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Air foil thrust bearings: A thermo-elasto-hydrodynamic analysis

Lehn, Andreas :
Air foil thrust bearings: A thermo-elasto-hydrodynamic analysis.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Air foil thrust bearings: A thermo-elasto-hydrodynamic analysis
Language: English
Abstract:

A computational model for bump type air foil thrust bearings, which belong to the class of compliant hydrodynamic bearings, is developed. The computational model is able to calculate the pressure and temperature distribution in the bearing as well as the structural deformations of the bearing parts. Hydrodynamic, elastic, and thermal aspects of air foil thrust bearings are analysed in detail and design guidelines are derived. Systematic optimisation studies are performed for the shape of the lubricating gap with respect to a maximal load capacity. A Reissner-Mindlin type shell theory is applied for the top and the bump foil and different mechanisms that influence the stiffness of the compliant structure are discussed. The performance of air foil thrust bearings is compared to rigid thrust bearings for aligned, distorted and misaligned operating conditions. Based on a comprehensive thermal model, the main heat fluxes in the bearing are identified. Load capacity limiting effects as the compressibility of air, the compliance of the bearing surface, and thermally induced deformations of the rotor disk are analysed separately. Measurements of the temperature distribution in an air foil thrust bearing, based on an infrared radiation technique, are presented and compared to the predictions of the computational model.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Es wird ein Berechnungsprogramm für axiale Folienlager, welche zur Klasse der hydrodynamischen Gleitlager mit elastischer Lagerfläche gehören, entwickelt. Das Programm ist in der Lage, die Druck und Temperaturverteilung im Lager sowie die Deformationen der Lagerbauteile zu berechnen. Hydrodynamische, elastische und thermale Aspekte von axialen Folienlagern werden im Detail analysiert und auf dieser Grundlage Gestaltungsempfehlungen abgeleitet. Es werden systematische Optimierungsstudien für die Form der hydrodynamischen Schmierfilmfunktion mit Hinblick auf eine maximale Tragfähigkeit durchgeführt. Die elastischen Elemente des Lagers, das sogenannte Top- und Bumpfoil, werden über eine Schalentheorie vom Reissner-Mindlin Typ abgebildet. Verschiedene Mechanismen, welche die Steifigkeit der elastischen Lagerfläche beeinflussen, werden vorgestellt und diskutiert. Zentrale Lagerkenngrößen von axialen Folienlagern werden für die drei Fälle einer ideal parallelen Lagergeometrie, einer verformten Rotorscheibe und eines verkippten Lagers im Vergleich zu denjenigen von starren Axiallagern untersucht. Die Identifizierung der wesentlichen Wärmeströme in axialen Folienlagern erfolgt auf Grundlage eines umfangreichen thermischen Modells. Die Tragfähigkeit begrenzende Faktoren wie die Kompressibilität von Luft, die Nachgiebigkeit der Lagerfläche und thermisch induzierte Deformationen der Rotorscheibe werden getrennt analysiert. Messungen der Temperaturverteilung auf Grundlage eines optischen Verfahrens werden präsentiert und mit den Vorhersagen des Berechnungsprogramms verglichen.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Applied Dynamics (AD)
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Applied Dynamics (AD) > Modellierung von Öl- und Luftlagern für hochdrehende Rotoren
Date Deposited: 07 Jun 2017 09:46
Last Modified: 07 Jun 2017 09:46
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-62729
Referees: Schweizer, Prof. Dr. Bernhard and Wünsch, Prof. Dr. Olaf
Refereed: 1 February 2017
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/6272
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