In this paper, the thermal effects on the performance of floating ring journal bearing are investigated theoretically. The numerical analyses include pressure drop at inner film due to a centrifugal force, fluid momentum effects of supply oil into inner film and thermal effects in lubricating films. All performance data are presented as the rotating speed of journal from 10,000 rpm to 70,000 rpm.
The small turbocharger for the automotive application is designed to operate up to 200,000 rpm to increase system efficiency. Because of high rotation speed of turbocharger, floating ring bearing are widely adopted due to its low friction loss and high rotordynamic stability. This paper presents a linear and nonlinear analysis model for a turbocharger rotor supported by a semi-floating ring bearing. The rotordynamic model for the turbocharger rotor was constructed based on the finite element method and fluid film forces were calculated based on the infinitely short bearing assumption. In linear analysis, we considered fluid film force as stiffness and damping element and in nonlinear analysis, the fluid film force was calculated by solving the time dependent Reynolds equation. We verified the developed theoretical model by comparing to modal test results of test rotors. The analysis results show that there are two unstable modes, which are conical and cylindrical modes. These unstable modes appear as sub-synchronous vibrations in nonlinear analysis. In nonlinear analysis, frequency jump phenomenon demonstrated when vibration mode is changed from conical mode to cylindrical one. This jump phenomenon was also demonstrated in the test. However, the natural frequency measured in the test differs from those obtained using nonlinear analysis.
To study the lubrication performance of tilting-pad thrust bearing (TPTBs) during start-up in nuclear pump, a hydrodynamic lubrication model of TPTBs was established based on the computational fluid dynamics (CFD) method and the fluid-structure interaction (FSI) technique. Further, a mesh motion algorithm for the transient calculation of thrust bearings was developed based on the user defined function (UDF). The result demonstrated that minimum film thickness increases first and then decreases with the rotational speed under start-up condition. The influence of pad tilt on minimum film thickness is greater than that of collar movement at low speed, and the establishment of dynamic pressure mainly depends on pad tilt and minimum film thickness increases. As the increase of rotational speed, the influence of pad tilt was abated, where the influence of the moving of the collar dominated gradually, and minimum film thickness decreases. For TPTBs, the circumferential angle of the pad is always greater than the radial angle. When the rotational speed is constant, the change rate of radial angle is greater than that of circumferential angle with the increase of loading forces. This study can provide reference for improving bearing wear resistance.
The tilting pad journal bearings have been widely used to support high pressure/high rotating turbine rotors owing to their inherent dynamic stability characteristics. However, fatigue damages in the upper unloaded pads and the break of locking pins etc. by pad fluttering are continuously taken place in the actual steam turbines. The purpose of this paper is to develop a new bearing model that can prevent bearing problems effectively by pad fluttering in a tilting pad journal bearing. A new bearing model which has a wedged groove is suggested from the studies of fluttering mechanism performed by previously research works. The fluttering characteristics of the upper unloaded pad are studied experimentally in order to verify the reliability of a new bearing model. It can be known that the phenomenon of pad fluttering nearly does not occurred in the new bearing model under the various experimental conditions. And it is observed that any kinds of bearing failures by pad fluttering does not detect in the application of acture steam turbines.
Results of theoretical investigations on acoustical properties of hydrodynamic journal bearings are presented. Nonlinear analysis including rotor imbalance is performed for a rotor-bearing system in order to obtain acoustical properties of hydrodynamic journal bearings. Furthermore, a cavitation algorithm, implementing the Jakobsson-Floberg-Olsson boundary condition, is adopted to predict cavitation regions in a fluid film. Acoustical properties of hydrodynamic journal bearings are identified through frequency analysis of oil pressure fluctuation calculated from the nonlinear transient analysis. The results show that the acoustical frequency spectra of the fluid film are pure tone spectra, containing the frequency of the shaft rotation and its super-harmonics. The analysis also shows that super-harmonics are predominant at the neighborhood of the fluid film reformation and rupture regions.
