Оценка осевой силы при оптимизации конструкции упорного подшипника турбокомпрессора

Турбокомпрессоры — важные компоненты современных двигателей внутреннего сгорания, которые обеспечивают значительное увеличение мощности и эффективности. С увеличением их производительности возрастает механическая нагрузка, действующая на элементы конструкции, в том числе и в осевом направлении. В связи с этим возникает задача оценки эффективности современных методов расчета осевой нагрузки. Выполнены оценка методов определения осевой нагрузки, действующей на упорный подшипник турбокомпрессора, и оптимизация конструкции трибосопряжений для достижения наилучших гидромеханических характеристик. При расчете осевых сил, действующих на ротор, использован аналитический метод контрольного объема, а также численное моделирование в коммерческом программном комплексе ANSYS Fluent. Показано, что эти методы допустимы для оценки осевой силы. Проведены параметрические исследования конструкции упорного подшипника с помощью ранее разработанного программного обеспечения. При изменении геометрических характеристик выявлены определенные зависимости, и определена наиболее эффективная конфигурация конструкции.
EDN: MOZQRW, https://elibrary/mozqrw

Литература

[1] Kirk R.G., Alsaeed A.A., Gunter E.J. Stability analysis of a high-speed automotive turbocharger. Tribol. Trans., 2007, vol. 50, no. 3, pp. 427–434, doi: https://doi.org/10.1080/10402000701476908

[2] Yang J., Gao Y., Liu Z. et al. A method for modeling and analyzing the rotor dynamics of a locomotive turbocharger. Nonlinear Dyn., 2016, vol. 84, no. 1, pp. 287–293, doi: https://doi.org/10.1007/s11071-015-2497-z

[3] Wang L., Bin G., Li X. et al. Effects of floating ring bearing manufacturing tolerance clearances on the dynamic characteristics for turbocharger. Chin. J. Mech. Eng., 2015, vol. 28, pp. 530–540, doi: https://doi.org/10.3901/CJME.2015.0319.034

[4] Fenely A., Pesiridis A., Andwari A. Variable geometry turbocharger technologies for exhaust energy recovery and boosting — a review. Renew. Sustain. Energy Rev., 2017, vol. 71, pp. 959–975, doi: https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.12.125

[5] Ying G., Meng G., Jing J. Turbocharger rotor dynamics with foundation excitation. Arch. Appl. Mech., 2009, vol. 79, no. 4, pp. 287–299, doi: https://doi.org/10.1007/s00419-008-0228-3

[6] Cao Z., Guo H., Cheng Z. et al. Nonlinear dynamics characteristics of a tilting pad journal bearing supported turbocharger. Nonlinear Dyn., 2024, vol. 112, no. 19, pp. 16941–16961, doi: https://doi.org/10.1007/s11071-024-09948-3

[7] Zhang Y., Wang W., Wei D. et al. Dynamic stability of unbalance induced vibration in a turbocharger rotor-bearing system with the nonlinear effect of thermal turbulent lubricating fluid film. J. Sound Vib., 2022, vol. 528, art. 116909, doi: https://doi.org/10.1016/j.jsv.2022.116909

[8] Elzahaby A.M., El-Agouz S.A., Nemnem A.F. et al. Investigation of the axial rotor thrust in centrifugal compressors. J. Eng. Res., 2019, vol. 3, pp. 11–18.

[9] Luddecke B., Nitschke P., Dietrich M. et al. Unsteady thrust force loading of a turbocharger rotor during engine operation. J. Eng. Gas Turbines Power, 2016, vol. 138, no. 1, art. 012301, doi: https://doi.org/10.1115/1.4031142

[10] Mutra R.R., Srinivas J., Reddy D.M. et al. Dynamic and stability comparison analysis of the high-speed turbocharger rotor system with and without thrust bearing via machine learning schemes. J. Braz. Soc. Mech. Sci. Eng., 2024, vol. 46, no. 5, art. 3016, doi: https://doi.org/10.1007/s40430-024-04892-0

[11] Dziubak T., Karzewski M. Operational malfunctions of turbochargers — reasons and consequences. Combustion Engines, 2016, vol. 164, no. 1, pp. 13–21, doi: https://doi.org/10.19206/CE-116484

[12] Lee I., Hong S., Kim Y. et al. Prediction of axial thrust load under turbocharger operating conditions. Trans. Korean Soc. Automot. Eng., 2016, vol. 24, no. 6, pp. 642–648, doi: https://doi.org/10.7467/ksae.2016.24.6.642

[13] Wang C., Yan R., Ding Z. et al. Experimental and simulation study on axial force variation of turbocharger. Acta Armamentarii, 2023, vol. 44, no. 1, pp. 307–315, doi: https://doi.org/10.12382/bgxb.2022.0045

[14] Gjika K., LaRue G.D. Axial load control on high-speed turbochargers: test and prediction. ASME Turbo Expo, 2008, pp. 705–712, doi: https://doi.org/10.1115/GT2008-50756

[15] Tianen J., Jaatinen-Varri A., Gronman A. et al. Validation of the axial thrust estimation method for radial turbomachines. Int. J. Rotating Mach., 2021, doi: https://doi.org/10.1155/2021/6669193

[16] Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. Москва, Энергия, 1977. 344 с.

[17] Задорожная Е.А., Худяков В.С., Сибиряков С.В. и др. Определение теплового состояния элементов турбокомпрессора поршневого двигателя. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2022, № 10, с. 11–25, doi: https://doi.org/10.18698/0536-1044-2022-10-11-25

[18] Nguyen-Scafer H. Rotordynamics of automotive turbochargers. Springer, 2015. 362 p.

[19] Рождественский Ю.В., Задорожная Е.А., Чернейко С.В. Модель расчета упорного подшипника скольжения с лазерным текстурированием несущей поверхности. Вестник ЮУрГУ. Сер. Математическое моделирование и программирование, 2015, т. 8, № 1, с. 5–23, doi: https://doi.org/10.14529/mmp150101

[20] Thiyagarajan J., Halldorf E., Fridh J. Transient thrust forces on a twin scroll turbocharger. ASME Turbo Expo, 2017, art. V008T26A009, doi: https://doi.org/10.1115/GT2017-63658

[21] Mishra H.P., Behera S.K. Design of herringbone grooved thrust bearing for locomotive turbocharger rotor. Eng. Res. Express, 2024, vol. 6, no. 2, art. 025558, doi: https://doi.org/10.1088/2631-8695/ad5303

[22] Дадаев С.Г. Нестационарные модели газодинамических подшипников со спиральными канавками. Ч. 2. Челябинск, Изд-во ЮУрГУ, 2000. 231 с.