Projeto e avaliação do comportamento dinâmico de um conjunto de mancais hidrodinâmicos aplicados a um rotor Jeffcott

Abstract

Os estudos relacionados a máquinas rotativas são muito importantes no apoio e manutenção da operação de máquinas de grande porte, tais como turbo compressores ou turbinas. Modelos analíticos e numéricos têm sido aplicados por anos, entretanto, eles nem sempre apresentam as condições reais dessas máquinas. Por isso, o uso de procedimentos experimentais para a avaliação e validação de resultados de máquinas rotativas é importante para a etapa de projeto mecânico. O uso de modelos em escala, por exemplo, turbinas hidráulicas ou turbinas a vapor, tem sido comum nesta área. Um rotor é dividido em várias partes, sendo uma delas os elementos de suporte, mais especificamente os mancais. Os mancais podem ser divididos em vários tipos, os mais utilizados são os do tipo rolamento e tipo hidrodinâmico. Devido este último ser o mais encontrado em máquinas pesadas, seu estudo é muito importante. Este trabalho objetiva apresentar o projeto de um protótipo de um mancal hidrodinâmico e sua avaliação experimental. O mancal desenvolvido consiste de uma bucha de bronze montada sobre uma casa de mancal de alumínio e sistemas de vedação para o óleo lubrificante. As geometrias das buchas e as propriedades dos fluidos foram analisadas pela medição do comportamento dinâmico de um rotor apoiados por esses mancais. Esta avaliação foi baseada na medição de uma bancada do tipo Jeffcott apoiada em um par de mancais hidrodinâmicos em condições diversas, incluindo combinações entre mancais do tipo rolamento e hidrodinâmico, variação da geometria interna da bucha de bronze e uso de mancal de material compósito com lubrificação de contorno. Podendo concluir que mancais com buchas de geometria fixa e cilíndrica mostram um comportamento anisotrópico, causado pela diferença de rigidez entre os planos horizontal e vertical. Ao variar para mancais de geometria assimétrica (Elíptico e Offset-halves), buchas de material compósito e modificação do tipo de lubrificação este fenômeno de anisotropia é reduzido, levando a condição de apoio para mais próxima de isotrópica. A combinação entre diferentes mancais (rolamento e hidrodinâmico) levou à observação da análise de mancais montados próximo a região do acoplamento de torque e também a importância do sentido da rotação do rotor para a formação do filme de óleo e evitar o seu sobreaquecimento.

Studies related to rotary machines are very important to support and keep the operation of large machines such as turbochargers or turbines. Analytical and numerical models have been applied for years, however, they do not always present the real condition of these machines. Therefore, the use of experimental procedures for the evaluation and validation of rotating machine results is important for mechanical design step. The use of scale models, for example, hydraulic turbines or steam turbines, has been very common in this area. A rotor is divided into several parts, one of which is the support elements, more specifically the bearings. The bearings can be divided into several types, the most common are the ball/roller bearing and the hydrodynamic bearing. Due to the latter be the most applied in heavy machinery, his study is very important. This work aims to show the design of a prototype of a hydrodynamic bearing and its experimental evaluation. The developed bearing consists of a bronze bushing mounted on an aluminum bearing housing and sealing systems for lubricating oil. The bushing geometries and the properties of the fluids are analyzed by measuring the dynamic behavior of a rotor supported by these bearings. This evaluation was based on the measurement of a Jeffcott rotor test bench supported by hydrodynamic bearings under a variety of conditions, including combinations of rolling and hydrodynamic type bearings,variation of the internal geometry of the bronze bushing and use of composite material bearing for the bush with contour lubrication. It may be concluded that bearings with fixed and cylindrical geometry bearings show an anisotropic behavior caused by the difference in rigidity between the horizontal and vertical planes. When the bush is changed for asymmetric geometries (Elliptical and Offset-halves), composite material bushings and modification of the lubrication type, the anisotropy phenomenon is reduced, leading to a supportive condition closer to isotropic. The combination of different bearings (ball/roller bearing and hydrodynamic bearing) led to the observation the analysis of mounted bearings near a torque coupling region and also the importance of the direction of rotation for oil film formation and to avoid his overheating.