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Numerical Analyzes and Experimental Investigations of Air Foil Journal Bearings

Mahner, Marcel (2021):
Numerical Analyzes and Experimental Investigations of Air Foil Journal Bearings. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00018592,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Numerical Analyzes and Experimental Investigations of Air Foil Journal Bearings
Language: English
Abstract:

Self-acting air foil journal bearings are an important component in high-speed, oil-free turbomachinery applications. For rotors supported in air foil journal bearings, subharmonic vibrations and fluid-film induced instabilities of the rotor-bearing system may occur. In order to decrease the amplitude of these subharmonic vibrations and to increase the onset speed of the fluid-film induced instabilities, a preload is often introduced in air foil journal bearings. In this study, the effect of an assembly preload on the thermo-elasto-gasdynamic behavior of a three-pad air foil journal bearing is investigated numerically and experimentally. The 3D thermo-elasto-gasdynamic bearing model comprises the description of bump and top foil deflection and the calculation of the pressure and temperature distribution in the air film as well as the temperature distributions in the surrounding structure, namely in the rotor, in the bearing sleeve and in the top and bump foil. Temperature distributions in the air film and in the surrounding structure are obtained from the 3D energy equation and appropriate heat equations. To reduce the computational effort for the solution of the governing system of nonlinear integro-partial differential equations, different approaches for a mathematical reduction of the 3D energy equation and the generalized Reynolds equation are applied and compared with respect to computation time and accuracy. The governing equations are solved by the finite element method. In order to validate the numerical results, different experiments are accomplished on two different test rigs. Using the first test rig - the hysteresis device - hysteresis curves of differently preloaded three-pad air foil journal bearings are measured at zero running speed. The numerical model of the elastic foil structure is validated by a comparison between measured and predicted hysteresis curves, foil structural stiffness and frictional loss (damping). On a second test rig - the automated high-speed test rig - the effect of the assembly preload on the drag torque and on the thermal behavior of three-pad air foil journal bearings is investigated experimentally. For the purpose of validating the thermal model of the preloaded three-pad air foil journal bearing, measured and predicted bearing temperatures are compared.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Zur Lagerung schnelldrehender Rotoren in Turbomaschinenanwendungen werden häufig radiale Folien-Luftlager eingesetzt. Wie im Fall hydrodynamischer Öllager, treten auch bei Folien-Luftlagern unter Umständen subharmonische Schwingungen sowie durch den Fluidfilm induzierte Instabilitäten des Rotors auf. Zur Reduktion der Amplitude dieser subharmonischen Schwingungen und zur Steigerung der kritischen Drehzahl, bei der erstmals fluidfilminduzierte Instabilitäten auftreten, werden die radialen Folien-Luftlager häufig vorgespannt. Im Rahmen dieser Arbeit wird der Einfluss einer Montagevorspannung auf das thermo-elasto-gasynamische Verhalten radialer Dreiflächen-Folien Luftlager numerisch und experimentell untersucht. Das dreidimensionale thermo-elasto-gasdynamische Lagermodell beinhaltet die Beschreibung der Deformation von Top- und Bumpfoil sowie die Berechnung der Druck- und Temperaturverteilung im Luftfilm sowie die Temperaturverteilung in den umgebenden Komponenten. Letzteres umfasst den Rotor, das Lagergehäuse sowie das Top- und Bumpfoil. Um den Berechnungsaufwand zur Lösung des sich ergebenden nichtlinearen integro-partiellen Differentialgleichungssystems zu reduzieren, werden verschiedene Verfahren zur mathematischen Reduktion der dreidimensionalen Energiegleichung und der verallgemeinerten Reynoldsgleichung angewendet und im Hinblick auf die Berechnungszeit und den numerischen Fehler miteinander verglichen. Die sich ergebenden Gleichungen werden mithilfe der Finite-Elemente-Methode gelöst. Zur Validierung der Berechnungsergebnisse werden Messungen auf zwei unterschiedlichen Prüfständen durchgeführt. Mithilfe des ersten Prüfstands - dem Hystereseprüfstand - werden Hysteresekurven verschieden stark vorgespannter radialer Dreiflächen-Folien-Luftlager bei stehendem Lagerzapfen gemessen. Das numerische Modell der Folienstruktur wird durch einen Vergleich der gemessenen und berechneten Hysteresekurven, Steifigkeiten und Reibungsverlusten (Dämpfungen) validiert. Mithilfe eines zweiten Prüfstands - dem automatisierten Hochgeschwindigkeitsprüfstands - wird der Einfluss der Montagevorspannung auf das Reibmoment und auf das thermische Verhalten von radialen Dreiflächen-Folien-Luftlagern untersucht. Um das thermische Modell des Dreiflächen-Folien-Luftlagers zu validieren, werden die gemessenen und berechneten Lagertemperaturen miteinander verglichen.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xxv, 126 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Applied Dynamics (AD)
Date Deposited: 01 Jun 2021 07:41
Last Modified: 01 Jun 2021 07:41
DOI: 10.26083/tuprints-00018592
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-185925
Referees: Schweizer, Prof. Dr. Bernhard and Becker, Prof. Dr. Wilfried
Refereed: 12 May 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/18592
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