The paper presents the optimal design of a oil-free two-stage compressor, which is driven by 75 kW motor at an operating speed of 39,000 rpm, and the pressure ratio of which is up to 4. First, an attempt is made to obtain the optimal design of a bump bearing which supports a compressor rotor. Second, bump bearings and shaft are considered simultaneously, and the weighted sum of rotor weight and frictional torque is minimized. Finally, the optimal geometry of compressor wheel is considered. The mean efficiency and the - minimum efficiency are maximized respectively. The results presented in this paper provide important design information necessary to reduce the energy loss.
This paper presents the friction and anti-wear characteristics of nano-oil with a mixture of a refrigerant oil and carbon nano-particles in the thrust slide-bearing of scroll compressors. Frictional loss in the thrust slide-bearing occupies a large part of total mechanical loss in scroll compressors. The characteristics of friction and anti-wear using nano-oil are evaluated using the thrust bearing tester for measuring friction surface temperature and the coefficient of friction at the thrust slide-bearing as a function of normal loads up to 4,000 N and orbiting speed up to 3,200 rpm. It is found that the coefficient of friction increases with decreasing orbiting speed and normal force. The friction coefficient of carbon nano-oil is 0.015, while that of pure oil is 0.023 under the conditions of refrigerant gas R-22 at the pressure of 5 bars. It is believed that carbon nano-particles can be coated on the friction surfaces and the interaction of nano-particles between surfaces can be improved the lubrication in the friction surfaces. Carbon nano-oil enhances the characteristics of the anti-wear and friction at the thrust slide-bearing of scroll compressors.
Numerical investigation of the groove trap effect with variation in the groove-edge radius of curvature is presented here. The trap effect is evaluated in a two-dimensional sliding bearing using computational fluid dynamics (CFD). This simulation is based on the discrete phase model (DPM) and standard k - ε turbulence model using commercial CFD software, FLUENT. The numerical results are evaluated by comparisons with streamlines and particle trajectories in the grooves. Grooves are applied to various lubrication systems to improve their lubrication characteristics, such as load carrying capacity increment, leakage reduction, frictional loss reduction, and preventing three-body abrasive wear due to trapping effect. This study investigates the grove trapping effect for various groove-edge radius of curvature values and Reynolds numbers. The particle is assumed to be made of steel, with a circular shape, and is injected as a single particle in various positions. One-way coupling is used in the DPM model because the single particle injection condition is applied. Further, the "reflect" condition is applied to the wall boundary and "escape" condition is used for the "pressure inlet" and "pressure outlet" boundaries. From the numerical results, the groove edge radius is found to influence the groove trap effect. Moreover, the groove trap effect is more effective when applying the groove edge radius.
This study analyzes the thermal effects on the performance of an air foil thrust bearing (AFTB) using COMSOL Multiphysics to approximate actual bearing behavior under real conditions. An AFTB is a sliding-thrust bearing that uses air as a lubricant to support the axial load. The AFTB consists of top and bump foils and supports the rotating disk through the hydrodynamic pressure generated by the wedge effect from the inclined surface of the top foil and the elastic deformation of the bump foils, similar to a spring. The use of air as a lubricant has some advantages such as low friction loss and less heat generation, enabling air bearings to be widely used in high-speed rotating systems. However, even in AFTB, the effects of energy loss due to viscosity at high speeds, interface frictional heat, and thermal deformation of the foil caused by temperature increase cannot be ignored. Foil deformation derived from the thermal effect influences the minimum decay in film thickness and enhances the film pressure. For these reasons, performance analyses of isothermal AFTBs have shown few discrepancies with real bearing behavior. To account for this phenomenon, a thermal-fluid-structure analysis is conducted to describe the combined mechanics. Results show that the load capacity under the thermal effect is slightly higher than that obtained from isothermal analysis. In addition, the push and pull effects on the top foil and bump foil-free edges can be simulated. The differences between the isothermal and thermal behaviors are discussed.
Kim, Chang-Up;Choi, Kyo-Nam;Kang, Kern-Yong;Park, Cheol-Woong
Journal of ILASS-Korea
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v.16
no.1
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pp.1-6
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2011
In recent years, the need for more fuel-efficient and lower-emission vehicles has driven the technical development of alternative fuels such as LPG (Liquefied Petroleum Gas) which is able to meet the limits of better emission levels without many modifications to current engine design. LPG has a high vapor pressure and lower viscosity and surface tension than diesel and gasoline fuels. These different fuel characteristics make it difficult to directly apply the conventional gasoline or diesel fuel pump. Self acting lubricated groove design or coating can be used in high-speed and high precision spindle system like a roller-vane type fuel pump, because of its advantages such as low frictional loss, low heat generation, averaging effect leading better running accuracy and simplicity in manufacturing. Those design method can also affect the atomization of fuel from the injector and the formation of fuel film on the intake manifold. In this study, experiments are carried out to get performance characteristics of initial and steady state operation, The characteristics of vane type fuel pump were investigated to access the applicability on LPLi engine.
