KFUPM ePrints

Investigations on the influence of disk location and unbalance on fluid induced vibrations of a shaft-disk-bearing system

Al-Shurafa, Ali M. (2004) Investigations on the influence of disk location and unbalance on fluid induced vibrations of a shaft-disk-bearing system. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img]
Preview
PDF
3698Kb

Arabic Abstract

إن أعمدة المعدات الدوارة المحمولة على حوامل سائلة تكون معرضة لحالات عدم استقرار بسبب سائل الحامل مما يؤدي لاهتزازات خطيرة . تساهم الحوامل السائلة بشكل أساسي في الخصائص الديناميكية لهذه المعدات أو الأنظمة . تمثل حالتي "الويب" و "الورل" أهم حالات عدم الاستقرار هذه ، كما أنهما تتميزان بسمات خاصة ، منها أن تكون الاهتزازات عالية وفي نفس اتجاه الدوران ، ودائرية ولها تردد أقل من سرعة المعدة نفسها . في هذه الرسالة ، دُرست التأثيرات التالية على هذه النوعية من الاهتزازات : طول العمود وموقع القرص وعدم اتزانه . وقد أجريت تجارب عملية وحسابية في الوقت ذاته لنفس الهيكل تم فيها نقل إشارات اتهتزازات العمود وحللت باستخدام أجهزة دقيقة وبرنامج خاص . كما تم دراسة بيانات الاهتزازات واستخلاص النتائج . في الجزء الحسابي ، استخدم الحاسب الآلي لمحاكاة الهيكل المكون من العمود والقرص والحوامل . وكانت من مخرجات البرنامج رسومات بيانية موضحة للخصائص الديناميكية للحوامل وتحليل لمدى الاستقرار . تشير النتائج إلى وجود ارتفاع في مدى استقرار النظام وتردد الاهتزازات المصاحبة ، مع تغيير موقع القرص . وكان لموقع القرص أثر واضح على ظاهرة "الوب" . ومن بين العوامل الثلاثة المدروسة ، كان موقع القرص وهو الأكثر تأثيراً . لم يكن لطول العمود وعدم اتزان القرص أثر واضح على مقدار عدم الاستقرار . لكن رغم أن تردد عدم الاتزان هو 1X فقد كان له تأثير على عدم الاستقرار الذي تردده 0.5X إحدى الرسومات المستخلصة لإشارات الاهتزازات تفسر هذه الظاهرة . يلاحظ أيضاً إن بدأ حالة عدم الاستقرار مرتبطة بموقع القرص . الرسم البياني لمعدل موقع العمود في خلوص الحامل يظهر أن النظام يحتاج إلى شروط أكثر صرامة ليتمكن من العودة إلى حالة الاستقرار ، بعد أن يدخل إلى حالة عدم الاستقرار . تبين النتاج أنه في حالة "الورل" ، العلاقة بين سرعة العمود وتردد الاهتزازات علاقة خطية ، بغض النظر عن كون السرعة تصاعدية أو تناقصية .

English Abstract

Rotors mounted on fluid film bearings are suspected to experience fluid induced instabilities generating severe vibration problems. Fluid film bearings greatly contribute in the dynamic characteristics of these systems. Oil whirl and whip being the major examples of the fluid induced instabilities, they possess distinct and damaging symptoms (large forward circular precession with subsynchronous frequency). In this thesis, the influence of rotor length, disk axial location and the disk unbalance on the fluid induced vibrations of a shaft-disk-bearing system is studied. Experiments on a rotor kit and numerical computations are carried out on the same setup. Shaft vibration data is collected and analyzed using standard instrumentations and computer software. This data is exported to spread sheet for further processing and extracting more results. In the numerical computations, a finite element software is used for mathematically modeling of the shaft, disk and bearings. The software has produced stiffness and damping maps for the bearings, the Campbell diagrams for the system and other plots used in the stability analysis. Results indicate a clear increasing effect of the disk location on the stability threshold and instability frequency. The instability frequency of whip is affected clearly by the disk location. The disk location is the strongest factor among the three. The effect of shaft length is to decrease both threshold and the instability frequency. The shaft length and disk location do not have any noticeable effect on the instability amplitude. Although mass unbalance produces IX order frequency vibration, this vibration influences the oil instability whose frequency is slightly less than 0.5X order. Explanation is found from the shaft average eccentricity ratio vector plots. The unbalance effect on the threshold is dependant on the disk location. The shaft average eccentricity ratio plot shows that the system demands more conservative conditions to stabilize, after it gets into instability. The threshold order is not consistent in many cases. The relation between the rotor speed and instability is found to be linear despite of the ramp (startup or shutdown) in the transient conditions for the whirl instability.



Item Type:Thesis (Masters)
Date:June 2004
Date Type:Completion
Subjects:Mechanical
Divisions:College Of Engineering Sciences > Mechanical Engineering Dept
Creators:Al-Shurafa, Ali M.
Committee Advisor:Sunar, Mehmet
Committee Members:Al-Nassar, Yaagoub Nassar and Kalyon, Muammer
ID Code:10343
Deposited By:KFUPM ePrints Admin
Deposited On:22 Jun 2008 17:02
Last Modified:26 Apr 2011 08:05

Repository Staff Only: item control page