Thermohydrodynamic analysis of thrust bearings using computational fluid dynamics - Charitopoulos, Anastasios (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Ναυτικής Μηχανολογίας, 2015)
Τα ωστικά έδρανα αποτελούν σημαντικά εξαρτήματα των σύγχρονων μηχανολογικών συστημάτων. Στην παρούσα εργασία μελετώνται τα τριβολογικά χαρακτηριστικά αντιπροσωπευτικών ωστικών εδράνων με χρήση μεθόδων Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής. Πρόσφατες ερευνητικές εργασίες έχουν καταδείξει ότι, σε εφαρμογές ωστικών εδράνων, η χρήση τεχνητής τραχύτητας σε τμήμα της επιφάνειας του στάτορα μπορεί να οδηγήσει σε σημαντική βελτίωση της τριβολογικής απόδοσης, η οποία συνήθως ποσοτικοποιείται με βάση την ικανότητα παραλαβής φορτίου και τη ροπή τριβής. Στο πρώτο τμήμα της παρούσας εργασίας παρουσιάζεται μια υπολογιστική μελέτη ωστικών εδράνων με διαφορετικούς τύπους τεχνητής τραχύτητας, με σκοπό τη συσχέτιση των λειτουργικών χαρακτηριστικών με τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά των εδράνων. Συγκεκριμένα, μελετώνται και συγκρίνονται οι ακόλουθοι τύποι εδράνων: (α,β) παράλληλα έδρανα με ορθογωνική κοιλότητα, ανοικτή ή κλειστή, σε τμήμα του στάτορα, (γ) παράλληλα έδρανα με επιφανειακή τραχύτητα σε τμήμα του στάτορα, αποτελούμενη από μικρο-κοιλότητες ορθογωνικής διατομής, και (δ) έδρανα με κεκλιμένη επιφάνεια του στάτορα ως προς αυτήν του ρότορα στην περιοχή της αναρρόφησης του λιπαντικού ελαίου, και παράλληλη στην περιοχή της κατάθλιψης του λιπαντικού ελαίου (επικλινή έδρανα). Η λειτουργία των εδράνων προσομοιώνεται και αξιολογείται με χρήση μεθόδων Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής, βασισμένων στην αριθμητική επίλυση των εξισώσεων Navier-Stokes και ενέργειας για ασυμπίεστη μη-ισόθερμη ροή. Εδώ, λαμβάνεται υπόψη το σύνθετο φαινόμενο της σκέδασης ενέργειας προς θερμική εντός του λιπαντικού μέσου, και της μεταφοράς της στο περιβάλλον διαμέσου των τμημάτων του εδράνου (στάτορα και ρότορα). Αρχικά, για μια σχεδίαση αναφοράς του κάθε εδράνου, μελετάται η επίδραση της ταχύτητας περιστροφής του ρότορα και του ελάχιστου πάχους του λιπαντικού φιλμ στα τριβολογικά λειτουργικά χαρακτηριστικά του εδράνου. Ακολούθως, πραγματοποιείται λεπτομερής παραμετρική ανάλυση, με σκοπό την ανάδειξη της επίδρασης των κύριων παραμέτρων σχεδίασης στη λειτουργία των εδράνων. Τα παρόντα αποτελέσματα καταδεικνύουν την υπεροχή του εδράνου με ανοικτή ορθογωνική κοιλότητα έναντι των άλλων τύπων εδράνων. Για να αξιολογηθεί η επίδραση της ανάπτυξης υψηλών πιέσεων στις επιφάνειες του εδράνου, και να προσδιοριστούν οι σχετικές παραμορφώσεις των στερεών τμημάτων του εδράνου, πραγματοποιήθηκε θερμοελαστοϋδροδυναμική (TEHD) ανάλυση για έδρανο αναφοράς με επιφανειακή τραχύτητα σε τμήμα του στάτορα, αποτελούμενη από μικρο-κοιλότητες ορθογωνικής διατομής. Για το παρόν πρόβλημα, έγινε επέκταση του θερμοϋδροδυναμικού μοντέλου, ώστε να συμπεριληφθούν οι μηχανικές παραμορφώσεις των στερεών τμημάτων του εδράνου. Συγκεκριμένα, εκτός των εξισώσεων Navier-Stokes και ενέργειας, επιλύθηκαν αριθμητικά και οι εξισώσεις ελαστικότητας για τα στερεά τμήματα του εδράνου. Τα πεδία παραμόρφωσης στον στάτορα και στον ρότορα υπολογίστηκαν για διαφορετικές τιμές της περιστροφικής ταχύτητας του εδράνου και του ελάχιστου πάχους του λιπαντικού φιλμ. Διαπιστώθηκε ότι, λόγω της αύξησης της θερμοκρασίας, η ικανότητα παραλαβής φορτίου του εδράνου μειώνεται με αύξηση της περιστροφικής ταχύτητας του εδράνου πάνω από 2000 RPM. Διαπιστώθηκε επιπλέον ότι ο ρότορας παρουσιάζει χαρακτηριστικά παραμόρφωσης αντίστοιχα ενός προβόλου σε κάμψη, ενώ, σε απόλυτες τιμές, χαρακτηρίζεται από αρκετά μεγαλύτερες παραμορφώσεις σε σχέση με τις αντίστοιχες του στάτορα. Τέλος, επιβεβαιώθηκε ότι οι παραμορφώσεις του ρότορα αυξάνονται σημαντικά με μείωση του πάχους του. Η τριβολογική απόδοση των ωστικών εδράνων μπορεί να επηρεαστεί σημαντικά εξαιτίας κατασκευαστικών σφαλμάτων. Για την ποσοτικοποίηση τέτοιων επιδράσεων, πραγματοποιήθηκε λεπτομερής ανάλυση για ένα τυπικό παράλληλο έδρανο με περιοδική ορθογωνική τεχνητή τραχύτητα. Εδώ, εξετάστηκαν διαφορετικοί τύποι κατασκευαστικών σφαλμάτων, συγκεκριμένα, διαφοροποιήσεις στο μέγεθος και το σχήμα της ορθογωνικής τραχύτητας, καθώς και μακροσκοπικές αποκλίσεις της επιφάνειας του στάτορα. Για αυτά τα κατασκευαστικά σφάλματα, πραγματοποιήθηκε λεπτομερής παραμετρική ανάλυση, και αξιολογήθηκε η επίδρασή τους στην ικανότητα παραλαβής φορτίου και στον συντελεστή τριβής, για διαφορετικές τιμές του λόγου μήκους - πλάτους του εδράνου. Η επίδραση των γενικών αυτών παραμέτρων αναλύθηκε, μέσω οπτικοποίησης των πεδίων ροής και πίεσης. Διαπιστώθηκε ότι, σε κάποιες περιπτώσεις, η ύπαρξη κατασκευαστικών λαθών μπορεί να βελτιώσει τα τριβολογικά χαρακτηριστικά των εδράνων με τεχνητή τραχύτητα.