The first part of the thesis describes journal bearings characteristics, their function and lubrication. The second part of the thesis is about a rotor-dynamics issue and how to use numerical and experimental methods for verification of a new bearing design. The practical part of the thesis is focused on analyse a current design of bearings in MBS. In the last part has been made and verified a new bearing design.

Die Kenntnis der dynamischen Eigenschaften von Turbomaschinenrotoren sind bei magnetgelagerten Maschinen von entscheidender Bedeutung für den sicheren Betrieb und die Regelung. Besonders der Temperatureinfluss auf die Materialien und die Eigenformen müssen dabei berücksichtigt werden. In diesem Beitrag wird ein MATLAB-Tool vorgestellt mit dem es möglich ist, die Eigenfrequenzen und -formen für magnetgelagerte Turbomaschinen zu berechnen und das Rotormodell für dynamische Simulationen zu erstellen. Es wird auf die zu Grunde liegende Mathematik eingegangen und die Implementierung vorgestellt. Die bisher erreichten Ergebnisse und die Implementierung in ein Simulationsmodell für eine magnetgelagerte Maschine werden gezeigt. / Knowledge of the dynamic properties of turbomachinery rotors is of crucial importance for safe operation and control in machines with magnetic bearings. Especially the temperature influence on the materials and the eigenmodes have to be considered. In this paper, a MATLAB tool is presented with which it is possible to calculate the natural frequencies and shapes for magnetically levitated turbomachinery and to create the rotor model for dynamic simulations. The underlying mathematics is discussed and the implementation is presented. The results achieved so far and the implementation in a simulation model for a machine with magnetic bearings are shown.

Magnetic bearings support turbomachinery by regulating their forces exerted in relation to the displacement of the machine supported. The regulating control system must be tuned for stable and safe operation of the rotor. The ultimate goal of this study is to determine the effects of changing controller gains on the behavior of the rotor during operation in its normal speed range with a known unbalance load. We also endeavor to confirm the model of the rotor supported the magnetic bearings, as an additional goal. We first investigate the modelling of rotors supported by magnetic bearings, including the model of the control system. We present a finite element model of a magnetic bearing supported rotor, and perform experiments to determine the characteristics of the control system which governs the magnetic forces on the rotor. The experimental control system characteristics confirm the expected characteristics from theory. With this knowledge, we perform simulations and experiments under the same forcing conditions to determine the accuracy of the model in predicting the experimental behavior of an unbalanced rotor. The model exhibits satisfactory ability in predicting the experimental behavior of the rotor under this loading. Our next step is to determine the effects of variation of proportional and integral controller gains on the behavior of the rotor. Both simulations and experiments show that an increase in the proportional controller gain results in an increase in the rotor’s first critical speed. An increase in the integral gain results in a small decrease in the location of the peak response speed in the speed range tested, while leaving the peak amplitude insignificantly changed. Again, simulations and experiments predict this result. We reach the following three conclusions from this study. First, the finite element model of the rotor/bearing system is a viable model for predicting the behavior of the experimental system. Second, tuning of the proportional gain shows a significant effect on the behavior of the rotor during unbalance loading across its speed range, due to considerable change in bearing stiffness caused by the tuning of this gain. Last, tuning of the integral gain has a small effect on the behavior of the rotor due to the change in bearing damping, too small to be considered significant. / Master of Science

