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CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior This work presents an experimental study of the influence of the axial groove shape of semi-floating ring bearings on the dynamic and thermodynamic behavior of small turbochargers used in the automotive and aeronautical industries. A hot flow test bench using LPG gas for turbocharger tests at different speed and mass flow conditions is used for the development of this study. Seven different turbochargers with semi-floating ring bearings with different axial groove shapes are selected for the evaluation of dynamic and thermodynamic response under different operating conditions, including pre-surge and surge. Each semi-floating ring bearing has in its internal part two end areas to bear the rotor and one middle area for the free flow of the lubricant. The bearings are manufactured by conventional machining processes directly by the turbocharger manufacturer. The electrical discharge machining (EDM) process is used for the exclusive manufacture of grooves, which are: triangular, half-ellipse, quarter-ellipse, quarter-ellipse inverted, rectangular, trapezoidal and circle (or half-moon). The comparative analysis of the thermodynamic behavior is carried out through performance and efficiency tests of compressors and turbine-rotor assemblies at constant speed and mass flow. Temperature, pressure and air and gas mass flow transducers are installed at various points upstream and downstream of the compressor and turbine in the test bench. For the study of rotor dynamics, frequency spectra and diagrams of the journal precession orbits are obtained from the measurement of vibrations at different stationary speeds and constant operating airflows. Waterfall plots are performed on acceleration and deceleration of turbochargers. Accelerometers and displacement transducers (proximity probes) are used to pick up the vibration signals on turbochargers under different turbocharger operating conditions. Synchronous and subsynchronous responses are also obtained and analyzed for each turbocharger for the range of rotational speeds from approximately 0 to 145,000 rpm. Acoustic emission signals are captured under steady-state speed and flows. Several treatments are performed on these data, with different electronic filters and statistical analysis. Correlations are made of the acoustic emission data with the change only in the operating speed, only in the mass flow of air from the compressor, with the pre-surge and surge condition. A preliminary evaluation of the dimensions of the grooves of the analyzed bearings is carried out by means of dimensional metrological analysis before the tests to certify that the amount of lubricant and the effective area of rotor-bearing contact are within the determined in the design. The experimental results obtained allow the creation of important thermodynamic performance maps and dynamic response curves of the seven turbochargers analyzed, providing relevant subsidies for the selection of the most appropriate axial groove shape of the floating ring bearing for a given turbocharger operating condition. Additionally, it is possible to show that acoustic emission data using a bandpass filter between 50 and 100 kHz with kurtosis analysis have strong characteristics for detecting the pre-surge condition in small turbochargers. Este trabalho apresenta um estudo experimental da influência do perfil da ranhura axial de mancais radias hidrodinâmicos semiflutuantes sobre o comportamento dinâmico e termodinâmico em pequenos turbocompressores utilizados nas indústrias automotiva e aeronáutica. Uma bancada de ensaios a quente utilizando gás GLP para testes de turbocompressores capaz de representar diferentes condições de velocidade e vazão mássica é utilizada para o desenvolvimento desse estudo. Sete diferentes turbocompressores com mancais semiflutuantes de diferentes perfis de ranhura axial são selecionados para a avaliação da resposta dinâmica e termodinâmica em diferentes condições de operação, inclusive pré-surge e surge. Cada mancal semiflutuante possui em seu corpo interno duas áreas de apoio do eixo e uma para o fluxo livre do lubrificante e são fabricados por processos de usinagem convencional diretamente pelo fabricante do turbocompressor. É utilizado o processo de eletroerosão de precisão (EDM) para a fabricação exclusiva das ranhuras, sendo elas: triangular, meia elipse, quarto de elipse, quarto de elipse invertido, retangular, trapezoidal e circular (ou "meia lua"). A análise comparativa do comportamento termodinâmico é efetuada por meio de ensaios de desempenho e eficiência dos compressores e dos conjuntos turbina-rotor em velocidade e vazão mássica constantes. Sensores de temperatura, pressão e fluxo mássico de ar e de gás são instalados em diversos pontos à montante e à jusante do compressor e da turbina. Para o estudo de dinâmica de rotores, espectros de frequência e diagramas das órbitas de precessão do munhão são obtidos a partir da medição das vibrações em diferentes velocidades estacionárias e fluxos de ar constantes de operação. Diagramas em cascata (waterfall plots) são realizados em aceleração e desaceleração dos turbocompressores. Acelerômetros e sensores de proximidade sem contato são utilizados para captar os sinais desejados de vibração sobre os turbocompressores sob diferentes condições de operação do turbocompressor. As respostas síncronas e subsíncronas também são obtidas e analisadas para cada turbocompressor para a faixa de velocidades de rotação de, aproximadamente, 0 a 145.000 rpm. Sinais de emissão acústica são captadas nas condições de velocidades e fluxos constante. Diversos tratamentos nesses dados são realizados, com diferentes filtros eletrônicos e análise estatística. São realizadas correlações dos dados de emissão acústica com a mudança apenas da velocidade de operação, apenas do fluxo de massa de ar do compressor, com a situação pré-surge e surge. Uma avaliação preliminar das dimensões das ranhuras dos mancais analisados é efetuada por meio de análise metrológica dimensional antes dos testes para certificar que a quantidade de lubrificante e a área efetiva de contato rotor-mancal estão dentro do determinado em projeto. Os resultados experimentais obtidos permitem a confecção de importantes mapas de desempenho termodinâmico e curvas da resposta dinâmica dos sete turbocompressores analisados, fornecendo subsídios relevantes para a seleção do perfil da ranhura axial do mancal flutuante mais apropriado para uma dada condição de operação do turbocompressor. Adicionalmente, é possível apresentar que os dados de emissão acústica utilizando filtro passa-banda entre 50 e 100 kHz com análise de curtose apresentam fortes características para detecção da situação de pré-surge em pequenos turbocompressores.

