Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1843/44370
Type: Tese
Title: Experimental thermodynamic and rotordynamic analyses of automotive turbochargers using fluid film bearings with different groove shapes
Authors: Luiz Henrique Jorge Machado
First Advisor: Marco Túlio Correa de Faria
First Co-advisor: Fabrício José Pacheco Pujatti
First Referee: Eduardo Bauzer Medeiros
Second Referee: Ramon Molina Valle
Third Referee: Domingos Alves Rade
metadata.dc.contributor.referee4: Michel Fillon
Abstract: This work presents an experimental study of the influence of the axial groove shape of semi-floating ring bearings on the dynamic and thermodynamic behavior of small turbochargers used in the automotive and aeronautical industries. A hot flow test bench using LPG gas for turbocharger tests at different speed and mass flow conditions is used for the development of this study. Seven different turbochargers with semi-floating ring bearings with different axial groove shapes are selected for the evaluation of dynamic and thermodynamic response under different operating conditions, including pre-surge and surge. Each semi-floating ring bearing has in its internal part two end areas to bear the rotor and one middle area for the free flow of the lubricant. The bearings are manufactured by conventional machining processes directly by the turbocharger manufacturer. The electrical discharge machining (EDM) process is used for the exclusive manufacture of grooves, which are: triangular, half-ellipse, quarter-ellipse, quarter-ellipse inverted, rectangular, trapezoidal and circle (or half-moon). The comparative analysis of the thermodynamic behavior is carried out through performance and efficiency tests of compressors and turbine-rotor assemblies at constant speed and mass flow. Temperature, pressure and air and gas mass flow transducers are installed at various points upstream and downstream of the compressor and turbine in the test bench. For the study of rotor dynamics, frequency spectra and diagrams of the journal precession orbits are obtained from the measurement of vibrations at different stationary speeds and constant operating airflows. Waterfall plots are performed on acceleration and deceleration of turbochargers. Accelerometers and displacement transducers (proximity probes) are used to pick up the vibration signals on turbochargers under different turbocharger operating conditions. Synchronous and subsynchronous responses are also obtained and analyzed for each turbocharger for the range of rotational speeds from approximately 0 to 145,000 rpm. Acoustic emission signals are captured under steady-state speed and flows. Several treatments are performed on these data, with different electronic filters and statistical analysis. Correlations are made of the acoustic emission data with the change only in the operating speed, only in the mass flow of air from the compressor, with the pre-surge and surge condition. A preliminary evaluation of the dimensions of the grooves of the analyzed bearings is carried out by means of dimensional metrological analysis before the tests to certify that the amount of lubricant and the effective area of rotor-bearing contact are within the determined in the design. The experimental results obtained allow the creation of important thermodynamic performance maps and dynamic response curves of the seven turbochargers analyzed, providing relevant subsidies for the selection of the most appropriate axial groove shape of the floating ring bearing for a given turbocharger operating condition. Additionally, it is possible to show that acoustic emission data using a bandpass filter between 50 and 100 kHz with kurtosis analysis have strong characteristics for detecting the pre-surge condition in small turbochargers.
Abstract: Este trabalho apresenta um estudo experimental da influência do perfil da ranhura axial de mancais radias hidrodinâmicos semiflutuantes sobre o comportamento dinâmico e termodinâmico em pequenos turbocompressores utilizados nas indústrias automotiva e aeronáutica. Uma bancada de ensaios a quente utilizando gás GLP para testes de turbocompressores capaz de representar diferentes condições de velocidade e vazão mássica é utilizada para o desenvolvimento desse estudo. Sete diferentes turbocompressores com mancais semiflutuantes de diferentes perfis de ranhura axial são selecionados para a avaliação da resposta dinâmica e termodinâmica em diferentes condições de operação, inclusive pré-surge e surge. Cada mancal semiflutuante possui em seu corpo interno duas áreas de apoio do eixo e uma para o fluxo livre do lubrificante e são fabricados por processos de usinagem convencional diretamente pelo fabricante do turbocompressor. É utilizado o processo de eletroerosão de precisão (EDM) para a fabricação exclusiva das ranhuras, sendo elas: triangular, meia elipse, quarto de elipse, quarto de elipse invertido, retangular, trapezoidal e circular (ou "meia lua"). A análise comparativa do comportamento termodinâmico é efetuada por meio de ensaios de desempenho e eficiência dos compressores e dos conjuntos turbina-rotor em velocidade e vazão mássica constantes. Sensores de temperatura, pressão e fluxo mássico de ar e de gás são instalados em diversos pontos à montante e à jusante do compressor e da turbina. Para o estudo de dinâmica de rotores, espectros de frequência e diagramas das órbitas de precessão do munhão são obtidos a partir da medição das vibrações em diferentes velocidades estacionárias e fluxos de ar constantes de operação. Diagramas em cascata (waterfall plots) são realizados em aceleração e desaceleração dos turbocompressores. Acelerômetros e sensores de proximidade sem contato são utilizados para captar os sinais desejados de vibração sobre os turbocompressores sob diferentes condições de operação do turbocompressor. As respostas síncronas e subsíncronas também são obtidas e analisadas para cada turbocompressor para a faixa de velocidades de rotação de, aproximadamente, 0 a 145.000 rpm. Sinais de emissão acústica são captadas nas condições de velocidades e fluxos constante. Diversos tratamentos nesses dados são realizados, com diferentes filtros eletrônicos e análise estatística. São realizadas correlações dos dados de emissão acústica com a mudança apenas da velocidade de operação, apenas do fluxo de massa de ar do compressor, com a situação pré-surge e surge. Uma avaliação preliminar das dimensões das ranhuras dos mancais analisados é efetuada por meio de análise metrológica dimensional antes dos testes para certificar que a quantidade de lubrificante e a área efetiva de contato rotor-mancal estão dentro do determinado em projeto. Os resultados experimentais obtidos permitem a confecção de importantes mapas de desempenho termodinâmico e curvas da resposta dinâmica dos sete turbocompressores analisados, fornecendo subsídios relevantes para a seleção do perfil da ranhura axial do mancal flutuante mais apropriado para uma dada condição de operação do turbocompressor. Adicionalmente, é possível apresentar que os dados de emissão acústica utilizando filtro passa-banda entre 50 e 100 kHz com análise de curtose apresentam fortes características para detecção da situação de pré-surge em pequenos turbocompressores.
Subject: Engenharia mecânica
Turbocompressores
Emissão acústica
Mancais
Estudos experimentais
language: eng
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecanica
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/44370
Issue Date: 10-Jun-2022
Appears in Collections:Teses de Doutorado

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