O presente trabalho consiste no projeto de um modelo em elementos finitos de um absorvedor dinâmico rotativo utilizando-se um material viscoelástico como componente dissipador do sistema. O absorvedor é composto por um anel de material viscoelástico interposto entre dois anéis de aço, o qual é fixado na extremidade livre de um sistema rotativo representado por um eixo flexível, suportado por dois rolamentos, no qual estão fixos dois discos igualmente espaçados do centro entre os dois mancais. O modelo em elementos finitos do sistema rotativo é validado com os dados experimentais do modelo real e suas velocidades críticas são determinadas baseadas no diagrama de Campbell e na resposta ao desbalanço em um dos discos. O modelo inicial do absorvedor dinâmico rotativo é replicado de um modelo da literatura e as respostas a uma excitação na forma de impulso são comparadas. O modelo desenvolvido equipara-se ao da literatura para frequências até 600 Hz, intervalo que compreende as velocidades críticas a serem amortecidas. A otimização do absorvedor é realizada através de variações da geometria do mesmo e são traçadas curvas de influência de cada parâmetro sobre suas frequências naturais. Com base nestas curvas são realizadas análises de influência conjunta dos parâmetros geométricos sobre tais frequências. Pelos resultados obtidos verifica-se a possibilidade da obtenção de um modelo que atue sobre modos de flexão específicos do sistema rotativo, atenuando as amplitudes de vibração das velocidades críticas correspondentes a cada modo. Uma vez obtidos os modelos de absorvedores dinâmicos correspondentes aos dois primeiros modos de flexão do sistema rotativo, ambos são acoplados ao sistema e se observa grande redução dos picos de amplitude do primeiro modo de flexão, enquanto os picos do segundo modo sofrem baixa alteração. / The present work concerns the development, optimization and validation of a finite element model of a dynamic vibration absorber using a viscoelastic material as the damping component. The dynamic absorber consists of a ring of viscoelastic material interposed between two rings of steel, which is fixed to the free end of a rotary system represented by a flexible shaft supported by two bearings, on which are fixed two discs equally spaced in the center of both bearings. The finite element model of the rotating system is validated with experimental data from the actual model and its critical speeds are determined based on the Campbell diagram and in its response to the imbalance. The initial model of the dynamic absorber is replicated from a model of the literature and the responses to an impulse excitation are compared. The developed model matches the literature one for frequencies up to 600 Hz, range comprising the critical speeds to be damped. The absorber\'s optimization is accomplished through variations of its geometry and influence curves of each parameter over its natural frequencies are drawn. Based on these curves, combined influence analyzes of the geometrical parameters over such frequencies are performed. From the results obtained, it can be seen the possibility of achieving a model that acts on specific bending modes of the rotation system, reducing the vibration amplitudes of the critical speeds corresponding to each mode. Once obtained the dynamic absorbers models corresponding to the first two modes of vibration of the rotatative system, both models are coupled to the system and it is observed great reduction of the amplitude of the first bending mode peaks, while the second mode suffer low peaks reduction.

The development of steam turbines is continuously moving forward and the aim is oftento develop configurations with higher power output. Siemens Industrial Turbomachinery AB is currently in the beginning of a development project which replaces a single turbine with two interconnected turbines with higher pressure and temperature of the steam than before. To ensure reliable quality and hold down costs is it an advantage to do most of the assembly before delivery to site.This thesis work at Linköping University has been written in collaboration with Siemens Industrial Turbomachinery AB, Finspång. The objective of this work is to investigate the possibility to mount two turbines and a gearbox on a turbine frame. Theframe will be used both for transportation and during operation.The thesis considerate analyses of the turbine layout and critical parameters that may affect a turbine frame. In addition was a frame concept developed and evaluated with respect to solid mechanics and alignment of the shaft arrangement.Our conclusion is that there are good possibilities to install the equipment on a frame and achieve demands due to solid mechanics and alignment of the shaft arrangement.We recommend Siemens Industrial Turbomachinery AB to carry on with the project and do further investigations of the natural frequency of the frame concept, compare financial advantages and disadvantages together with possibilities for transportation.

