Rotor dynamic models for the study of the interactions among rotors and foundations

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1 ASSEGNO RI RICERCA DECORRENZA 1/1/2014 Responsabile Ing. Andrea RINDI Programma di Ricerca 1: Modelli rotordinamici per lo studio delle interazioni fra rotori e basamento L attività di ricerca si inserisce nell ambito del progetto ATENE (Advanced Technologies for ENergyEfficiency) ) finanziato dalla Regione Toscana - POR CReOfesr linee di attività 1.5a e Bando Unico R&S 2012 di cui l azienda Nuovo Pignone di Firenze è capofila Tale progetto ha come scopo il miglioramento dell efficienza di turbomacchine e macchine alternative impiegate nel settore Oil&Gas. Il miglioramento dell efficienza, da intendersi anche come incremento di densità di potenza e riduzione dell impatto ambientale di tutto il processo produttivo e di testing, è perseguito tramite un approccio strutturato per discipline. In particolare l attività di ricerca in questione prevede lo sviluppo di modelli rotordinamici per lo studio delle interazioni fra rotori e basamento, delle interazioni flesso-torsionali e per l analisi dell interazione fra rotori e fra cuscinetti di supporto. Nell ambito dell attività di ricerca particolare attenzione sarà di conseguenza dedicata alla modellazione fisica di cuscinetti (sia fluidodinamici che elettromagnetici), possibilmente approfondendo anche tematiche legate al loro controllo. I modelli sviluppati permetteranno di simulare la dinamica dei sistemi rotordinamici considerati in varie condizioni di funzionamento e garantiranno un elevato grado di accuratezza e di efficienza numerica. Rotor dynamic models for the study of the interactions among rotors and foundations ATENE (Advanced Technologies for ENergy Efficiency) project is founded by Regione Toscana - POR CReOfesr Bando Unico R&S 2012, NuovoPignone is leader project ( it has the goal of improving the efficiency of turbomachinery and reciprocating machines used in the field of Oil&Gas. The efficiency improvement, to be understood also as the increase of the power density and the reduction of the environmental impact of the entire production process and testing, is pursued through a structured approach of different disciplines.

2 More specifically, this research activity involves the development of rotor dynamic models for the study of the interactions among rotors and foundations, the bendingtorsion interactions and the analysis of the interactions among the rotors and the support bearings. Part of the research focus will therefore be devoted to the physical modelling of bearings (both fluid dynamic and electromagnetic), possibly deepening topics related to their control. The developed models will allow the simulation of the dynamics of the considered rotor dynamic systems in various working conditions and will ensure a high degree of accuracy and numerical efficiency.

3 ASSEGNO RI RICERCA DECORRENZA 1/1/2014 Responsabile Ing. Andrea RINDI Programma di Ricerca 2: Sviluppo di modelli rotordinamici nell ambito del Progetto ATENE L attività di ricerca si inserisce nell ambito del progetto regionale ATENE (Advanced Technologies for ENergyEfficiency)POR CReOfesr linee di attività 1.5a e Bando Unico R&S 2012 che prevede la collaborazione tra enti di ricerca, PMI e il soggetto capofila Nuovo Pignone Srlhttp:// La presente attività di ricerca verterà su uno dei principali Obiettivi Operativi indicati nel progetto, denominato Meccanica, nel cui ambito saranno studiate problematiche di dinamica dei rotori e strutture e sviluppati criteri avanzati di progettazione di fusioni di turbomacchine. Il programma di ricerca prevede lo sviluppo di modelli per lo studio delle seguenti problematiche riscontrate in rotordinamica: l analisi delle interazioni rotore-basamento, che rappresenta uno dei principali problemi aperti specialmente nell ambito di sistemi off-shore, le analisi di interazione flesso-torsionali con riferimento allo studio di macchine complesse composte da treni di rotori e lo studio dell interazione fra rotori e cuscinetti di supporto. Nell ambito dell attività di ricerca particolare attenzione sarà di conseguenza dedicata alla definizione delle caratteristiche di accoppiamento tra rotore e basamento e alla modellazione fisica sia dei giunti di accoppiamento che dei cuscinetti (sia fluidodinamici che elettromagnetici). I modelli sviluppati permetteranno di simulare la dinamica di sistemi rotordinamici complessi in varie condizioni di funzionamento, garantendo un elevato grado di accuratezza ed efficienza numerica. Development of rotor dynamic models as part of the ATENE Project The research activity deals with the ATENE regional project (Advanced Technologies for ENergy Efficiency) POR CReOfesr Bando Unico R&S 2012, that involves collaborations between research institutes, SMEs and the leader partner NuovoPignoneSrl. The goal of the ATENE project is to improve the efficiency of turbomachinery and reciprocating machines used in the Oil&Gas field.the increase of the power density and the reduction of the environmental impact of the entire production process will be pursued by means of a structured approach of different disciplines.

