Shaft Alignment and Whirling Vibration

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Presentation delivered by Mohamed Zeid from Berg Propulsion on Nauticus Machinery Course, Rio de Janeiro, September 2012

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Shaft Alignment and Whirling Vibration

  1. 1. Consequence of detailed modelling into shaft performance prediction q g p p Shaft Alignment and Whirling vibration
  2. 2. Problem? A proper Shaft Analysis report issued.  Practical alignment verfication muserments shows a recognaizable variation! Why ?! In some of the cases it is subjected to the tools used. But there is some other reasons! One of these reasons is the cosequence of the system components stiffness into:  One of these reasons is the cosequence of the system components stiffness into: 1‐Bearing loads and Shaft slope inside propeller bearing 2‐Propeller shaft lateral vibration. 2 Propeller shaft lateral vibration This will explain some of the other reasons meanwhile it helps to investigate the most  reliable working domain for new projects. li bl ki d i f j tDNV Software User Conference  3 Busan July 2012
  3. 3. Model of the case studyPropeller ASTB FSTB AGB FGB ASTB=Aft Sterntube Bearing FSTB=Fwd Sterntube Bearing AGB=Aft Gearbox Bearing FGB=Fwd Gearbox Bearing GB= Gearbox (OR Main Engine first E i fi two bearings). b i )DNV Software User Conference  4 Busan July 2012
  4. 4. Bearing stiffness External Bearing E t lB i Calc. Tool Shaft Bearing Oil Film Calculation Bearing Material Practical or theoretical Model assumption Bearing FoundationDNV Software User Conference  5 Busan July 2012
  5. 5. Part 1‐ AlignmentCase No.1‐ Variation of FSTB StiffnessCase No 1 Variation of FSTB Stiffness Working Domain: ‐Variation of Forward Sterntube Bearing  stiffness from 5.0E7 N/m to 5.0E10 N/m. ‐GAP & SAG are kept constant at all analysis  Propeller points. GB ASTB FSTB ‐All other bearings assumed stiffness kept  constant. ‐GB bearings offsets changed at each analysis  point in order to maintain the same GAP‐SAG  figures. fiDNV Software User Conference  6 Busan July 2012
  6. 6. Case No.1‐ Variation of FSTB Stiffness Results: A‐ Bearing loads. FSTB Stiffness variation effect on Bearing Loads FSTB Stiffness variation effect on Bearing Loads 120 ASTB/10 FSTB AGB FGB 100 80 kN) 60 Load (k 40 20 0 4.00E+07 4.00E+08 4.00E+09 4.00E+10 Stiffness (N/m)DNV Software User Conference  7 Busan July 2012
  7. 7. Case No.1‐ Variation of FSTB Stiffness Results: B‐ Slope of the shaft inside Aft Sterntube bearing. FSTB Stiffness variation effect on Shaft Slope at ASTB FSTB Stiffness variation effect on Shaft Slope at ASTB 0.53 0.525 0.52 0.515 mm/m) 0.51 Shaft Slope at ASTB p Slope (m 0.505 0.5 0.495 0.49 4.00E+07 4.00E+08 4.00E+09 4.00E+10 Stiffness (N/m)DNV Software User Conference  8 Busan July 2012
  8. 8. Case No.2‐ Variation of ASTB Stiffness Working Domain: ‐Variation of  Aft Sterntube Bearing stiffness  from 3.0E8 N/m to 5.0E10 N/m. ‐GAP & SAG are kept constant at all analysis  Propeller points. GB ASTB FSTB ‐All other bearings assumed stiffness kept  constant. ‐GB bearings offsets changed at each analysis  point in order to maintain the same GAP‐SAG  figures. fiDNV Software User Conference  9 Busan July 2012
