A hybrid bearing designed for use in a next generation turbo-pump is evaluated for the performance of initial lift-off, referred to as start-transient. The radial test rig features a high-speed spindle motor capable of 20,000 rpm that drives a 718 Inconel rotor attached via a high-speed coupling. The drive end is supported by ceramic ball bearings, while the hybrid bearing supports the opposite end. A magnetic bearing delivers the applied loading along the mid-span of the rotor. Many parameters, including ramp rate [rpm/s] (drive torque), supply pressure at 15,000 rpm, magnitude of the applied load, and load orientation, are varied to simulate different start-transient scenarios. The data are recorded in .dat files for future evaluation of transient predictions. Analysis of the data includes an evaluation of hydrodynamic and hydrostatic liftoff, an assessment of rub from passing through a lightly damped critical speed, and observation of pneumatic hammer instability. Hydrodynamic lift-off occurs when the hydrodynamic pressure, resulting from the relative motion of two surfaces, overcomes the forces acting on the rotor; no indication of hydrodynamic lift-off is provided. Hydrostatic lift-off results from the external supply pressure (which for this test rig is speed dependent) overcoming the forces acting on the rotor as determined from rotor centerline plots. With 0.263 bar applied unit load in the vertical direction, hydrostatic lift-off occurs at 0 rpm and 2.08 bar supply pressure. With a much higher load of 1.53 bar, hydrostatic lift-off is at 12,337 rpm and 10.7 bar supply pressure. The required supply pressure for hydrostatic lift-off is approximately a linear function of the applied unit load. In a turbopump, hydrostatic lift-off depends on the speed because the supply pressure is proportional to the speed squared. With the load in the horizontal direction, hydrostatic lift-off occurs at lower speeds and pressures. The ramp rate did not affect the required supply pressure for hydrostatic lift-off. A lower supply pressure at 15,000 rpm lowered the required supply pressure for hydrostatic liftoff as well as the natural frequencies creating a rub. The hydrostatic lift-off speed should be minimized to avoid damage to the rotor/bearing surfaces due to contact.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αναφέρεται σε έδρανα ολίσθησης. Συγκεκριμένα, αναφέρεται στο σχεδιασμό και την κατασκευή ενός νέου, πρωτότυπου υβριδικού εδράνου ολίσθησης, το οποίο έχει τη δυνατότητα να λειτουργεί είτε ως υδροδυναμικό, είτε ως ενεργό ηλεκτρομαγνητικό, είτε ως υβριδικό, δηλαδή υδροδυναμικό και ενεργό ηλεκτρομαγνητικό ταυτόχρονα. Προκειμένου να πραγματοποιηθεί ο σχεδιασμός και η κατασκευή του συγκεκριμένου υβριδικού εδράνου ολίσθησης, έγιναν υπολογισμοί και προσομοίωση του υδροδυναμικού πεδίου για τα υδροδυναμικά έδρανα ολίσθησης και του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου για τα ηλεκτρομαγνητικά έδρανα στο πρόγραμμα ANSYS. Η προσομοίωση των υβριδικών εδράνων ολίσθησης έγινε με επαναληπτική διαδικασία μεταξύ του υδροδυναμικού και του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου προκειμένου να υπολογίζεται το κάθε επιθυμητό μέγεθος. Για το σχεδιασμό του υβριδικού εδράνου ολίσθησης χρησιμοποιήθηκε το σχεδιαστικό πρόγραμμα CATIA. Για την προσομοίωση του ελέγχου του υβριδικού εδράνου ολίσθησης, χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα Matlab, το οποίο ενεργοποιεί το πρόγραμμα Ansys για τον υπολογισμό των χαρακτηριστικών του υδροδυναμικού και του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου του εδράνου και το Simulink module του Matlab για τον υπολογισμό των χαρακτηριστικών του ελέγχου, ώστε να γίνονται όλοι οι απαραίτητοι υπολογισμοί αυτοματοποιημένα. Τέλος, έγιναν υπολογισμοί και προσομοίωση δυναμικής περιστρεφόμενων αξόνων, με στήριξη του ρότορα σε δύο έδρανα και δίσκο προσαρμοσμένο στον ρότορα, στο πρόγραμμα Matlab, με σύνδεση με το Ansys για τον υπολογισμό των συντελεστών ελαστικότητας και απόσβεσης και το Simulink module του Matlab για τον υπολογισμό των χαρακτηριστικών του ελέγχου, με σκοπό την ολοκληρωμένη ανάλυση του συστήματος. Συμπερασματικά, μέσω της συγκεκριμένης διδακτορικής διατριβής αποδεικνύεται πως ο σχεδιασμός, η λειτουργία και η κατασκευή του συγκεκριμένου πρωτότυπου υβριδικού εδράνου ολίσθησης είναι εφικτά, και από τα αποτελέσματα προκύπτει πως η λειτουργία ενός τέτοιου υβριδικού εδράνου ολίσθησης, έχει πολλά πλεονεκτήματα σε σχέση με άλλα έδρανα στήριξης περιστρεφόμενων αξόνων, είτε αυτά είναι απλά είτε υβριδικά και μπορεί να εφαρμοστεί είτε σε εργαστηριακό επίπεδο είτε σε βιομηχανικές εφαρμογές. / The present doctoral thesis refers to hydrodynamic journal bearings. Specifically, it refers to the design and construction of a new, innovative hybrid journal bearing, which has the ability to function either as hydrodynamic or active magnetic or hybrid, i.e. both hydrodynamic and active magnetic, at the same time. In order to be performed the design and construction of the specific hybrid journal bearing, calculations and simulation of the hydrodynamic field for the hydrodynamic journal bearings in the program ANSYS, have been made. The simulation of the hybrid journal bearings has been made with iterative process, between the hydrodynamic and active magnetic field, so that every desired magnitude can be calculated. For the design of the hybrid journal bearing, the designing program CATIA has been used. For the simulation of the control of the hybrid journal bearing, the program Maltab has been used, which activates the program Ansys, for the calculation of the features of the hydrodynamic and active magnetic field of the bearing and the Simulink module of Maltab, for the calculation of the features of control, so that all necessary calculations can be made automated. Finally, calculations and simulation of rotor dynamics, with support of the rotor in two bearings and disc adjusted to the rotor, in Maltab, in connection to Ansys, for the calculation of the elastic and damping coefficients and the Simulink module of Maltab, for the calculation of the features of control, have been made, having as a purpose the complete analysis of the system. In conclusion, through the specific doctoral thesis, it is proved that the design, function and construction of the specific, new hybrid journal bearing, can be achieved and the results show that the function of such a hybrid journal bearing, has many advantages compared to other bearings of support of rotors, either they are simple or hybrid and it can be applied either to laboratory level or industrial applications.