In order to obtain rotating machinery with improved energy efficiency, the approach of surface texturing journal bearings has been adopted to reduce the viscous dissipation in the lubricant. A possible reduction in shear viscous forces in the bearings of rotating machines could reduce the amount of heat released along its operation, resulting in a lower operating temperature that tends to improve journal bearings performance and the machine’s energetic efficiency. Thus, this work aims to investigate the texturing of journal bearings under dynamic loading conditions, considering the application in rotating systems. For this, computational simulations are performed through a rotating system model constructed by means of the finite element method in which the hydrodynamic journal bearings that support the rotor are modeled by Reynolds’ equation using the finite volume method and the full multigrid technique. The numerical results show that textured journal bearings can be applied to rotating machines, providing reductions in shear viscous forces. However, the magnitude of this reduction should be carefully evaluated, as the Reynolds cavitation model was applied to ensure a lower computational spent time and thus enable the simulations involved in this study. The novelty of this study is related to determining the appropriate distributions and geometric parameters of the textures for the journal bearing under dynamic load condition considering its equivalent static load condition what tends to drastically reduce computational time to perform this procedure, representing an important alternative for industrial application.

Fluid-induced instability in rotating systems due to the presence of hydrodynamic journal bearings consists of an undesirable phenomenon with a considerable destructive potential. Surface texturing of journal bearings is currently investigated as a possible approach to improve the stability characteristics of rotating systems. Thereby, this work aims to evaluate the influence of textured journal bearings in the stability threshold and unstable vibration mode of rotating systems. The classical Reynolds equation is used to model the pressure distribution inside the bearing, being solved by the finite volume method (FVM). The rotating system evaluated in this work is a steam turbine that is modeled using the finite element method (FEM). Numerical results show that textured geometric parameters, i.e., shape, area density, and maximum depth, are capable of changing the stability threshold (for worse or better) as well as the corresponding unstable vibration mode. Moreover, the present study also indicates that a full texturing of journal bearings is desirable to achieve a better improvement in the stability threshold when compared with partial texturing. Based on the results obtained in this work, the textured journal bearings represent a promising and feasible tool to improve the stability conditions of rotating systems in industrial applications.

ResumoÉ crescente a demanda por máquinas e equipamentos mais eficientes quanto ao consumo energético, uma vez que as legislações ambiental e de eficiência energética têm pressionado de forma crescente os fabricantes das mesmas. Neste contexto, o mancal hidrodinâmico radial apresenta-se como um componente de máquinas rotativas com grandes oportunidades de melhoria de projeto para redução da energia dissipada em seu fluido lubrificante. Recentemente a texturização da superfície interna de mancais tem sido uma abordagem explorada no intuito de alcançar melhorias não somente nesta dissipação viscosa como também na sustentação hidrodinâmica no componente. Assim, o objetivo do presente trabalho foi desenvolver códigos computacionais eficientes para investigação do efeito da inserção de texturas na superfície de mancais hidrodinâmicos sobre seu funcionamento, definindo ainda parâmetros adequados de texturização para as condições estática e dinâmica de carregamento do componente. Para tanto, a equação clássica de Reynolds com condição de fronteira de cavitação de Swift-Stieber foi adotada e sua discretização foi realizada pela aplicação do Método dos Volumes Finitos (MVF).O sistema de equações resultante é resolvido por um algoritmo Full Multigrid (FMG). Foram estudados os valores mais adequados para os parâmetros da técnica numérica de multiníveis para, em seguida, explorar os efeitos das texturizações parcial e total da superfície do mancal sobre suas principais características estáticas. Os resultados mostram a necessidade por uma seleção adequada principalmente do número de níveis utilizados na técnica multiníveis de modo que mesmo o nível com a malha mais grosseira ainda seja capaz de detectar com nitidez as texturas na superfície do componente. As simulações com mancais texturizados em condição estática de carregamento mostraram que as condições de operação influenciam de forma significativa os efeitos dos parâmetros de texturas, para as texturizações completa e parcial, e que é possível obter ganho de sustentação e/ou redução da perda viscosa no componente através dos adequados posicionamento e especificação das características geométricas das texturas.Mancais com texturizações projetadas em condição estática de carregamento mantêm as melhorias atingidas na sustentação hidrodinâmica e/ou dissipação viscosa quando empregados em sistemas rotativos com pequeno desbalanceamento de massa.

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