Development of hydrostatic jacking unit for sleeve bearings in high voltage diesel generators

Abstract

High voltage diesel generators are used in ships, power plants, and other facilities where they produce power to the electrical grid. It is of utmost importance that they work reliably at all times, and considerable technical efforts are undertaken to ensure this outcome. One area of importance is the control of friction between the rotating part of the machine, the rotor, and the sleeve bearings. This is challenging during slow speed operation, such as in starting and stopping, because the hydrodynamic oil film that forms between the surfaces is not sufficiently thick to separate them. In these cases, it is possible to utilize a hydrostatic jacking unit, a device that separates the surfaces regardless of the running speed. This greatly improves the service life of the sleeve bearings and consequently, the reliability of the generator.

The main objective of this thesis was to develop a new design for the hydrostatic jacking unit. The development focused on reducing the existing units’ total cost of ownership and improving their structural rigidity. These had been identified as the most important characteristics of the devices, which have become an integral part of most high voltage diesel generators.

As an outcome of this thesis, two detailed hydrostatic jacking unit designs were developed for two product platforms of high voltage diesel generators. The new designs are modular and they utilize the same components and subassemblies, which improves their cost-effectiveness. Additional cost reductions result from the reassessment of the system parameters and functional requirements, which allowed scaling down and/or optionalizing of components. A third source of cost savings arises from the change in the design ownership, which improves the product management capabilities. To ensure that the new structures are sufficiently rigid, a finite element modal analysis was performed on the structures. According to the results, the new units are – depending on the mounting configuration – either significantly more rigid or equally rigid compared to the existing units. This increase in the rigidity of the unit should improve its structural integrity considerably in demanding engine-generator applications.

Korkeajännitedieselgeneraattoreita käytetään laivoissa, sähkövoimaloissa ja muissa laitoksissa, joissa ne tuottavat tehoa sähköverkkoon. On äärimmäisen tärkeää, että ne toimivat luotettavasti kaikissa olosuhteissa ja tämän varmistamiseen käytetään huomattava määrä teknisiä resursseja. Yksi kiinnostava ala on kitkan hallinnointi koneen pyörivän osan, roottorin, ja liukulaakereiden välillä. Tämä on haastavaa alhaisilla pyörimisnopeuksilla, kuten käynnistyksessä ja sammutuksessa, koska hydrodynaaminen öljykalvo, joka muodostuu pintojen välille, ei ole riittävän paksu erottaakseen ne. Näissä tapauksissa voidaan hyödntää hydrostatiikkayksikköä, joka erottaa pinnat toisistaan riippumatta koneen pyörimisnopeudesta. Tämä parantaa huomattavasti liukulaakereiden käyttöikää ja siten generaattorin luotettavuutta.

Työn keskeinen päämäärä oli kehittää uusi rakenne hydrostatiikkayksikölle. Kehitystyö kohdistui nykyisten yksiköiden kokonaiskustannusten pienentämiseen ja niiden rakenteellisen jäykkyyden kasvattamiseen. Nämä kaksi tekijää olivat tunnistettu tärkeimpänä osana yksiköitä, josta oli muodostunut yhä keskeisempi osa korkeajännitedieselgeneraattoreiden toimituskokonaisuutta.

Työn tuloksena syntyi kaksi yksityiskohtaista hydrostatiikkayksikkörakennetta suurjännitedieselgeneraattoreiden kahdelle tuotealustalle. Uudet rakenteet ovat modulaarisia ja hyödyntävät samoja komponentteja ja alikokoonpanoja, mikä parantaa kustannustehokkuutta. Lisäsäästöjä saatiin systeemin parametrien ja funktionaalisten vaatimusten uudelleentarkastelulla, mikä mahdollisti komponenttien pienentämisen ja/tai vapaavalintaisuuden. Kolmas säästökohde perustuu designin omistajuuden muutokseen, mikä mahdollistaa kokonaisvaltaisemman tuotehallinnan. Rakenteellista tarkastelua varten uusille yksiköille tehtiin moodianalyysi elementtimenetelmällä. Tämä osoitti uusien yksiköiden olevan – kiinnitystavasta riippuen – joko huomattavasti jäykempiä tai yhtä jäykkiä kuin nykyiset rakenteet. Yksikön korkeamman jäykkyyden tulisi parantaa huomattavasti sen rakenteellista luotettavuutta vaativissa moottori-generaattori sovelluksissa.