  9. 9. Case No.2‐ Variation of ASTB Stiffness Results: A‐ Bearing loads. ASTB Stiffness variation effect on Bearing Loads ASTB Stiffness variation effect on Bearing Loads 90 ASTB/10 FSTB AGB FGB 80 70 60 Load (kN) 50 40 30 20 10 0 2.00E+08 2.00E+09 2.00E+10 Stiffness (mm/m)DNV Software User Conference  10 Busan July 2012
  10. 10. Case No.2‐ Variation of ASTB Stiffness Results: B‐ Slope of the shaft inside Aft Sterntube Bearing. ASTB Stiffness variation effect on Shaft Slope at ASTB ASTB Stiffness variation effect on Shaft Slope at ASTB 0.75 0.7 0.65 Shaft Slope at ASTB Slope(mm/m) 0.6 0.55 0.5 0.45 0 45 0.4 2.00E+08 2.00E+09 2.00E+10 Stiffness (N/m)DNV Software User Conference  11 Busan July 2012
  11. 11. Case No.3‐ Variation of GB Bearings Stiffness. (OR Main Engine foundation stiffness) fo ndation Working Domain: ‐Variation of Gearbox Bearings stiffness from  2.0E7 N/m to 1.0E11 N/m. ‐GAP & SAG are kept constant at all analysis  Propeller points. GB ASTB FSTB ‐All other bearings assumed stiffness kept  constant. ‐GB bearings offsets changed at each analysis  point in order to maintain the same GAP‐SAG  figures. fiDNV Software User Conference  12 Busan July 2012
  12. 12. Case No.3‐ Variation of GB Bearings Stiffness. (OR Main Engine foundation stiffness) fo ndation Results: A‐ Bearing loads. GB bearings Stiffness variation effect on Bearing Loads 100 ASTB/10 FSTB AGB FGB 90 80 70 60 Load (kN) 50 L 40 30 20 10 0 2.00E+07 2.00E+08 2.00E+09 2.00E+10 Stiffness (N/m) Stiffness (N/m)DNV Software User Conference  13 Busan July 2012
  13. 13. Case No.3‐ Variation of GB Bearings Stiffness. (OR Main Engine foundation stiffness) fo ndation Results: B‐ Slope of the shaft inside Aft Sterntube Bearing. GB bearings Stiffness variation effect on Shaft Slope at ASTB GB bearings Stiffness variation effect on Shaft Slope at ASTB 0.538 0.536 0.534 Shaft Slope at ASTB 0.532 mm/m) Slope (m 0.53 0.528 0.526 0.524 1.00E+07 1.00E+08 1.00E+09 1.00E+10 1.00E+11 Stiffness (N/m) ( / )DNV Software User Conference  14 Busan July 2012
  14. 14. Discussion of results  A‐ Bearing loads. A Bearing loads It is of importance to advice a well reliable stiffness range for the bearings  (Foundation & Material) in order to ensure a more reliable loads into the  bearing.120 100 90 90100 80 80 70 7080 60 6060 50 50 40 4040 30 30 20 2020 10 10 0 0 0 4.00E+07 4.00E+08 4.00E+09 4.00E+10 2.00E+08 2.00E+07 2.00E+08 2.00E+09 2.00E+10 2.00E+09 2.00E+10 Case 1 C Case 2 C Case 3 Variation of FSTB Stiffness Variation of ASTB Stiffness Variation of GB B. StiffnessDNV Software User Conference  15 Busan July 2012
  15. 15. Discussion of results  B‐ Slope of the shaft inside propeller bearing. B Slope of the shaft inside propeller bearing Is the slope of the shaft inside the propeller bearing  (only) is judgeable ? 0.53 0.75 0.538 0.525 0.7 0.536 0.52 Shaft Slope at ASTB 0.65 0.534 0.515 0.6 0.532 0.51 Shaft Slope at ASTB 0.55 0.53 0.505 0.5 0.528 0.5 05 Shaft Slope at ASTB f 0.495 0.45 0.526 0.49 0.4 0.524 4.00E+07 4.00E+08 4.00E+09 4.00E+10 2.00E+08 2.00E+09 2.00E+10 1.00E+07 1.00E+08 1.00E+09 1.00E+10 1.00E+11 Case 1 Case 2 Case 3 Variation of FSTB Stiffness Variation of ASTB Stiffness Variation of GB B. StiffnessDNV Software User Conference  16 Busan July 2012