4 This research activity focused on One of the Operational Objectives of the project, named "Mechanics", where problems of rotor dynamics and structures will be studied and advanced criteria for the design of turbomachinery mergers will be developed. The research program involves the development of mathematical models to study the following main topics in rotor dynamic field: the interactions among rotors and foundation, one of the main open issue specially in off-shore systems, the bendingtorsion interactions with reference to complex machines composed of trains of rotors, and the analysis of the interactions among the rotors and the support bearings.therefore the research focus will deal with an accuracy definition of the rotorfoundation coupling, the physical modelling of gearboxes and bearings (both fluid dynamic and electromagnetic). The developed models will allow simulating the dynamics of the considered rotor dynamic systems in various working conditions ensuring a high degree of accuracy and numerical efficiency.

5 ASSEGNO RI RICERCA DECORRENZA 1/1/2014 Responsabile Ing. Andrea RINDI Programma di Ricerca 3: Sviluppo di modelli numerici per i sistemi ausiliari delle macchine rotanti Questo progetto di ricerca s inquadra all interno del progetto regionale ATENE (Advanced Technologies for ENergyEfficiency) finanziato dalla Regione Toscana - POR CReOfesr linee di attività 1.5a e Bando Unico R&S 2012 di cui l azienda Nuovo Pignone di Firenze è capofila ha come scopo il miglioramento dell efficienza di turbomacchine e macchine alternative impiegate nel settore Oil& Gas e IPG. Il miglioramento dell efficienza è da intendersi come incremento di densità di potenza e riduzione dell impatto ambientale di tutto il processo produttivo e di testing (all interno di Obiettivo Operativo 4: Mechanical ). Il tema di ricerca ha come focus lo studio e la modellazione dei sistemi ausiliari (cuscinetti e circuiti di lubrificazione) delle macchine rotanti. Più in particolare l attività mira a collegare gli aspetti tipici della lubrificazione con i problemi classici della rotordinamica. Per questo la ricerca analizzerà gli aspetti di modellazione fluidodinamica considerando il sistema ausiliario come formato da due entità in parallelo: il circuito di lubrificazione ed il cuscinetto.il circuito di lubrificazione rappresenta il sistema di alimentazione del cuscinetto ed è caratterizzato da diversi elementi di controllo che ne definiscono il comportamento dinamico: Pressure Contro Valve, Temperature Control Valve, checkvalves, ecc.. Durante lo studio, tale sistema sarà analizzato e modellato utilizzando tecniche di modellazione a parametri concentrati di tipo 1D, seguendo le indicazioni fornite dai tecnici GE. La valutazione dei risultati numerici ottenuti da tale modellazione sarà fatta su delle centraline di lubrificazione, definite come casi di benchmark. I cuscinetti rappresentano l interfaccia tra il sistema di lubrificazione e le macchine rotanti, perciò il loro comportamento influenza sia il sistema di lubrificazione (che li vede come end-user), sia la rotordinamica della macchina. Le principali tipologie di cuscinetto analizzato saranno quelli di tipo fluidodinamico a pattini oscillanti, che saranno modellati con tecniche 2D/3D sia dal punto di vista dinamico sia da quello idraulico, attraverso l utilizzo delle equazioni di Reynolds accoppiate all equazioni dinamiche del sistema meccanico. Tali modelli dovranno essere perciò implementati in software specifici (COMSOL Multiphysics). Infine, l ultima attività del tema di ricerca riguarda lo studio dello stato dell arte e lamodellazione di cuscinetti elettromagnetici. Numerical model development of rotating machine auxiliary systems The research project is defined within the ATENE regional project (Advanced Technologies for Energy Efficiency) POR CReOfesr Bando Unico R&S

6 2012, that aims to improve the energetic efficiency both of rotating and alternative machines used in the Oil & Gas industries. The efficiency improvement can be seen as an increase of the machine power density and, in the same time, a reduction of the environmental impacts of the whole process (production and testing). In particular, within the ATENE project, the research activity will address the "Operative Objective 4: Mechanical field ". The research topics are the analysis and the modelling of the rotating machine auxiliary systems (bearings and lubrication circuits); particularly, the activity aims to interface the typical aspects of lubrication with the classical problems of the rotor-dynamics. The research will analyse the fluid dynamical aspects considering the auxiliary system as consisting of two entities: the lubrication plant and the hydraulic bearings.