Análisis no lineal de cojinetes de anillo flotante

Rafael Ruiz

Resumen


La demanda de motores con mayor potencia de salida y mejor eficiencia ha obligado al desarrollo de dispositivos auxiliares tales como los turbocargadores. En pequeños turbocargadores, el comportamiento del rotor es complejo debido a que ellos usan cojinetes de anillo flotante o FRB (según sus siglas en inglés) que tienen dos películas hidrodinámicas de aceite en serie en cada soporte. Es imposible para los métodos de análisis lineales obtener la respuesta del sistema satisfactoriamente, ya que las fuerzas ejercidas por los FRBs sobre el rotor son no-lineales. Las aproximaciones empíricas son usadas, pero los repetidos experimentos son costosos y consumen mucho tiempo. El presente trabajo consistió en elaborar una herramienta computacional, que realice análisis y diseño rotodinámicos de sistemas no-lineales. Se ejecutaron pruebas computacionales con un modelo complejo del rotor junto con un modelo analítico aproximado y un modelo en elementos finitos de los FRBs, variando los parámetros de control. De esta manera se ejecutaron diversas pruebas computacionales de las cuales se obtuvieron los datos necesarios para elaborar las gráficas de las trayectorias, diagramas de bifurcación, mapas de Poincaré y 1X/cero-pico/RMS. Al analizar las gráficas se pudo corroborar que los sistemas rotor-cojinetes de anillo flotante son problemas dinámicos rígidos, además de ser sistemas no-lineales que presentan complejos comportamientos caóticos. La técnica numérica del “trapecio” comprobó ser una poderosa herramienta a la hora de tratar con este tipo de sistemas. Los sistemas con desbalances aplicados simultáneamente a todos los rodetes del rotor sin desfase tienden a ser más estables en comparación con los sistemas en los cuales los desbalances aplicados en los rodetes están desfasados los cuales requieren de un mayor tiempo transitorio para alcanzar el estado estable.

Palabras clave: Cojinete de anillo flotante, turbocargadores, análisis no lineal, rotodinámica.



Abstract

The demand for powerful and efficient engines has required auxiliary devices such as turbochargers. Small turbochargers have a complex behavior due to the use of Floating Ring Bearings (FRB) with two hydrodynamic oil films in series in each support. With the methods of linear analysis it is impossible to obtain a sound response of the system given that the FRB forces are nonlinear. Empirical approximations are used but the repeated experiments are expensive and time consuming. This work presents a computational tool for the nonlinear analysis and design of these rotodynamic systems. Computational tests were done with this software on a complex model of the rotor and compared with a simplified analytical model and a finite element model of the FRB, for various sets of control parameters. The results were used to elaborate path, bifurcation, and 1X/zero-pick/RMS graphs and Poincaré maps. The study of these graphical results confirms that rotor-FRB systems are rigid dynamic problems in addition to nonlinear systems of complex chaotic behavior. The trapeze numerical technique proved resulted very powerful for this type of problems. Systems with unbalanced (and in phase) loads simultaneously applied to all discs of the rotor tend to be more stable than those systems with out of phase unbalances, given that these requiere longer times to reach steady state.

Key words: Floating ring bearing, turbochargers, nonlinear analysis, rotodynamic.


Palabras clave


Cojinete de anillo flotante; Turbocargadores; Análisis no lineal; Rotodinámica; Floating ring bearing; Turbochargers; Nonlinear analysis; Rotodynamic

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