Grandes esforços vêm sendo realizados atualmente com o objetivo de diagnosticar vibrações em estruturas e equipamentos, para máquinas rotativas se requer atenção ainda maior, pois correm o risco de se auto excitarem. Este trabalho tem por objetivo expor uma metodologia em dinâmica de rotores para diminuição da amplitude da resposta no domínio da frequência. Com essa finalidade, o rotor utiliza uma discretização de elementos finitos de viga de Timoshenko com funções da classe C0. A programação é implementada no programa acadêmico Meflab desenvolvida na plataforma do software MATLAB®, e no software ANSYS® Workbench para algumas validações. Os resultados numéricos são comparados com os resultados do modelo de literatura. A implementação da otimização se dá com o uso do toolbox de algoritmos genéticos existente no software MATLAB®, onde os parâmetros do algoritmo de otimização são escolhidos como sendo os diâmetros da seção transversal de cada elemento finito. A função objetivo escolhida está associada à diminuição da resposta no domínio da frequência para excitações do tipo desbalanceamento ou a evitar o posicionamento de alguma velocidade crítica dentro de um intervalo de frequências predeterminado. As restrições do problema encontram-se associadas às dimensões máximas e mínimas das seções transversais dos elementos do eixo. Em geral, para a rotação onde se requeria a diminuição da amplitude da resposta no domínio da frequência, havia uma tendência das antirressonâncias mais próximas se deslocarem para o ponto requerido. / Great efforts are been made recently in order to diagnose vibrations in structures and equipments. Rotary machines require even greater attention, for they carry the risk of auto-excitation. This paper has as an objective the exposition a rotor dynamics methodology to minimize the response amplitude in the frequency domain. With this goal, the rotor is discretized using finite Timoshenko Beams elements, with C0 class functions. The programming is implemented in the academic software Meflab, coded in the MATLAB® platform, and in the software ANSYS® Workbench to validate some results. The numerical results are compared with the results from literature model. The optimization is made utilizing the genetic algorithms toolbox existing in the MATLAB® software, where the optimization algorithms parameters are chosen as being the transverse section diameters of each finite element. The objective function chosen is associated with the response minimization in the frequency domain for unbalanced type excitations or to avoid the existence of a critical velocity within a predetermined frequency range. The problem restrictions are associated to maximum and minimum transverse section dimensions of the axis elements, as well as its total volume variation. In general, for the rotation where the frequency domain amplitude response minimization was required, there was a tendency for the closest anti-resonances to shift themselves to the required point.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:27:14Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2006-03-03Bitstream added on 2014-06-13T18:31:08Z : No. of bitstreams: 1 goncalvesjr_r_me_ilha.pdf: 1793490 bytes, checksum: 31bd12dfbef20fead2490b33aa2d1148 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Este trabalho apresenta uma análise teórica do desempenho de um sistema de controle ativo de vibração de rotores utilizando mancais magnéticos. O esquema de controle ativo proposto utiliza a estratégia de controle ativo feedforward sobreposta ao sistema de controle feedback dos mancais magnéticos. O desempenho desse sistema de controle foi analisado em função da flexibilidade dos rotores considerando o impacto do número e da localização dos atuadores e dos sensores de erro sobre a redução dos níveis de vibração desses rotores, tanto em termos de vibração global quanto em termos de vibração local. O sistema de controle foi aplicado em um modelo teórico de rotor desenvolvido através do método da matriz de impedância. / This work presents a theoretical analysis of the performance of a system of active control of rotor vibrations using magnetic bearings. The proposed scheme of active control uses a feedforward active control strategy superimposed on the feedback control system of the magnetic bearings. The performance of this control system was analyzed as a function of the rotor flexibility considering the impact and optimization of the actuators and error sensors placement on the reduction of vibration levels of these rotors, in terms of global vibration as well as in terms of local vibration of the rotor. The control system was applied to a theoretical rotor model developed by the matrix impedance method.

