The small turbocharger for the automotive application is designed to operate up to 200,000 rpm to increase system efficiency. Because of high rotation speed of turbocharger, floating ring bearing are widely adopted due to its low friction loss and high rotordynamic stability. This paper presents a linear and nonlinear analysis model for a turbocharger rotor supported by a semi-floating ring bearing. The rotordynamic model for the turbocharger rotor was constructed based on the finite element method and fluid film forces were calculated based on the infinitely short bearing assumption. In linear analysis, we considered fluid film force as stiffness and damping element and in nonlinear analysis, the fluid film force was calculated by solving the time dependent Reynolds equation. We verified the developed theoretical model by comparing to modal test results of test rotors. The analysis results show that there are two unstable modes, which are conical and cylindrical modes. These unstable modes appear as sub-synchronous vibrations in nonlinear analysis. In nonlinear analysis, frequency jump phenomenon demonstrated when vibration mode is changed from conical mode to cylindrical one. This jump phenomenon was also demonstrated in the test. However, the natural frequency measured in the test differs from those obtained using nonlinear analysis.
A rotordynamic system consists of components that undergo rotational motion. These components include shafts, impellers, thrust collars, and components that support rotation, such as bearings and seals. The motion of this type of rotating system can be modeled as two-dimensional motion and, accordingly, the equation of motion for the rotordynamic system can be represented using complex coordinates. The directional frequency response function (dFRF) can be derived from this complex coordinate system and used as an effective analytical tool for rotating machinery. However, the dFRF is not widely used in the field because most previous studies and commercial software are based on real coordinate systems. The objective of the current study is to introduce the dFRF and show that it can be an effective tool in rotordynamic analysis. In this study, the normal frequency response function (nFRF) and dFRF are compared under rotordynamic analysis for isotropic and unisotropic rotors. Results show that in the nFRF, the magnitude of the response is the same for both positive and negative frequencies, and the response is similar under all modes. Consequently, the severity of the mode cannot be identified. However, in the dFRF, the forward and backward modes are clearly distinguishable in the frequency domain of the isotropic rotor, and the severity of the mode can be identified for the unisotropic rotor.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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2005.06a
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pp.280-283
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2005
This study performed by a previous research for the applying expert system to active vibration control algorithm. In order to increase productivity and efficiency, high-speed rotating machines become popular these days. They are likely to vibrate and cause machine failure even though they have small unbalance. Therefore, a high-speed rotating machine needs a balancing technique. ISO 11342 classifies flexible rotors in accordance with their balancing requirements and establishes methods of assessment of residual unbalance. But, even if they finished balancing work, they have harmful effect vibration under the high-speed rotating environment. This vibration effect is very small, but it must be removed for the improvement of the rotor's spin accuracy. This paper introduces a new active control method that remove the exciting force by a phase control. For this method, the high-speed rotating rotor was reconstructed by a flexible rotor model. The forces which excite the rotating system suppose cyclic forces, we obtain the responses by numerical method. And then through the pattern analysis about the vibraton responses, the controler generate the control force with the reverse phase and similar magnitude. This paper suggest an phase control method and shows how to improve the rotating vibration accuracy of the flexible rotor dynamics system using phase control method.
In this paper, the effect of oil conditions in rotor dynamic behaviors of a FFRB (Fully-Floating Ring Bearing) is investigated. Through the characteristic of a FFRB has two films, it has several advantages such as less friction loss and better stability over a wide speed range. However, it is difficult to supply a oil to the inner film. Thus, turbocharger makers have been paid significant attention to the lubrication of a FFRB because of its importance. This work focuses on the influence of oil inlet pressure and temperature. The methodologies of computational simulation and experimental test were used to estimate the rotor dynamic behaviors. In experimental test, the single-scroll turbocharger for the 1.4L diesel engine was used. The results show that the oil inlet pressure and temperature will place considerable influence on the rotor response. Oil conditions affect RSR (Ring Speed Ratio) which is cause of sub-synchronous vibrations, which also cause of oil whirling and whip even a critical speed. At higher speed range, the phenomenon of self-excited vibrations which is cause of instability of fluid whirl is investigated through the orbit shapes that consist of small orbit and large amplitude orbit. It is shown that some performance of a FFRB can be controlled by the conditions of oil supply. Finally, it was revealed that the oil induced operating conditions will strongly affect the turbocharger rotor dynamics behaviors.