The nonlinear vibration characteristics of hydrodynamic journal bearings with a circumferential groove we analyzed numerically when the external sinusoidal disturbances are given to the rotor-bearing system continuously. Furthermore, a cavitation algorithm, implementing the Jakobsson-Floberg-Olsson boundary condition, is adopted to predict cavitation regions in a fluid film more accurately than the conventional analysis. which uses the Reynolds boundary condition. It is found that the difference between linear and nonlinear analysis is much more remarkable as the amplitude of external disturbance increases, and it depends upon the excitation frequency of the external disturbance. It is also shown that the cavity region in the fluid film increases as the amplitude or excitation frequency of the external disturbance increases. The whirling center of the steady state orbit moves closer to the bearing center as the amplitude or excitation frequency of the external disturbance increases.
The study reported in this paper deals with the development for parametric investigation of the influence of the rheological properties of the lubricant in the thermohydrodynamic (THD) film conditions which occur in slider and journal bearings. A parametric investigation based on a Bingham model with a shear yield stress which best fit the experimental pressure is performed for predicting the thickness of the shear Bone in lubricating films with fixed geometry between the stationary and moving surfaces. The results suggest that the shear yield stress for the lubricating film is proportional to the pressure developed in the film within the range of the investigated cases and the shear zone thickness which is of the same order of magnitude as that obtained by the empirical formula is significantly smaller than the fluid film thickness in the lubrication zone.
This paper presents the effects of circumferential groove on the minimum oil film thickness in engine bearings. The fluid film pressures are calculated by using the infinitely short bearing theory for the convenience of analysis. Journal locus analysis is performed by using the mobility method. A comparison of minimum oil film thickness of grooved and ungrooved bearing is presented. It is found that circumferential $360^{\circ}$ groove only reduces the absolute magnitude of the oil film thickness, but $180^{\circ}$ half groove affects the shape of film thickness curve and position of minimum oil film thickness.
In sliding bearings, viscous friction due to high shear acting on the bearing surface raises the oil temperature. One of the mechanisms responsible for generating the load-carrying capacity in parallel surfaces is known as the viscosity wedge effect. In this paper, we investigate the effect of film-temperature boundary conditions on the thermohydrodynamic (THD) lubrication of parallel slider bearings. For this purpose, the continuity equation, Navier-Stokes equation, and the energy equation with temperature-viscosity-density relations are numerically analyzed using the commercial computational fluid dynamics (CFD) code FLUENT. Two different film-temperature boundary conditions are adopted to investigate the pressure generation mechanism. The temperature and viscosity distributions in the film thickness and flow directions were obtained, and the factors related to the pressure generation in the equation of motion were examined in detail. It was confirmed that the temperature gradients in the film and flow directions contribute heavily to the thermal wedge effect, due to which parallel slider bearing can not only support a considerable load but also reduce the frictional force, and its effect is significantly changed with the film-temperature boundary conditions. The present results can be used as basic data for THD analysis of surface-textured sliding bearings; however, further studies on various film-temperature boundary conditions are required.
In this study, we perform a numerical analysis to predict the film thickness and lubrication regions for a thrust ball bearing under different operating conditions. Film thinning and replenishment affect the film thickness in starved lubrication. As the inlet meniscus position is brought to the edge of the Hertz contact, the thin film thickness is calculated as starved equation. We use a film replenishment model to determine the recovery film thickness between rolling elements. We use a hydrodynamic model to describe film recovery, that results from the effects of surface tension. In this model, we consider the surface tension gradient in fluid depression as the driving force for fluid recovery. We use Fourier transform method to determine the time-dependent depth of depressed oil. We calculate the change in the central film thickness graphically by using the recovery equation in starved elastohydrodynamic lubrication(EHL) under operating conditions that include numbers of balls, sliding velocity, applied force, and ambient film thickness. We evaluate the degree of starvation by using the distance from the center of the contact area to the meniscus position. Parched lubrication, a phenomenon where the film thickness decreases consistently, occurs at the severe condition. We determine optimal values with respect to the numbers of balls, and sliding velocity. The investigation can contribute to the design operating conditions for proper lubrication.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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