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Efficient Thermohydrodynamic Radial and Thrust Bearing Modeling for Transient Rotor Simulations

Chatzisavvas, Ioannis (2018):
Efficient Thermohydrodynamic Radial and Thrust Bearing Modeling for Transient Rotor Simulations.
Darmstadt, Technische Universität, [Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Efficient Thermohydrodynamic Radial and Thrust Bearing Modeling for Transient Rotor Simulations
Language: English
Abstract:

Hydrodynamic bearings are usually employed to support rotating machines, both in the axial as well as in the radial direction. Both bearing types influence the vibration behavior of rotors. Moreover, the oil-temperature influences the hydrodynamic bearing forces. In this work, efficient thermohydrodynamic bearing models for thrust and radial bearings are developed. Run-up simulations are performed for the identification of the influence of the bearings on the nonlinear rotor vibrations. The Reynolds equation, which describes the hydrodynamic pressure distribution in the bearings, is solved using a highly efficient approach. The Global Galerkin approach, using appropriate trial and test functions, is used for the approximation of the solution of the Reynolds equation, leading to heavily reduced simulation times when compared with Finite Difference or Finite Element approaches. For radial bearings, a novel semi-analytical method is developed using also the Global Galerkin approach. The oil-temperature in the thrust bearings is captured through the energy equation, which is decoupled from the Reynolds equation under appropriate assumptions. For the oil-temperature in radial bearings with full- as well as semi-floating rings a global thermal energy balance is used between the two oil-films and the bearing ring. The transient temperature terms in this energy balance are taken into consideration and their significance for the numerical stability of the solver is demonstrated. A turbocharger rotor is modeled in a multibody simulation software. The complete system consists of a flexible shaft, a turbine and a compressor wheel, as well as a thrust bearing and two full-floating ring bearings. The equations of motion of the turbocharger rotor are coupled with the equations of the thermohydrodynamic bearing models and they are solved simultaneously at each time-integration step during a run-up simulation. The simulation results show that the oil-temperature and the gas forces in the axial direction exert a large influence on the rotor vibrations. The geometry of the pads in thrust bearings will be optimized using a novel approach. In this work, statistical and neural network methods are used, avoiding the drawbacks of optimization algorithms. Usually, thrust bearings are optimized for higher load capacity and lower friction losses. Using the proposed optimization approach, thrust bearings can be optimized not only for load capacity and friction losses but also towards a better vibration behavior of the complete rotordynamic system. The validation of the thrust and the radial bearing modeling is performed through comparisons with experimental results. For radial bearings, a standard shaft motion test is used and for the thrust bearing a new testing approach is implemented. The simulation results are in a good agreement with the experimental data.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Bei rotierenden Maschinen werden häufig hydrodynamischen Lager eingesetzt, sowohl in axialer als auch in radialer Richtung. Die beiden Lagerarten beeinflussen das Schwingungsverhalten des Rotors. Außerdem beeinflusst die Öltemperatur die hydrodynamischen Lagerkräfte. Im Rahmen dieser Arbeit werden effiziente thermohydrodynamische Modelle für Axial- und Radiallager entwickelt. Die Identifizierung des Einflusses der Lagergestaltung auf die nichtlinearen Schwingungen der Rotoren wird mithilfe transienter Hochlaufsimulationen durchgeführt. Die Reynoldsgleichung, die den hydrodynamischen Schmierdruck beschreibt, wird anhand eines rechenzeit-effizienten Verfahrens gelöst. Die Globale Galerkin Methode liefert mit geeigneten Ansatz- und Testfunktionen eine approximierte Losung, deren Rechenzeit gegenüber anderen Verfahren, wie der Finiten Elemente oder der Finiten Differenzen Methode, mindestens eine Größenordnung kleiner ist. Für die Approximation der Losung der Reynoldsgleichung in kreiszylindrischen Radiallagern mit und ohne Umfangsnut wird eine semi-analytische Methode entwickelt. Innerhalb des Axiallagermodells wird die Energiegleichung verwendet um die Öltemperatur zu bestimmen. Diese wird durch eine geeignete Annahme von der Reynoldsgleichung entkoppelt. Für die Radiallagerung, sowohl mit rotierenden als auch mit stehenden Lagerbuchsen, wird eine globale thermische Bilanz zwischen den beiden Ölfilmen und der Buchse erstellt. Die transienten Temperaturterme werden in dieser Bilanz berücksichtigt und es zeigt sich, dass sie maßgeblich die numerische Stabilität des Solvers beeinflussen. Ein Turbolader-Rotor wird in einer Mehrkörpersimulation-Software erstellt. Das Gesamtsystem besteht aus einer flexiblen Welle, einem Turbinen- und einem Verdichterrad, sowie einem Axiallager und zwei radialen Schwimmbuchsenlagern. Die Bewegungsgleichungen des Turbolader-Rotors werden mit den thermohydrodynamischen Gleichungen der Lager in jedem Zeitschritt während einer transienten Hochlaufsimulation simultan gelöst. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Öltemperatur und die in axialer Richtung wirkenden Gaskräfte einen großen Einfluss auf das Schwingungsverhalten des Rotors ausüben. Zur Optimierung des Axiallagers wird ein neues Optimierungsverfahren eingeführt. Die Geometrie der Pads eines Axiallagers ist üblicherweise auf eine möglichst große Tragfähigkeit und eine möglichst kleine Reibleistung optimiert. Im Rahmen dieser Arbeit findet die Optimierung nicht mit einem Optimierungsalgorithmus statt, sondern wird mit statistischen Methoden und neuronalen Netzwerken durchgeführt. Dadurch wird das Axiallager neben der Tragfähigkeit und der Reibleistung auch für ein verbessertes Schwingungsverhalten optimiert. Die Validierung der Axial- und die Radiallagermodelle erfolgt experimentell. Für die Radiallagerung wurde eine Wellenbahn-Messung durchgeführt. Für die Axiallagerung wurde ein spezifisches Experiment konzipiert. Die Simulationsergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit der Experimenten.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) > Mehrkörperdynamik
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Applied Dynamics (AD) > Modellierung von Öl- und Luftlagern für hochdrehende Rotoren
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Applied Dynamics (AD) > Nichtlineare Rotordynamik
Date Deposited: 28 Sep 2018 11:37
Last Modified: 28 Sep 2018 11:37
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-77804
Referees: Schweizer, Prof. Bernhard and Seemann, Prof. Wolfgang
Refereed: 28 February 2018
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/7780
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