  16. 16. Discussion of results  B‐ Slope of the shaft inside propeller bearing. B Slope of the shaft inside propeller bearing Slope mismatch between the shaft and the bearing is more interesting, So  the slope of the bearing it self is important as well.  BEARING REACTIONS IN VERTICAL - OPERATING CONDITION 1 (GB-COLD-STATIC) ----------------------------------------------------------------------------------- ---- Position Load Pressure Offset Slope [cm] [kN] [bar] [mm] [mm/m] Bearing 1 244 182 5 -0 221 0.221 0.669 0 669 Bearing 2 284 129 5 -0.060 0.511 Bearing 3 803 5 0 0.000 -0.163 Bearing 4 1325 78 5 0.719 0.447 Lubricant White metal Bearing 5 1436 59 4 1.223 0.474 238 -1.074 7.340E-004 235233 15 -220 244 -1.036 7.200E-004 246710 16 -221 244 -1.035 7.200E-004 246930 16 -221 249 -1.000 7.050E-004 248883 16 -39 254 -0.964 6.910E-004 250869 16 -40 259 -0.930 6.770E-004 252888 16 -40 264 -0.896 -0 896 6 620E-004 6.620E-004 254940 17 -41 269 -0.863 6.470E-004 257025 17 -42 274 -0.831 6.320E-004 259143 17 -42 279 -0.799 6.170E-004 261294 17 -43 284 -0.769 6.020E-004 263463 17 -44 292 -0.723 5.790E-004 256819 17 84DNV Software User Conference  17 Busan July 2012
  17. 17. Discussion of results  B‐ Slope of the shaft inside propeller bearing. B Slope of the shaft inside propeller bearing Then a traditional evaluation of the oil fils stiffness can be checked. DNV Software User Conference  18 Busan July 2012
  18. 18. Part 2‐Lateral vibration study. Introduction‐ Introduction Basics Vibration: Is a harmonic motion. Vib ti I h i ti Stiffness: Is the rigidity of an object Damping: Is the resistance to the motion.   System response: Is the amount of the  object deflection based on stiffness and  damping (Local/Global).   damping (Local/Global)DNV Software User Conference  19 Busan July 2012
  19. 19. Part 2‐Lateral vibration study. Introduction‐ Lateral vibration mode shapes  Introduction Lateral vibration mode shapes Amplitude and stiffness components. λ4 λ3 λ2 λ1 λ1 > λ2 > λ3 > λ4 Ω1 < Ω2 < Ω3 < Ω4 wave lengths vibrating frequenciesDNV Software User Conference  20 Busan July 2012
  20. 20. Part 2‐Lateral vibration study. Introduction‐ System response amplification factor with related damping. Introduction System response amplification factor with related damping 5 4 η=0 η=0.1 or η 0.2 η=0.2 plification facto η=0.3 3 η=0.4 η=0.5 η=1 Amp 2 η=1.5 η=2 η=7 1 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 Ω/ΩnDNV Software User Conference  21 Busan July 2012
  21. 21. Part 2‐Lateral vibration study. Introduction‐ Lateral vibration and whirling. Introduction Lateral vibration and whirling Real life whirling case Real life whirling case Whirling case during test System stiffness diagram in lateral Whirling case during test System stiffness diagram in lateralDNV Software User Conference  22 Busan July 2012
  22. 22. Case study‐ Variation of ASTB Stiffness Working Domain: ‐Variation of Aft Sterntube bearing stiffness  from 3.0E8 N/m to 5.0E10 N/m. ‐GAP & SAG are kept constant at all analysis  Propeller points. GB ASTB FSTB ‐All other bearings assumed stiffness kept  constant. ‐GB bearings offsets changed at each analysis  point in order to maintain the same GAP‐SAG  figures. fiDNV Software User Conference  23 Busan July 2012
