Θερμο-υδροδυναμική ανάλυση εδράνων ολίσθησης λιπαινόμενων με βιομηχανικά και περιβαλλοντολογικά λιπαντικά

• Κύριος συγγραφέας: Κύρκου, Μαρία-Ελένη
• Άλλοι συγγραφείς: Νικολακόπουλος, Παντελής
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2019
• Θέματα: Υπολογιστική ρευστομηχανική; Θερμο-υδροδυναμική λίπανση; Θερμοκρασία; Αδιαβατικά έδρανα; Ισόθερμα έδρανα; Computational fluid dynamics (CFD); Thermo-hydrodynamic lubrication; Temperature; Adiabatic bearings; Isothermal bearings

Τα έδρανα ολίσθησης αποτελούν στοιχεία μηχανών με ευρεία εφαρμογή στις περιστρεφόμενες μηχανές, όπως σε φυγοκεντρικές αντλίες, μηχανές αυτοκινήτων, αεροσκαφών, προωθητικών συστημάτων πλοίων κτλ. . Κατά τη λειτουργία τους, ο άξονας περιστρέφεται σε μια έκκεντρη θέση μέσα στον κύλινδρο του εδράνου, προκαλώντας την έκλυση θερμότητας λόγω της ιξώδους διάτμησης που υφίσταται το λιπαντικό. Η θερμότητα αυτή οδηγεί σε αύξηση της θερμοκρασίας στο εσωτερικό του εδράνου, επηρεάζοντας έτσι τις χαρακτηριστικές ιδιότητες του λιπαντικού όπως το ιξώδες, οδηγώντας σε απώλεια μηχανικής απόδοσης και καθιστώντας ταυτόχρονα τη φθορά πιο πιθανή. Ο έλεγχος αυτής της εκλυόμενης θερμότητας με την κατάλληλη επιλογή λιπαντικού και τη διατήρηση της θερμοκρασίας σε συγκεκριμένο εύρος τιμών, προκειμένου το λιπαντικό φιλμ να διατηρεί τις ιδιότητές του, αποτελεί αντικείμενο μελέτης ιδιαίτερης σημασίας κατά τον σχεδιασμό εδράνων ολίσθησης. Η συγκεκριμένη διπλωματική εργασία φιλοδοξεί να παρουσιάσει μία ολοκληρωμένη θερμο-υδροδυναμική μελέτη των εδράνων ολίσθησης, μελετώντας τόσο τις αναπτυσσόμενες κατά τη λειτουργία τους πιέσεις, όσο και τις μεταβολές της θερμοκρασίας που προκύπτουν στο εσωτερικό τους. Αρχικά παρατίθεται η απαραίτητη θεωρία για την αποσαφήνιση βασικών εννοιών στον τομέα της λίπανσης. Ορίζεται η γεωμετρία του εδράνου ολίσθησης και σημειώνονται οι βασικές αρχές της υδροδυναμικής λίπανσης. Αποδεικνύονται οι εξισώσεις Reynolds και Navier-Stokes, ενώ παρατίθεται η απαιτούμενη θεωρία για τους μηχανισμούς μεταφοράς θερμότητας στα έδρανα ολίσθησης . Ακολουθεί ο ορισμός της εξίσωσης ενέργειας μαζί με τις παραδοχές και τα μοντέλα συνοριακών συνθηκών που χρησιμοποιούνται για την επίλυση του προβλήματος του εδράνου. Η θεωρία ολοκληρώνεται με την παράθεση μιας αναλυτικής στατικής και θερμικής επίλυσης των εδράνων ολίσθησης. Τα έδρανα ολίσθησης ανάλογα με τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά τους (μήκος και διάμετρος) διακρίνονται σε στενά, σε πεπερασμένου μήκους και σε απείρου μήκους έδρανα. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, όσον αφορά τα στενά και απείρου μήκους έδρανα, μελετώνται στατικά οι περιπτώσεις απλών επίπεδων εδράνων ολίσθησης, αλλά και εδράνων ολίσθησης που διαθέτουν αξονική αυλάκωση για την καλύτερη κατανομή του λιπαντικού στα τοιχώματα του εδράνου. Η στατική αναλυτική μελέτη τους συνοδεύεται από την αντίστοιχη αναλυτική θερμική μελέτη, καταλήγοντας σε εκτίμηση του ποσού θερμότητας που εκλύεται λόγω τριβής και σε ορισμένες περιπτώσεις (περίπτωση στενού εδράνου) σε εκτίμηση της κατανομής της θερμοκρασίας και γενικότερα της μεταβολής της στο εσωτερικό του. Η αναλυτική επίλυση των εδράνων ολίσθησης γράφτηκε έπειτα μέσω απλών εντολών στο πρόγραμμα Matlab και τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με δημοσιευμένα αποτελέσματα των Zhou et al (2017) και των Dammak et al (2010). Όσον αφορά το έδρανο πεπερασμένου μήκους, προσομοιώνεται και μελετάται εκτενώς χρησιμοποιώντας το υπολογιστικό πακέτο Ansys, τα αποτελέσματα του οποίου επίσης επαληθεύονται με δημοσιευμένα αποτελέσματα των Zhou et al (2017) και των Brito et al (2006). Ακολουθεί η δημιουργία του χάρτη ισορροπίας του εδράνου ολίσθησης που εξετάζεται, και έπειτα κάνοντας χρήση των στατικών θέσεων ισορροπίας του άξονα που προκύπτουν, το μοντέλο του εδράνου εισάγεται στο Fluent όπου μελετάται η συμπεριφορά του λιπαντικού κατά την επιβολή διαφόρων φορτίων στο έδρανο. Στη μελέτη αυτή συνυπολογίστηκε η επίδραση των διαφόρων θερμικών φαινομένων που δρουν στα έδρανα, ενώ εξετάστηκε η συμπεριφορά των εδράνων κατά τη λειτουργία τους που λιπαίνονται τόσο με βιομηχανικά, όσο και με περιβαλλοντολογικά λιπαντικά. Τέλος, αξιολογούνται τα αποτελέσματα που προκύπτουν τόσο από την αναλυτική λύση όσο και από το αριθμητικό μοντέλο του εδράνου και εξάγονται σημαντικά συμπεράσματα για το σχεδιασμό τους.Βιβλιογραφία 1.Zhou W., Wei X., Wang L., Wu G., (2017), A superlinear iteration method for calculation of finite length journal bearing’s static equilibrium position, Royal Society Open Science 4. 2.Dammak L., Hadj-Taïeb E., (2010), Finite Element Analysis of Elastohydrodynamic Cylindrical Journal Bearing, Tech Science Press, 6, pp 419-429 3.Brito F.P., Bouyer J., Fillon M., A.S. Miranda, (2006), Thermal Behavior and Performance Characteristics of a Twin Axial Groove Journal Bearing as a Function of Applied Load and Rotational Speed, 5th International Conference on Mechanics and Materials in Design, Porto, Portugal