International Journal of Air-Conditioning and Refrigeration
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v.16
no.4
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pp.124-129
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2008
Design practice has been made on an oil-less scroll air compressor as an air supply device for a 2 kW fuel cell system where air pressure of 2 bar and flow rate of 120 liter/min are required. Basic structure of the scroll compressor includes double-sided scroll wrap for the orbiting scroll driven by two crankshafts connected to each other by a timing belt. These features can eliminate thrust surface which otherwise would produce frictional heat and jeopardize reliable operation of the orbiting scroll and the scroll element's deformation as well. This study focuses on optimum scroll wrap design; orbiting radius has been chosen as an independent design parameter. As the orbiting radius changes, scroll sizes such as scroll base plate and discharge port diameters change accordingly. Gas compression-related losses and mechanical loss also change with the orbiting radius. With a scroll base plate diameter of 120mm at most and discharge port of at least 10mm, the orbiting radius should be within the range of 2.5-4.0mm. With this range of the orbiting radius, it was estimated by performance analysis that the compressor efficiency reached to a maximum of ${\eta}_c$=96% at the orbiting radius of $r_s$=3.5mm for the scroll wrap height-to-thickness ratio of h/t=5.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.29
no.1
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pp.121-125
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2012
This paper presents the friction and anti-wear characteristics of nano-oil with a mixture of a refrigerant oil and carbon nano-particles in the thrust slide-bearing of scroll compressors. Frictional loss in the thrust slide-bearing occupies a large part of total mechanical loss in scroll compressors. The characteristics of friction and anti-wear using nano-oil is evaluated using the thrust bearing experimental apparatus for measuring friction surface temperature and the coefficient of friction at the thrust slide-bearing as a function of normal loads up to 4,000 N and rotating speed up to 3,200 rpm. It is found that the coefficient of friction increases with decreasing rotating speed and normal force. The friction coefficient of carbon nano-oil is 0.023, while that of pure oil is 0.03 under the conditions of refrigerant gas R-22 at the pressure of 5 bars. It is believed that carbon nano-particles can be coated on the friction surfaces and the interaction of nano-particles between surfaces can be improved the lubrication in the friction surfaces. Carbon nano-oil enhances the characteristics of the anti-wear and friction at the thrust slide-bearing of scroll compressors.
This paper presents the friction and anti-wear characteristics of nano-oil with n mixture of a refrigerant oil and carbon nano-particles in the thrust slide-bearing of scroll compressors. Frictional loss in the thrust slide-bearing occupies a large part of total mechanical loss in scroll compressors. The characteristics of friction and anti-wear Lising nano-oil is evaluated using the thrust bearing tester for measuring friction surface temperature and the coefficient of friction at the thrust slide-bearing as a function of normal loads up to 4,000 N and orbiting speed up to 3,200 rpm. It is found that the coefficient of friction increases with decreasing orbiting speed and normal force. The friction coefficient of carbon nano-oil is 0.015, while that of pure oil is 0.023 under the conditions of refrigerant gas R-22 at the pressure of 5 bars. It is believed that carbon nano-particles can be coated on the friction surfaces and the interaction of nano-particles between surfaces can be improved the lubrication in the friction surfaces. Carbon nano-oilenhances the characteristics of the anti-wear and friction at the thrust slide-bearing of scroll compressors.
This application study of a swash-plate type axial piston pump was concerned about the lubrication characteristics between cylinder barrel and valve plate which are the main rotating body and its opposite sliding part respectively. A computer simulation was implemented to assess bearing and sealing functions of the fluid film between cylinder barrel and valve plate. A numerical algorithm was developed to facilitate simultaneous calculations of dynamic cylinder pressure, 3 degree-of-freedom barrel motions considering inertia effect, and fluid film pressure assuming full fluid film lubrication regime. Central clearance, tilt angle, and azimuth angle of the rotating body were calculated for each time step. Surface waviness was found to be an influential factor due to the small fluid film thickness which can appear in flat land bearings. Five surface lays which can form on the lubrication surface in accordance with machining process were defined and analyzed using the simulation tool. Oil leakage flow and frictional torque in the fluid film between cylinder barrel and valve plate were also calculated to discuss in the viewpoint of energy loss. The simulation results showed that in actual sliding conditions proper surface non-flatness can make a positive effect on the energy efficiency and reliability of the thrust bearing.
Multi-anvil press (MAP) is one of the high pressure apparatuses and often generates the pressure-conditions ranging from 5 to 25 GPa and temperature-conditions up to $2,300^{\circ}C$. The MAP is, therefore, suitable to explore the pressure-induced structural changes in diverse earth materials from Earth's mantle and the bottom of the mantle transition zone (~660 km). In this study, we present the experimental results for pressure-load calibration of the 1,100-ton multi-anvil press equipped in the authors' laboratory. The pressure-load calibration experiments were performed for the 14/8 step, 14/8 G2, 14/8 HT, and 18/12 assembly sets. The high pressure experiments using ${\alpha}$-quartz, wollastonitestructure of $CaGeO_3$, and forsterite as starting materials were analyzed by powder X-ray diffraction spectroscopy. The phase transition of each mineral indicates the specific pressure that is loaded to a sample at $1,200^{\circ}C$: a transition of ${\alpha}$-quartz to coesite at 3.1 GPa, that of garnet-structure of $CaGeO_3$ to perovskite-structure at 5.9 GPa, that of coesite to stishovite at 9.2 GPa, and that of forsterite to wadsleyite at 13.6 GPa. While the estimated pressure-load calibration curve is generally consistent with those obtained in other laboratories, the deviation up to 50 tons is observed at high pressure above 10 GPa. This is partly because of the loss of oil pressure at high pressure resulting from the differences in a sample chamber, and the frictional force between pressure medium and second anvil. We also report the ${\sim}200^{\circ}C/mm$ of thermal gradient in the vertical direction of the sample chamber of 14/8 HT assembly. The pressure-load calibration curve and the observed thermal gradient within the sample chamber can be applied to explain the structural changes and the relevant macroscopic properties of diverse crystalline and amorphous earth materials in the mantle.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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