Submitted by FABIO ASSIS DE CAMARGO null (fabioacamargo@gmail.com) on 2017-10-01T17:50:03Z No. of bitstreams: 1 Dissertação Fabio Assis de Camargo 2017.pdf: 2334192 bytes, checksum: 08f11624969ac9f08a9d018d78bea1f7 (MD5) / Approved for entry into archive by Monique Sasaki (sayumi_sasaki@hotmail.com) on 2017-10-02T17:13:14Z (GMT) No. of bitstreams: 1 camargo_fa_me_guara.pdf: 2334192 bytes, checksum: 08f11624969ac9f08a9d018d78bea1f7 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-10-02T17:13:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 camargo_fa_me_guara.pdf: 2334192 bytes, checksum: 08f11624969ac9f08a9d018d78bea1f7 (MD5) Previous issue date: 2017-08-18 / Este trabalho objetivou um estudo do comportamento dinâmico de rotores em balanço, operando acima da primeira velocidade crítica, suportados em mancais de rolamento. Um caso particular de rotor em balanço, que consiste em um ventilador centrífugo de forno de reaquecimento de uma forjaria, foi selecionado para esse estudo. O rotor analisado encontra-se apoiado em mancais de rolamento, que estão montados em base metálica instalada em fundação de concreto. Alguns aspectos relevantes do comportamento dinâmico desse tipo de rotor foram estudados utilizando-se procedimentos experimentais e procedimentos computacionais. O estudo experimental foi desenvolvido sobre um rotor de ventilador centrífugo utilizado para alimentação de ar de combustão em forno industrial, que possui rotação nominal de 3550 rpm, vazão de 5,11 m3/s, pressão de operação de 1150 mm c.a. sendo acionado por motor de potência de 150 cv, de alto rendimento, com partida direta, montado sobre base rígida. Testes de batida (“ensaio estático de ressonância”) e medições de vibração em velocidade constante foram realizados sobre esse rotor em diferentes condições de operação, permitindo a obtenção dos espectros de frequência da resposta vibratória do sistema rotativo. Um procedimento computacional baseado no método de elementos finitos também foi desenvolvido para a determinação das frequências naturais do rotor suportado em mancais elásticos. / This work was focused on a study of the dynamic behavior of in-balance rotors operating above the first critical speed, supported on rolling bearings. A particular case of in-balance rotor, which consists of a centrifugal fan reheating forging furnace was selected for this study. The analyzed rotor is supported by ball bearings, which are mounted on metal base installed in concrete foundation. Some relevant aspects of the dynamic behavior of this rotor type were studied, using experimental procedures and computational procedures. The experimental study was carried on a rotor centrifugal fan used to supply combustion air in the kiln, which has a rated speed of 3550 rpm , flow 5.11 m3 / s operating pressure of 1150 mm WG being motor-driven power of 150 hp , high performance , direct starting , mounted on a rigid base. Hit Testing ("Bump Test") and constant speed vibration tests were performed on this rotor in different operating conditions, allowing to obtain the frequency spectra for the vibrational response of the rotating system. A computational procedure based on the finite element method was also developed to determine the natural frequencies of the rotor supported in elastic bearings.

