بررسی اثر فاصله یاتاقان ها بر سرعت های بحرانی توربوشارژر

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی مکانیک و انرژی، دانشگاه شهید بهشتی

2 دانشگاه شهید بهشتی، پردیس فنی و مهندسی شهید عباسپور، استادیار دانشکده مهندسی مکانیک و انرژی

چکیده

توربوشارژ سامانه‌ای کمکی است که با تزریق هوای بیشتر به محفظه احتراق، توان خروجی و بازده موتورهای درون‌سوز را افزایش می‌دهد. مطالعه رفتار دینامیکی و شناخت سرعت‌های بحرانی آن‌ها به دلیل استفاده گسترده در موتور خودرو، لوکوموتیو و صنایع هوافضا از اهمیت بالایی برخوردار است. در این پژوهش ابتدا یک مدل تحلیلی 16 درجه آزادی برای محاسبه فرکانس‌های طبیعی توربوشارژر ارایه شده و بر اساس آن، معادلات حاکم استخراج می‌شود. سپس نتایج حاصل از حل تحلیلی معادلات حاکم با استفاده از روش المان‌ محدود صحه گذاری می‌شود. در ادامه سرعت‌های بحرانی اول تا چهارم سیستم در فواصل مختلف قرارگیری یاتاقان‌ها روی شفت محاسبه شده و نمودار کمپبل سیستم مورد بررسی قرار می‌گیرد. در نهایت پاسخ فرکانسی سیستم در اثر نابالانسی جرمی در موقعیت‌های مختلف قرارگیری یاتاقان‌ها بررسی می‌گردد. نتایج نشان می‌دهند که با افزایش فاصله بین یاتاقان‌ها، سرعت‌های بحرانی اول و دوم سیستم افزایش یافته و دامنه ارتعاشات سیستم در فرکانس تشدید اول کاهش می‌یابد.


 


 

 
 

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Investigating the effect of bearings distance on the critical speeds of a turbocharger

نویسندگان [English]

  • Sepehr Goodarzi 1
  • Abbas Rahi 2
1 دانشکده مهندسی مکانیک و انرژی، دانشگاه شهید بهشتی
2 Faculty of Mechanical and Energy Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran
چکیده [English]

Turbocharging is an auxiliary system that increases the output power and efficiency of internal combustion engines by injecting more air into the combustion chamber. Studying their dynamic behavior and knowing their critical speeds is important due to their widespread use in automobile engines, locomotives, and aerospace industries. In this research, first, an analytical model of 16 degrees of freedom is presented to calculate the natural frequencies of the turbocharger, and based on it, the governing equations are derived. Then, the results obtained from the analytical solution of the governing equations are validated using the finite element method. Next, the first to fourth critical speeds of the system are calculated at different distances of the bearings on the shaft and the Campbell diagram of the system is analyzed. Finally, the frequency response of the system due to the mass imbalance in different positions of the bearings is checked. The results show that by increasing the distance between the bearings, the first and second critical velocities of the system increase, and the amplitude of the system vibrations at the first resonance frequency decreases.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Turbocharger
  • critical speeds
  • Campbell diagram
  • unbalance
  • bearings
[1] Li, G.-J., “Research on the Dynamic Characteristics and Visualization of the Turbocharger Rotor”, Hebei University of Technology, Hebei. 2003.
[2] Ying, Guangchi, Guang Meng, and Jianping Jing. "Turbocharger rotor dynamics with foundation excitation." Archive of Applied Mechanics, 2009, Vol.79, pp.287-299.
[3] Liu, X., "Strength and rotor dynamics analysis of one type turbocharger", Dalian Maritime University, Dalian, 2013.
[4] Luo, B.-B., “Machining process and dynamic balancing of the rotor parts of the turbocharger”, Highw. Car, 2006, Vol.1, no.12–14, 2006.
[5] Tian, Li, W. J. Wang, and Z. J. Peng."Dynamic behaviours of a full floating ring bearing supported turbocharger rotor with engine excitation", Journal of Sound and Vibration, 2011, Vol.330, no.20, pp.4851-4874.
[6] Ouyang, Xu, Hulun Guo, Xintao Wu, Rixiu Men, Menghan Li, and Shuqian Cao., "Investigation of Weight Effects on the Critical Speed of Inclined Turbocharger Rotor System", Journal of Nonlinear Mathematical Physics, 2022, Vol.29, no.2, pp.403-422.
[7] Wan, K. H., Y. T. Zhang, and G. Q. Ren., "Research of the solution method on the critical speed of turbo supercharger rotor", New Technology & New Process, 2009, Vol.10, pp.18-20.
[8] Singh, Ajit, and T. C. Gupta, "Effect of rotating unbalance and engine excitations on the nonlinear dynamic response of turbocharger flexible rotor system supported on floating ring bearings", Archive of Applied Mechanics, 2020, Vol.90, no.5, pp.1117-1134.
[9] Smolík, Luboš, Michal Hajžman, and Miroslav Byrtus, "Investigation of bearing clearance effects in dynamics of turbochargers", International Journal of Mechanical Sciences, 2017, Vol.127, pp.62-72.
[10] Koutsovasilis, Panagiotis, "Automotive turbocharger rotordynamics: Interaction of thrust and radial bearings in shaft motion simulation", Journal of Sound and Vibration, 2019, Vol.455, pp.413-429.
[11] Tarlani Beris, Ali, and Arash Bahrami, "Dynamic analysis of a high-speed rotor supported by optimized bearings at steady and transient operating conditions", Journal of Vibration Engineering & Technologies, 2023, Vol.11, no. 3, pp.1151-1161.
[12] Liu, Zhihao, Renren Wang, Fang Cao, and Pidong Shi, "Dynamic behaviour analysis of turbocharger rotor-shaft system in thermal environment based on finite element method", Shock and Vibration 2020, 2020, pp.1-18.
[13] He, Na Na, and Hong Zhang, "The rotor dynamic analysis and optimization in turbocharger", Applied Mechanics and Materials, 2012, Vol.226, pp.651-655.
[14] Wang, Longkai, Guangfu Bin, Xuejun Li, and Dingqu Liu, "Effects of unbalance location on dynamic characteristics of high-speed gasoline engine turbocharger with floating ring bearings", Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2016, Vol.29, no.2, pp.271-280.
[15] Zhai, Liming, Yongyao Luo, Zhengwei Wang, and Xin Liu, "Failure analysis and optimization of the rotor system in a diesel turbocharger for rotor speed-up test", Advances in Mechanical Engineering, 2014, Vol.6, p.476023.