Cavitation wear in plain bearing: Case study

Département Matériaux et Surfaces, CETIM, 52 Av. Félix-Louat, 60300 Senlis, France

Corresponding author: yan-ming.chen@cetim.fr

Received: 28 May 2003
Accepted: 9 January 2004

Abstract

Cavitation erosion is a current wear type in hydraulic turbines, on pump impellers, on ship propellers, valves, heat-exchanger tubes and other hydraulic structures in contact with high-velocity liquids subjected to pressure changes. Much effort has been done to optimise the design and operating parameters in order to avoid cavitation wear for the equipment. But, this type of wear has also been observed in mechanical devices which such as plain bearings, seals, orifices in which fluid goes through severe restrictions. Cavitation damage may occur when surfaces in contact with fluid are subjected to vibrations, e.g.: water-cooled Diesel-engine cylinder liner. Sometimes, cavitation can initiate other types of wear such as adhesion or abrasion because of wear particles produced at the friction interface, making the failure analysis more difficult. Cavitation wear mechanisms were showed through three industrial examples. The first one is a hydrodynamic plain bearing which was heavily damaged by cavitation wear due to flow instability. The second one concerns a low speed translating plain bearing. Firstly, abrasion traces were observed on the contact surface. But a deeper study showed that solid particles produced by cavitation wear had been the main cause of the abrasion wear. The last example presents several cases of cavitation damage in oil lubricated plain bearing observed in medium/slow speed diesel engine for marine or power station applications. Because of fluctuation of radial force from crankshaft and instability of lubricant flow, variation of oil pressure can be sufficient to produce bubble inception, collapse and microjet formation process.

Résumé

L'érosion par cavitation est un mode d'usure courant pour les turbines hydrauliques, les roues de pompe centrifuge, les hélices de bateaux, les vannes, les tubes d'échangeur thermique et autres structures hydrauliques en contact avec du liquide à grande vitesse ou à pression variable. Afin d'éviter la cavitation, beaucoup d'efforts ont été déjà faits au niveau de la conception et des paramètres opératoires pour ces appareils. Mais ce type d'usure peut également être observé sur des pièces mécaniques comme les paliers, les joints d'étanchéité mécanique et les orifices avec une forte restriction. L'endommagement par la cavitation peut également se produire sur des surfaces sous vibrations, les chemises du moteur diesel avec refroidissement à eau, par exemple. La cavitation peut parfois initier d'autres types d'usure comme l'adhésion ou l'abrasion à cause des particules d'usure produites à l'interface du frottement, ce qui rend l'analyse de mécanismes d'usure plus difficile. Les mécanismes de l'usure par cavitation sont montrés au travers de trois exemples industriels. Le premier exemple est un palier hydrodynamique qui est fortement endommagé par la cavitation due à l'instabilité de l'écoulement du liquide. Le deuxième exemple concerne un palier de translation à faible vitesse. Dans un premier temps, on constate des traces d'abrasion sur la surface du contact du palier. Mais une étude plus approfondie montre que les particules d'usure produites par la cavitation sont la cause principale de l'usure par abrasion à trois corps. Le dernier exemple présente quelques cas d'endommagement des paliers lubrifiés dans les moteurs diesel lent/semi-rapide pour l'application marine ou centrale électrique. À cause des fluctuations de l'effort radial du vilebrequin et de l'écoulement instable du lubrifiant, la variation de la pression de l'huile peut être suffisante pour produire le processus de la cavitation : germination des bulles, implosion, et formation des microjets.