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico Nesta tese, uma metodologia simples para encontrar bandas de atenuação robustas é apresentada. Quatro estruturas periódicas diferentes são usadas como exemplos numéricos para modelos infini-tos e finitos. As duas primeiras estão relacionadas às zonas de atenuação criadas para ondas longitudinais utilizando sistemas massa-mola e barras como células unitárias. O método da Matrix de Transferência é usado para modelar a célula unitária. Com este método, é possível obter respostas em frequência, usando um método espectral, e constantes de dispersão, resolvendo um problema de autovalor. Os parâmetros físicos e geométricos mais influentes são determinados pela realização de análises de sensibilidade através de derivadas parciais e diferenças finitas usando um modelo infinito. Para o segundo exemplo, a área de seção transversal de meia célula é considerada como uma variável estocástica representada por uma função densidade de probabilidade com propriedades de desvio específicas para uma análise probabilística. O terceiro exemplo diz respeito às bandas proibidas para ondas de flexão usando células unitárias compostas por vigas. Para este caso, o método clássico de Matriz de Transferência não pode ser usado para obter as respostas de estruturas finitas em baixa frequência devido à presença de matrizes mal condicionadas. Portanto, um método recursivo denominado Matriz de Translação, que evita a multiplicação de matrizes, é usado e a análise probabilística correspondente é realizada usando a espessura de meia célula co-mo variável aleatória. Uma análise experimental também é realizada para este caso, mas considerando o comprimento de meia célula como incerto. O último exemplo é uma treliça periódica considerada com e sem componentes inteligentes. A célula unitária desta estrutura é modelada utilizando o método de elementos finitos e pode apresentar membros passivos e ativos. No entanto, esse tipo de estrutura não possui rupturas de impedância fortes o suficiente para abrir bandas de atenuação, embora haja a presença de subestruturas repetitivas. Em virtude disto, oito cenários são investigados considerando a introdução de massa concentrada em articulações e atuadores piezoelétricos em circuito shunt ressonante que são considerados estocásticos para casos específicos. Para cada modelo estrutural, uma Simulação de Monte Carlo com amostragem por Hipercubo Latino é realizada, as diferenças entre as zonas de atenuação incertas correspondentes aos modelos finitos e infinitos são expostas e a relação com modos localizados é esclarecida. Os resultados levam a concluir que os modelos finitos possuem uma região de atenuação maior do que as regiões equivalentes apresentadas por modelos infinitos considerando parâmetros estocásticos. Em outras palavras, as incertezas entre células vizinhas se compensam e as estruturas periódicas finitas são naturalmente mais robustas. Finalmente, o efeito do aumento do nível de incerteza, variando um coeficiente estocástico, é analisado e o conceito de banda de atenuação robusta é apresentado. In this thesis, a simple methodology to find robust bandgaps is presented. Four different periodic structures are used as numerical examples for infinite and finite models. The first two are related to attenuation zones created for longitudinal waves using spring-mass and stepped rod unit cells. The Transfer Matrix method is used to model the unit cell. With this method, it is possible to obtain the frequency responses, using a spectral method, and dispersion constants, solving an eigenvalue problem. The most influential physical and geometrical parameters are determined by performing partial derivative and finite difference sensitivity analysis through an infinite model. Therein, for the second example, the cross-section area of half-cell is considered as a stochastic variable represented by a probability density function with specific deviation properties for a probabilistic analysis. The third example concerns the bandgaps for flexural waves using stepped beams unit cells. For this case, the classical Transfer Matrix method cannot be used to obtain finite structures response in low frequency because of the presence of ill-conditioned matrices. Therefore, a recursive method termed Translation Matrix, which avoids matrix multiplication, is used and the corresponding probabilistic analysis is performed using the half-cell thickness as a random variable. An experimental analysis is also performed for this case, but considering half-cell length as uncertain. The last example is a periodic truss that is considered with and without smart components. The unit cell of this lattice structure can present passive and active members. As long as the type of unit cell is more complex, the finite element method is used. However, this kind of structure does not have impedance mismatches strong enough to open bandgaps although the presence of repetitive sub-structures. In virtue of this, eight scenarios are investigated considering the introduction of concentrated mass on joints and piezoelectric actuators in resonant shunt circuit which are considered as stochastic for specific cases. For each structure model, a Monte Carlo Simulation with Latin Hyper-cube sampling is carried out, the distinctions between the corresponding uncertain attenuation zones for finite and infinite models are exposed and the relation with localized modes is clarified. These results lead to conclude that the finite models present a larger stop zone considering stochastic parameters than infinite models. In other words, the uncertainties between neighbor cells compensate each other and the finite structures are naturally more robust. Finally, the effect of increasing the uncertainty level, by varying a stochastic coefficient, is analyzed and the concept of robust band gap is presented. Tese (Doutorado)