Πειραματική Μελέτη Υδροδυναμικής Λίπανσης σε Ακτινικά Έδρανα

Abstract

Tο φαινόμενο της υδροδυναμικής λίπανσης αποτελεί τη βασική αρχή λειτουργίας των εδράνων ολίσθησης (ακτινικών και ωστικών). Παρότι οι βασικές αρχές της σχετικής θεωρίας έχουν θεμελιωθεί εδώ και περίπου έναν αιώνα, υπάρχουν ακόμη ανοικτά θέματα τα οποία χρήζουν περαιτέρω διερεύνησης. Προς την κατεύθυνση αυτή, είναι σημαντικός ο σχεδιασμός και η εκτέλεση πειραμάτων για τον προσδιορισμό των παραμέτρων λειτουργίας ακτινικών εδράνων. Οι παράμετροι αυτές μπορούν, στη συνέχεια, να χρησιμοποιηθούν για τη ρύθμιση μοντέλων πρόβλεψης, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε υπολογιστικές μελέτες βελτιστοποίησης. Η πειραματική μελέτη της παρούσας εργασίας στηρίχθηκε εξ ολοκλήρου στη διάταξη Rotor Kit 4 (RK4) της Bently Nevada, η οποία είναι εγκατεστημένη στο Εργαστήριο Ναυτικής Μηχανολογίας (Ε.Ν.Μ.) της Σχολής Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών του Ε.Μ.Π. Η διάταξη περιλαμβάνει ηλεκτροκινητήρα, άξονα και ακτινικό έδρανο ολίσθησης, καθώς και υποσυστήματα για την επιβολή και τον έλεγχο της φόρτισης του άξονα και του εδράνου, και για τη λήψη και επεξεργασία μετρήσεων. Στο πλαίσιο της παρούσας εργασίας, παρουσιάζεται αρχικά η θεωρητική ανάλυση ακτινικών εδράνων ολίσθησης, η οποία βασίζεται στη θεωρία της υδροδυναμικής λίπανσης. Στη συνέχεια, περιγράφονται και αναλύονται τα υπολογιστικά εργαλεία που χρησιμοποιήθηκαν για την επίλυση προβλημάτων υδροδυναμικής λίπανσης σε ακτινικά έδρανα. Τα εργαλεία αυτά πιστοποιήθηκαν για την ορθότητα των αποτελεσμάτων τους μέσω σύγκρισης με αποτελέσματα της βιβλιογραφίας. Στη συνέχεια, γίνεται περιγραφή της πειραματικής διάταξης RK4, και καταγράφονται τα αποτελέσματα πειραματικών μετρήσεων για διάφορες καταστάσεις φόρτισης του εδράνου και διάφορες ταχύτητες περιστροφής. Τα πειραματικά αποτελέσματα περιλαμβάνουν την ταχύτητα περιστροφής του άξονα και την τροχιά που διανύει το κέντρο του άξονα στη θέση στήριξης, κατά τη λειτουργία του εδράνου υπό σταθερές συνθήκες. Τέλος, πραγματοποιείται σύγκριση πειραματικών μετρήσεων και αριθμητικών αποτελεσμάτων, και αξιολογείται η δυνατότητα ικανοποιητικής πρόβλεψης της συμπεριφοράς ακτινικών εδράνων. Ένα σημαντικό θέμα το οποίο πραγματεύεται η παρούσα εργασία είναι ο προσδιορισμός της πραγματικής θέσης στήριξης των εδράνων χοάνης και των εδράνων γραμμής ενός αξονικού συστήματος πλοίου. Η πληροφορία αυτή είναι σημαντική κατά την κατάστρωση του σχεδίου ευθυγράμμισης του άξονα. Συνήθως, για τα έδρανα γραμμής, η θέση στήριξης λαμβάνεται στο μέσον του μήκους τους, ενώ η συνήθης υπόθεση σχετικά με τη θέση στήριξης του πρυμναίου εδράνου της χοάνης είναι ότι αυτή βρίσκεται στο 1/3 του μήκους του εδράνου από το πρυμναίο άκρο. Στο πλαίσιο της παρούσας εργασίας καταδεικνύεται ότι η θέση αυτή μπορεί να προσδιοριστεί με ακρίβεια, λαμβάνοντας υπόψη, αφενός τα χαρακτηριστικά του συστήματος έδρανο-άξονας-λιπαντικό, αφετέρου την απευθυγράμμιση του άξονα στο έδρανο λόγω της ελαστικής γραμμής του αξονικού συστήματος.

The phenomenon of hydrodynamic lubrication is the basic principle of operation of journal and thrust bearings. Although the basic principles of lubrication theory have been established for almost a century, there are still several open issues for which further investigation is required. To this end, it is essential to design and conduct experiments for determining the operating parameters of a bearing. These parameters can be used for the calibration of prediction models, which can then aid numerical optimization studies. The experimental work of the present Diploma thesis is conducted with a Bently Nevada Rotor Kit 4 (RK4) device, installed at the Laboratory of Marine Engineering of NTUA. The device includes a motor, a shaft and a hydrodynamic journal bearing, as well as subsystems for application and control of the shaft and bearing loads, and for data acquisition and post-processing. At first, a theoretical analysis of journal bearings based on the theory of hydrodynamic lubrication is presented, and the computational tools used to solve lubrication problems in journal bearings are described and validated against published literature results. Then, a detailed description of the RK4 experimental device is presented, followed by conduction of a series of experiments at several bearing loading conditions and shaft rotational speeds. The experimental results include the rotational speed of the shaft and the trajectory of the shaft center during steady-state operation of the bearing. Finally, experimental measurements are compared to the results of numerical simulations. It is shown that computational tools can be successfully used to predict the behaviour of journal bearings in the studied parameter range. An important issue addressed within the present work is the determination of the actual support location of stern tube and line shaft bearings of marine propulsion systems. This information is important for proper shaft alignment calculations. Usually, for line shaft bearings, support location is assumed at the middle of the bearing length, whereas the support location of the aft stern tube bearing is usually taken at the 1/3 of the bearing length from the aft end. In the present work, it is shown that the support location of a bearing can be accurately determined, by taking into account the design characteristics of the bearing system, and the shaft misalignment.