Modelování kmitání a dynamická analýza rotorů turbodmychadel

Abstract

Dizertační práce se zabývá modelováním ohybového kmitání rotorů turbodmychadel uložených v kluzných ložiskách s plovoucími pouzdry, navržením efektivních radiálních ložisek a provedením experimentu pro verifikaci simulací. Pro účely simulace jsou využity geometrické a provozní parametry sériově vyráběného turbodmychadla a experimenty byly provedeny v součinnosti s výrobcem.

Ve druhé kapitole práce jsou odvozeny pohybové rovnice popisující ohybové kmitání rotoru. Využito je metody konečných prvků a přístupu, kdy jsou součásti turbodmychadla považovány za vázaný mechanický systém. Třetí kapitola se zabývá modelováním hydrodynamického mazání v radiálních kluzných ložiskách s plovoucími pouzdry, odvozením modelu pro průtok oleje mazacími otvory v plovoucích pouzdrech a stanovením provozních vůlí radiálních ložisek. Čtvrtá kapitola je zaměřena na výpočet hydrodynamického tlaku metodami konečných diferencí a konečných prvků a na stanovení hydrodynamických sil působících v ložisku.

V páté kapitole je představena metodika pro hodnocení vibrací točivých strojů a jsou charakterizovány typické vibrační projevy rotorů turbodmychadel. Dále je zhodnocen vliv použitého modelu hydrodynamických sil na výsledky simulace: je ukázáno, že aproximativní analytické metody jsou vhodné pouze pro přibližné analýzy a časově náročné úlohy, např. optimalizaci.

V šesté kapitole je formulována úloha dynamické analýzy rotoru turbodmychadla a jsou uvedeny všechny relevantní parametry a podmínky. S využitím vytvořeného výpočtového modelu je zkoumán vliv nevyváženosti, ložiskových vůlí a modelu proudění mazacími otvory v plovoucích pouzdrech na ohybové kmitání rotoru a hydrodynamické ztráty v ložiskách. Pozornost je věnována i různým možnostem vizualizace odezvy nelineárních kmitavých systémů. Dále je posouzen vliv konstrukčního řešení rozváděcích drážek ve vnějším olejovým filmu ložisek a je ukázáno, že konstrukční řešení rozváděcích mazacích drážek může mít zásadní vliv na provoz ložiska. V závěru kapitoly je ukázán způsob snížení hydrodynamických ztrát ve vnitřním olejovém filmu pomocí podélných drážek. Snížení ztrát v ložiskách turbodmychadel má potenciálně velký společenský dopad, protože znamená zvýšení účinnosti spalovacích motorů a tedy další snížení emisí v automobilové dopravě.

V sedmé kapitole jsou popsány zkoušky provedené na zkušebním zařízení a metody použité při měření. Je představena levná metoda měření úhlové rychlosti plovoucích s využitím indukčních snímačů a je hodnocen vliv nevyváženosti, typu provozu a teplotě vzduchu v turbínovém stupni na ohybové kmitání rotoru turbodmychadla. Také je popsána havárie rotoru způsobená nevhodně instalovanými snímači rotorových vibrací.