Modelling of hydrodynamic bearings with surface texturing effects

Orientador: Gregory Bregion DanielDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: É crescente a demanda por máquinas e equipamentos mais eficientes quanto ao consumo energético, uma vez que as legislações ambiental e de eficiência energética têm pressionado de forma crescente os fabricantes das mesmas. Neste contexto, o mancal hidrodinâmico radial apresenta-se como um componente de máquinas rotativas com grandes oportunidades de melhoria de projeto para redução da energia dissipada em seu fluido lubrificante. Recentemente a texturização da superfície interna de mancais tem sido uma abordagem explorada no intuito de alcançar melhorias não somente nesta dissipação viscosa como também na sustentação hidrodinâmica no componente. Assim, o objetivo do presente trabalho foi desenvolver códigos computacionais eficientes para investigação do efeito da inserção de texturas na superfície de mancais hidrodinâmicos sobre seu funcionamento, definindo ainda parâmetros adequados de texturização para as condições estática e dinâmica de carregamento do componente. Para tanto, a equação clássica de Reynolds com condição de fronteira de cavitação de Swift-Stieber foi adotada e sua discretização foi realizada pela aplicação do Método dos Volumes Finitos (MVF). O sistema de equações resultante é resolvido por um algoritmo Full Multigrid (FMG). Foram estudados os valores mais adequados para os parâmetros da técnica numérica de multiníveis para, em seguida, explorar os efeitos das texturizações parcial e total da superfície do mancal sobre suas principais características estáticas. Os resultados mostram a necessidade por uma seleção adequada principalmente do número de níveis utilizados na técnica multiníveis de modo que mesmo o nível com a malha mais grosseira ainda seja capaz de detectar com nitidez as texturas na superfície do componente. As simulações com mancais texturizados em condição estática de carregamento mostraram que as condições de operação influenciam de forma significativa os efeitos dos parâmetros de texturas, para as texturizações completa e parcial, e que é possível obter ganho de sustentação e/ou redução da perda viscosa no componente através dos adequados posicionamento e especificação das características geométricas das texturas. Mancais com texturizações projetadas em condição estática de carregamento mantêm as melhorias atingidas na sustentação hidrodinâmica e/ou dissipação viscosa quando empregados em sistemas rotativos com pequeno desbalanceamento de massaAbstract: The demand for more efficient machines and equipment regarding energy consumption is growing since environmental and energy efficiency legislations have increasingly pressured their manufacturers. In this context, the radial hydrodynamic bearing is a component of rotary machines with great opportunities for design improvement in order to reduce the energy dissipated in its lubricating fluid. Recently, the texturing of the hydrodynamic bearings¿ internal surface has been an explored approach with the intention of achieving improvements not only in its viscous dissipation but also in the component¿s load carrying capacity. In this sense, the aim of the present work was to develop efficient computational codes in order to investigate the effect of texturing the surface of hydrodynamic bearings on their operation and also find adequate texturing parameters for both static and dynamic load conditions of the component. In order to achieve that, the classical Reynolds equation with the Swift-Stieber cavitation boundary condition were adopted and its discretization was performed by applying the Finite Volume Method (FVM). The resulting system of equations is solved by means of a Full Multigrid (FMG) algorithm. The adequate values for the numerical technique of multigrid parameters were studied and then the effects of partial and full texturing of the bearing surface on its main static characteristics were explored. The results show a need for an appropriate choice of the number of levels used in the multigrid technique so that even the level with the coarsest mesh still able to clearly detect the surface textures on the component¿s surface. Numerical simulations with surface textured hydrodynamic bearings under static load conditions showed that operating conditions significantly influence the effects of textures parameters, for both full and partial texturing, and that is possible to achieve a greater load carrying capacity and / or reduced viscous loss through proper textures positioning and specification of their geometric characteristics. Hydrodynamic bearings with surface textures designed for the static load condition maintain the improvements achieved in load carrying capacity and / or viscous dissipation when used in rotary systems with low level of mass unbalanceMestradoMecanica dos Sólidos e Projeto MecanicoMestre em Engenharia Mecânica33003017CAPE