KIM, CHUL-KYU;LEE, SANG-MOON;JEON, SEOK-YUN;YOON, JOON-YONG;JANG, CHOON-MAN
Journal of Hydrogen and New Energy
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v.27
no.5
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pp.547-553
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2016
This paper presents the effect of a grid system on the performance of a small Savonius wind turbine installed side-by-side. Turbine performance is compared using three different grid systems; tetrahedral grid having a concentrated circular grid around turbine rotors, the tetrahedral grid having a concentrated rectangular grid around turbine rotors and the symmetric grid having a concentrated tetrahedral grid near the turbine rotor blades and a hexahedral grid. The commercial code, SC/Tetra has been used to solve the three-dimensional unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes analysis in the present study. The Savonius turbine rotor has a rotational diameter of 0.226m and an aspect ratio of 1.0. The distance between neighboring rotor tips keeps the same length of the rotor diameter. The variations of pressure and power coefficient are compared with respect to blade rotational angles and rotating frequencies of the turbine blade. Throughout the comparisons of three grid systems, it is noted that the symmetric grid having a concentrated tetrahedral grid near the turbine rotor blades and a hexahedral grid has a stable performance compared to the other ones.
A non-linear numerical simulation technique for predicting the unsteady performances of an airbreathing engine is developed. The study focuses on the simulation of integrated propulsion systems, where a closer coupling is needed between the airframe and the engine dynamics. In fact, the solution of the fully unsteady flow governing equations, rather than a lumped volume gas dynamics discretization, is essential for modeling the coupling between aero-servoelastic modes and engine dynamics in highly integrated propulsion systems. This consideration holds for any propulsion system when a full separation between the fluid dynamic time-scale and engine transient cannot be appreciated, as in the case of flow instabilities (e.g., rotating stall, surge, inlet unstart), or in case of sudden external perturbations (e.g., gas ingestion). Simulations of the coupling between external and internal flow are performed. The flow around the nacelle and inside the engine ducts (i.e., air intakes, nozzles) is solved by CFD computations, whereas the flow evolution through compressor and turbine bladings is simulated by actuator disks. Shaft work balance and rotor dynamics are deduced from the estimated torque on each turbine/compressor blade row.
In the present study, an aerodynamic design optimization of UAV rotor blades was conducted using a genetic algorithm(GA) coupled with computational fluid dynamics(CFD). To reduce computational cost in making databases, a function approximation was applied using artificial neural networks(ANN) based on a radial basis function network. Three dimensional Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS) solver was used to solve the flow around UAV rotor blades. Design directions were specified to maximize thrust coefficient maintaining torque coefficient and minimize torque coefficient maintaining thrust coefficient. Design variables such as twist angle, thickness and chord length were adopted to perform a planform optimization. As a result of an optimization regarding to maximizing thrust coefficient, thrust coefficient was increased about 4.5% than base configuration. In case of an optimization minimizing torque coefficient, torque coefficient was decreased about 7.4% comparing with base configuration.
Jo, Chul-Hee;Kim, Do-Youb;Lee, Kang-Hee;Rho, Yu-Ho;Kim, Kook-Hyun
New & Renewable Energy
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v.7
no.3
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pp.92-100
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2011
With the increased demand of clean energy and global warming measures, the renewable energy development has been increased recently. The TCP (Tidal Current Power) is one of the ocean renewable energy sources. Having the high tidal energy source in Korea, there are many potential TCP sites with strong current speed. The rotor, which initially converts the energy, is a very important component because it affects the efficiency of the entire system. The rotor performance is determined by various design parameters including number of blades, shape, sectional size, diameters and etc. However, the interactions between devices also contribute significantly to the energy production. The rotor performance considering the interaction needs to be investigated to predict the exact power in the farm. This paper introduces the optimum design of TCP turbine and the performance of devices considering the interference between rotors.
Kim, Dong-Hyun;Jung, Se-Un;Koo, Kyo-Nam;Kim, Sung-Jun;Kim, Sung-Chan;Lee, Ju-Young;Choi, Ik-Hyeon;Lee, Jung-Jin
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.15
no.1
s.94
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pp.63-71
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2005
In this study, structural vibration analyses of a composite smart unmanned aerial vehicle (UAV) have been conducted considering dynamic hub-loads of tilt-rotor. Practical computational structural dynamics technique based on the finite element method is applied using MSC/NASTRAN. The present smart UAV(TR-S2) structural model is constructed as full 3D configurations with both the helicopter flight mode and the airplane flight mode. Modal based transient response and frequency response analyses are used to efficiently investigate vibration characteristics of structure and installed electronic equipments. It is typically shown that the helicopter flight mode with the 90-deg tilting angle is the most critical case for the induced vibration of installed electronic equipments in the front.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.14
no.12
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pp.1330-1337
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2004
In this study, the equations of motion of a rigid rotor supported by magnetic bearings are derived via Hamilton's principle, and transformed to a state-space form for control purpose. The optimal motion control of rotor magnetic bearing system based on the LQR(linear quadratic regulator) theory is addressed. New schemes related to the selection of the state weighting matrix Q and the control weighting matrix R involved in the quadratic functional to be minimized are proposed. And the robust control of the system with an LMI(linear matrix inequality) based H$_{\infty}$ theory is dealt with in this paper. Loop shapings of TFM (transfer function matrix) are used to increase the performance of control capability of the system. The control abilities of LQR and H$_{\infty}$ controller are compared by simulation and experimental tests and show that the capability of H$_{\infty}$ controller is superior to that of LQR.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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