Experimental investigation of ceramic ball bearings for microturbines

• Autorzy: Bagiński P. , Andrearczyk A. , Żywica G.

Warianty tytułu

PL

Badania eksperymentalne ceramicznych łożysk tocznych stosowanych w mikroturbinach

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This article presents the experimental research on ball bearings, which could be applied in vapour microturbines operating in CHP systems. The bearings are of three kinds, according to their constructional solution: 1. all-steel (all components are made of steel); 2. ceramic-steel-hybrid (ceramic balls, steel cage and races); 3. all-ceramic (the balls, as well as external and internal races, are made from ceramic silicon nitride - Si3N4, while the cage is made of PTFE). The test rig and the research method were discussed. In order to have a better picture of vibrations of the rotor-bearing system, we applied the bearing system with a flexible rotor. That option entailed some difficulties, however. In each case, both the analysis of the ball bearings' properties and of the impact of ceramic components on the dynamic performance of the rotor was carried out. The results of these analyses are presented in the following forms: displacement amplitudes of the rotor, colormap graphs of the type Order Spectrum Analysis and three-dimensional vibration trajectories. The bearings were analysed on the basis of colormap graphs, while the analysis of the rotating rotor was conducted using graphs depicting 3D vibration trajectories and displacement amplitudes at the disk location. As a result of all this work that we have mentioned, useful information on the possible application of tested bearings for vapour microturbines has been gained.

PL

W artykule przedstawiono opis badań trzech rodzajów łożysk kulkowych, które mogłyby być zastosowane w mikroturbinach parowych pracujących w układach kogeneracyjnych. Rodzaje badanych łożysk to: stalowe, hybrydowe (kulki ceramiczne, bieżnie stalowe, koszyk stalowy, ceramiczne gdzie elementy takie jak bieżnie wew. i zew. oraz kulki zostały wykonane z azotku krzemu (Si3N4) a koszyk z PTFE. Opisano budowę stanowiska badawczego i metodę badań. Aby drgania układu wirnik - łożyska były lepiej widoczne zastosowano wiotki wirnik, co sprawiało dodatkowe trudności podczas badań. W każdym z przypadków porównano właściwości badanych łożysk tocznych oraz wpływ elementów ceramicznych na dynamikę wirnika. Wyniki te przedstawiono w formie przebiegów, histogramów (Order Spectrum Analysis) i wykresów trajektorii drgań. Na podstawie map ekspozycji przeprowadzono analizę łożysk natomiast za pomocą przebiegów amplitudy przemieszczenia dysku i trajektorii 3D analizę wirującego wiotkiego wirnika. W rezultacie oceniono możliwość zastosowania badanych łożysk w mikroturbinach parowych.

Słowa kluczowe

EN

ball bearing; ceramic bearing; hybrid bearing; rotor dynamics

PL

łożysko kulkowe; łożysko ceramiczne; łożysko hybrydowe; dynamika wirnika

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Diagnostyki Technicznej
• Czasopismo: Diagnostyka
• Rocznik: 2017
• Tom: Vol. 18, No. 1
• Strony: 51--58
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Bagiński P.

• Institute of Fluid Flow Machinery, Polish Academy of Science

autor

Andrearczyk A.

• Institute of Fluid Flow Machinery, Polish Academy of Science

autor

Żywica G.

• Institute of Fluid Flow Machinery, Polish Academy of Science

Bibliografia

• 1. Zywica G, Kicinski J, Kaczmarczyk TZ, Ihnatowicz E, Turzynski T, Bykuc S. Prototype of the domestic CHP ORC system : construction and experimental research. 3rd Int. Semin. on ORC Power Syst. ASME ORC 2015, Brussels (Belgium), Oct. 12-14, no. 2011, p. Paper ID: 58, Page 1-9, 2015.
• 2. Kaczmarczyk TZ, Ihnatowicz E, Bykuć S, Żywica G, Kozanecki Z. Experimental investigation of the orc system in a cogenerative domestic power plant with a microturbine and an expansion valve. ASME ORC 2013, 2nd Int. Semin. ORC Power Syst. Oct. 7th - 8th, 2013, Doelen, Rotterdam, Netherlands.
• 3. Kaczmarczyk TZ, Zywica G, Ihnatowicz E. Experimental investigation of a radial microturbine in organic Rankine cycle system with hfe7100 as working fluid. 3rd International Seminar on ORC Power Systems, ASME ORC 2015, Brussels (Belgium), October 12-14, 2015.
• 4. Ihnatowicz E, Kaczmarczyk TZ, Żywica G. Vibroacoustic diagnostics of a radial microturbine and a scroll expander operating in the organic Rankine cycle installation. Jve - International Journal of Vibroengineering, 2016; 18(6): 4130-4147.
• 5. Howard AS. Rotordynamics and Design Methods of an Oil-Free Turbocharger’, no. January, 1999.
• 6. Kiciński J, Zywica G. Steam microturbines in distributed cogeneration. Steam Microturbines in Distributed Cogeneration, 2014: 1-219.
• 7. Kiciński J. Rotor dynamics. Gdańsk: IMP PAN Publishers, 2006.
• 8. Beach WP, Dell J. Ceramic Technology Insertion, 1995: 1-12.
• 9. Adachi K, Kato K, Chen N. Wear map of ceramics. Wear, 1997; 203-204: 291-301.
• 10. Hsu SM. Shen M. Wear prediction of ceramics. Wear, 2004; 256(9-10): 867-878.
• 11. Ohta H, Kobayashi K. Vibrations of Hybrid Ceramic Ball Bearings. J. Sound Vib. 1996; 192(2): 481-493.
• 12. Nosaka M, Oike M, Kikuchi M, Mayumi T. TriboCharacteristics of Cryogenic Hybrid Ceramic Ball Bearings for Rocket Turbopumps: Self-Lubricating Performance. Tribol. Trans., 1997; 40(1):21-30.
• 13. Nosaka M, Kikuchi M, Oike M, Kawai N. TriboCharacteristics of Cryogenic Hybrid Ceramic Ball Bearings for Rocket Turbopumps : Bearing Wear and Transfer Film, 1999; 42(1): 106-115.
• 14. Tanimoto K, Kajihara K, Yanai K. Hybrid Ceramic Ball Bearings for Turbochargers. SAE International, 2000.
• 15. Shoda Y, Ijuin S, Aramaki H, Yui H, Toma K. The Performance of a Hybrid Ceramic Ball Bearing Under High Speed Conditions with the Under-Race Lubrication Method. Tribol. Trans., 1997; 40(1): 676-684.
• 16. Hosang G. Results and design techniques from the application of ceramic ball bearings to the Meradcom 10 kW turbine. 23rd Joint Propulsion Conference, American Institute of Aeronautics and Astronautics, 1987.
• 17. Bagiński P, Breńkacz Ł. Experimental and simulational modal analysis of the supporting structure of the test rig designed for testing small rotors, which was conducted using electromagnetic vibration exciters. Comparison with the results of the analysis carried out with the use of an impact hammer., Gdańsk, IMP PAN internal report no. 140/2012, 2012. Polish.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).