation, and we monitor the shaft vibration and temperature of the lubricant during the test. In the steady state, we record a temperature rise of $40^{\circ}C$ between the inlet and outlet lubricant and the measured shaft vibration shows good agreement with the prediction.
This paper deals with the detail rotordynamic analysis for the assembly rotor composed of turbine wheel, turbine shaft, connecting arbor, and flange & spindle in order to perform the spin test of turbocharger turbine. Prior to rotordynamic analysis, the 1st spin test was performed but the test was failed by excess vibration in the neighborhood rated speed. It is the reason for this fail that the separation margin between the rated speed and critical speed is not enough, confirmed by rotordynamic analysis results. Since then, the dimension of turbine shaft was modified and the critical speeds were again reviewed for modified assmebly rotor. In results, the separation margin between the rated speed and critical speed is over 20% and then the 2nd spin test was performed successfully. In preparing spin test for turbine, compressor wheels and etc., the geometry design of connecting arbor and dimension of rough machining should be reviewed by considering rotordynamic results, and the separation margin should be enough for successful spin test.
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 ㎛.
In this study, we present rotor dynamic analysis and operation test of a turbo expander for a hydrogen liquefaction plant. The turbo expander consists of a turbine and compressor wheel connected to a shaft supported by two hydrostatic radial and thrust bearings. In rotor dynamic analysis, the shaft is modeled as a rigid body, and the equations of motion for the shaft are solved using the unsteady Reynolds equation. Additionally, the operating test of the turbo expander has been performed in the test rig. Pressurized helium is supplied to the bearings at 8.5 bar. Furthermore, we monitor the shaft vibration and flow rate of the helium supplied to the bearings. The rotor dynamic analysis result shows that there are two critical speeds related with the rigid body mode under 40,000 rpm. At the first critical speed of 36,000 rpm, the vibration at the compressor side is maximum, whereas that of the turbine is maximum at the second critical speed of 40,000 rpm. The predicted maximum shaft vibration is 3 ㎛, whereas sub-synchronous vibration is not presented. The operation test results show that there are two critical speeds under the rated speed, and the measured vibration value agrees well with predicted value. The measured flow rate of the helium supplied to the bearing is 2.0 g/s, which also agrees well with the predicted data.
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.
Due to the superior corrosion resistance and mechanical properties of TiAl alloy at high temperature, it has been utilized as a turbine wheel of a turbocharger. The dissimilar metallic bonding is usually applied to combine the TiAl turbine wheel with the SCM440 structural steel which is used as a driving shaft. In this study, the TiAl and SCM440 joint were fabricated by using a friction welding technique. During bonding process, to suppress the martensitic transformation and the formation of cracks, which might reduce a strength of the joints, Cu was used as an insert metal to relieve stress. As a result, the intermetallic compounds (IMCs) layer was observed at TiAl/Cu interface while no IMC formation was formed at SCM440/Cu interface. Since understanding of the IMCs effects on the mechanical performance of welded joint is also essential for ensuring the reliability and integrity of the turbocharger system, we estimated the nanohardness of welded joint region through nanoindentation. The relation between the microstructural feature and its mechanical property is discussed in detail.
Friction welding was used to weld the turbine wheel and shaft and have a good welding quality. Friction welding was conducted an the two dissimilar material, Nimonic 80A and SNCrW. The control of friction welding process parameter such as flywheel energy, interface temperature, amount of upset have an effect on the mechanical properties of the welded joint. FE simulation can be a useful tool to optimize the weld geometry and process parameters. Flash shape and thickness weld is consistent with the simulated results. Process analysis was performed by the commercial code DEFORM 2D. Mechanical property of weld joints was evaluated by microstructure, chemical component, tensile, impact, hardness test so on.
본 연구에서는 분리 축 방식의 가스터빈엔진을 축소형 무인 비행선의 발전용 추진시스템으로 활용하기 위해서 분리 축 가스터빈엔진을 발전용으로 개조하였다. 엔진시험을 통해 출력축으로부터 부하를 전달할 때, 요구되는 구동로터의 조건을 분석하였다. 분석한 결과 적절한 댐핑(damping)역할을 하는 장치가 필요함을 알 수 있다. 따라서 댐퍼 역할을 하는 flywheel의 관성모멘트의 변화를 고려하여 정량화하는 방법을 선택하였다. 적합한 flywheel의 관성모멘트를 장착 할 수 없는 경우에는 엔진으로부터 요구되는 출력을 얻을 수 없으며, 또한 엔진 시험중 불안정성이 초래함을 확인할 수 있었다. 엔진시험에 의한 데이터 분석으로부터 동역학적인 천이효과에 의한 성능을 통해 관성모멘트의 요구범위를 확인 할 수 있었다. 재설계한 Flywheel을 장착하여 시험한 결과 정상적인 엔진작동으로부터 추진 시스템에 요구되는 출력을 얻을 수 있었다. 엔진 시스템의 천이작동모드에서는 Fuel flow schedule 대한 엔진 응답이 제어 시스템에 제공되기 때문에, 제어시스템 설계와 천이작동모드는 충분히 고려해야 할 것이다.
The vibration of steam turbine is caused by Mass unbalance, Shaft misalignment, Oil whip and rubbing etc. But in turbine which is normally operated and maintained, the Mass unbalance component possesses the greatest portion. Our power plant has two steam turbines in capacity of 200 MW and 135 MW respectively and each turbine is supported by 6 journal bearings. However, we had many difficulties because the vibration amplitude of #3 and #4 Bearings was high during the start-up and operation mode change of steam turbine. But, with this study, we completely solved the vibration problem caused by the mass unbalance of #1 steam turbine. Until a recent date, #3 and #4 bearings which support high pressure turbine for #1 steam turbine had shown about $135{\mu}m$ in vibration amplitude (sometimes it increased to $221{\mu}m$ maximum. alarm: 6 mils, trip: 9 mils) at base load. After applying the study, they decreased to about $45{\mu}m$ maximum. It is a result from that we did not change the setting value of bearing alignment and only changed the assembly position of internal parts in Synchro clutch coupling rachet wheel which links between high pressure turbine and low pressure turbine, and increased the internal gap and machining of the Pawl cage surface. In the operation of steam turbine, if the vibration value increases by 1X, we should reduce the vibration of bearing by weight balancing. However, unless the vibration of bearing is declined by the balancing, we will have to disassemble and check the component and find the cause. In this study, we researched the way to lower mass unbalance that is 1X vibration component which has the greatest portion of vibration generated by steam turbine and we got good result by applying the findings of this study.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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