  23. 23. Case study‐ Variation of ASTB Stiffness Results: ASTB Stiffness variation effect on  ASTB Stiffness variation effect on ASTB Stiffness variation effect on  ASTB Stiffness variation effect on Shaft natural frequency (order1) Propeller natural frequency (order4) 800 190 750 180 M) 700 170 Speed (RPM Speed (RPM) ) 650 160 150 600 Shaft natural frequency (order1) 140 550 Propeller natural frequency (order4) p q y( ) 130 500 120 2.00E+08 2.00E+09 2.00E+10 2.00E+08 2.00E+09 2.00E+10 Stiffness (N/m) Stiffness (mm/m) 1‐ Lateral vibration 2‐ Lateral vibration Shaft natural frequency. Propeller blades natural frequency.DNV Software User Conference  24 Busan July 2012
  24. 24. 1‐ Lateral vibration, Shaft natural frequency. How it Built? What is the Natural frequency and Excitation frequency ?  What is the mode shapes? Clear mode shapes. Cl d h Integrated mode shapes.DNV Software User Conference  25 Busan July 2012
  25. 25. 1‐ Lateral vibration, Shaft natural frequency How to handle? Most determined mode shapes:  Cantliver , First bending. Direction of the local/global  response. Damping: Have a slight effect on the  D i H li ht ff t th 5 cantiver mode and almost no effect on  4 the first bending (Global response  3 direction is linear toward the maximum  direction is linear toward the maximum 2 bending without resistance). 1 0 0 0.5 1 1.5 General conclusion: Running  close to reasonance  have to  be avoided.DNV Software User Conference  26 Busan July 2012
  26. 26. 2‐ Lateral vibration, Propeller blades natural frequency How it built?DNV Software User Conference  27 Busan July 2012
  27. 27. 2‐ Lateral vibration, Propeller blades natural frequency What is the Natural frequency and Excitation frequency ?  What is the mode shapes? 190 Propeller natural frequency (order4) 180 170 160 150 140 130 120 2.00E+08 2 00E+08 2.00E+09 2 00E+09 2.00E+10 2 00E+10 5 4 3 2 1 0 0 0.5 1 1.5DNV Software User Conference  28 Busan July 2012
  28. 28. 2‐ Lateral vibration, Propeller blades natural frequency How to handle? How to handle? Diametrical Damping 2.1) Shaft impact (Direct impact) Propeller shaft Most determined mode shapes:  response to vibration Cantliver , First bending. Cantliver First bending Direction of the local/global  response. Propeller damping (Resistance) effect due to this  applied vibration motion have to be considered  5 as it is very effctive (Propeller diametrical  damping). 4 3 So far the damping is effective, then a view  2 of the excitation force is important as well. f th it ti f i i t t ll 1 The system response of this vibration motion  0 0 0.5 1 1.5 should be followed up as it is an excitation force  should be followed up as it is an excitation force for another vibration motion‐‐‐‐ >DNV Software User Conference  29 Busan July 2012
  29. 29. 2‐ Lateral vibration, Propeller blades natural frequency How to handle? How to handle? 2.2) ASTB impact (indirect impact) Aft Sterntube bearing vibration,  (Consequence of main propeller  (Consequence of main propeller viberation). Bending  variation leads to load variation into the  bearing. bearing Is the bearing damping able to dominate  Bearing Damping capability. the new intreduced harmonic load? Is the viberation motion charctrestics  acceptable ?DNV Software User Conference  30 Busan July 2012
  30. 30. Questions and discussion !BERG PROPULSION PRODUCTION ABBERG PROPULSION PRODUCTION ABMohamed ZeidNaval Architect ‐ Rotordynamics SpecialistDirect: +46 31 30 10 736Mobile: +46 761 175 022E‐mail: mohamed.zeid@bergpropulsion.com @ gp pwww.bergpropulsion.com DNV Software User Conference  31 Busan July 2012

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