Grandes esforços vêm sendo realizados atualmente com o objetivo de diagnosticar vibrações em estruturas e equipamentos, para máquinas rotativas se requer atenção ainda maior, pois correm o risco de se auto excitarem. Este trabalho tem por objetivo expor uma metodologia em dinâmica de rotores para diminuição da amplitude da resposta no domínio da frequência. Com essa finalidade, o rotor utiliza uma discretização de elementos finitos de viga de Timoshenko com funções da classe C0. A programação é implementada no programa acadêmico Meflab desenvolvida na plataforma do software MATLAB®, e no software ANSYS® Workbench para algumas validações. Os resultados numéricos são comparados com os resultados do modelo de literatura. A implementação da otimização se dá com o uso do toolbox de algoritmos genéticos existente no software MATLAB®, onde os parâmetros do algoritmo de otimização são escolhidos como sendo os diâmetros da seção transversal de cada elemento finito. A função objetivo escolhida está associada à diminuição da resposta no domínio da frequência para excitações do tipo desbalanceamento ou a evitar o posicionamento de alguma velocidade crítica dentro de um intervalo de frequências predeterminado. As restrições do problema encontram-se associadas às dimensões máximas e mínimas das seções transversais dos elementos do eixo. Em geral, para a rotação onde se requeria a diminuição da amplitude da resposta no domínio da frequência, havia uma tendência das antirressonâncias mais próximas se deslocarem para o ponto requerido. / Great efforts are been made recently in order to diagnose vibrations in structures and equipments. Rotary machines require even greater attention, for they carry the risk of auto-excitation. This paper has as an objective the exposition a rotor dynamics methodology to minimize the response amplitude in the frequency domain. With this goal, the rotor is discretized using finite Timoshenko Beams elements, with C0 class functions. The programming is implemented in the academic software Meflab, coded in the MATLAB® platform, and in the software ANSYS® Workbench to validate some results. The numerical results are compared with the results from literature model. The optimization is made utilizing the genetic algorithms toolbox existing in the MATLAB® software, where the optimization algorithms parameters are chosen as being the transverse section diameters of each finite element. The objective function chosen is associated with the response minimization in the frequency domain for unbalanced type excitations or to avoid the existence of a critical velocity within a predetermined frequency range. The problem restrictions are associated to maximum and minimum transverse section dimensions of the axis elements, as well as its total volume variation. In general, for the rotation where the frequency domain amplitude response minimization was required, there was a tendency for the closest anti-resonances to shift themselves to the required point.

Grandes esforços vêm sendo realizados atualmente com o objetivo de diagnosticar vibrações em estruturas e equipamentos, para máquinas rotativas se requer atenção ainda maior, pois correm o risco de se auto excitarem. Este trabalho tem por objetivo expor uma metodologia em dinâmica de rotores para diminuição da amplitude da resposta no domínio da frequência. Com essa finalidade, o rotor utiliza uma discretização de elementos finitos de viga de Timoshenko com funções da classe C0. A programação é implementada no programa acadêmico Meflab desenvolvida na plataforma do software MATLAB®, e no software ANSYS® Workbench para algumas validações. Os resultados numéricos são comparados com os resultados do modelo de literatura. A implementação da otimização se dá com o uso do toolbox de algoritmos genéticos existente no software MATLAB®, onde os parâmetros do algoritmo de otimização são escolhidos como sendo os diâmetros da seção transversal de cada elemento finito. A função objetivo escolhida está associada à diminuição da resposta no domínio da frequência para excitações do tipo desbalanceamento ou a evitar o posicionamento de alguma velocidade crítica dentro de um intervalo de frequências predeterminado. As restrições do problema encontram-se associadas às dimensões máximas e mínimas das seções transversais dos elementos do eixo. Em geral, para a rotação onde se requeria a diminuição da amplitude da resposta no domínio da frequência, havia uma tendência das antirressonâncias mais próximas se deslocarem para o ponto requerido. / Great efforts are been made recently in order to diagnose vibrations in structures and equipments. Rotary machines require even greater attention, for they carry the risk of auto-excitation. This paper has as an objective the exposition a rotor dynamics methodology to minimize the response amplitude in the frequency domain. With this goal, the rotor is discretized using finite Timoshenko Beams elements, with C0 class functions. The programming is implemented in the academic software Meflab, coded in the MATLAB® platform, and in the software ANSYS® Workbench to validate some results. The numerical results are compared with the results from literature model. The optimization is made utilizing the genetic algorithms toolbox existing in the MATLAB® software, where the optimization algorithms parameters are chosen as being the transverse section diameters of each finite element. The objective function chosen is associated with the response minimization in the frequency domain for unbalanced type excitations or to avoid the existence of a critical velocity within a predetermined frequency range. The problem restrictions are associated to maximum and minimum transverse section dimensions of the axis elements, as well as its total volume variation. In general, for the rotation where the frequency domain amplitude response minimization was required, there was a tendency for the closest anti-resonances to shift themselves to the required point.