Multiphysical Modeling, Numerical Analysis and Experimental Investigation of Radial Air Foil Bearings with Beam-Type Supporting Structure

The focus of this work is on the numerical modeling of a journal beam-type air foil bearing. The force-displacement curves and the temperatures in the bearing are used as output values of the computation in order to investigate, evaluate and optimize the physical behavior. The development process of the simulation model is divided into several steps. It starts with a three-dimensional approach and a non-rotating shaft, focusing on the structural and contact mechanics. Long simulation times make model reductions necessary and are a core topic of this work in different sections. The resulting model uses Reissner's beamshell theory to calculate the non-linear foil deformations. With regard to contact modelling, a node-to-surface or surface-to-surface discretization is used depending on the contact pairs, so that precise and time-efficient calculations are possible. Just as important as the correct choice of physical equations is the consideration of manufacturing-related deviations in order to assess the sensitivities of the bearing. A selection of dimensional and shape tolerances in the bearing model shows their influence on the bearing behavior and is also important for validation. The next development stage of the bearing model includes the pressure build-up in the air film between the rotor and top foil. The Reynolds equation serves as the basis for this, preliminarily neglecting thermal effects. The need for optimization of the bearing under investigation can already be determined in this state, as the calculated pressure profile does not match the desired one. The locations of the calculated pressure peaks correspond very well with the wear marks of the experimentally investigated bearing and confirm the correctness of the simulation results. In its final form, the thermal aspects are also incorporated into the model, including the dissipation of heat in the fluid film and the heat transfer within the components. The temperature-related change in material properties and thermal deformations are also of interest for the bearing behavior. In order to avoid thermal instability, thermal management is an important part of the bearing design and is therefore also considered within the model as a cooling flow. Numerical studies demonstrate the significant effect of the cooling flow. Experimental investigations provide the basis for model validation and are carried out on two test rigs. These provide the opportunity to measure the force-displacement curves with the journal fixed and rotating and to record the bearing temperatures during operation. In general, the simulations agree well with the measurements. At the points of major deviations, the possible causes are discussed and mentioned in the outlook for future work.

Der Fokus dieser Arbeit liegt in der numerischen Modellierung eines radialen Folienluftlagers mit Beam-Folie. Die Kraft-Verschiebungskurven und die Temperaturen im Lager dienen dabei als Ausgangsgrößen der Berechnungen, um das physikalische Verhalten zu untersuchen, zu bewerten und zu optimieren. Der Entwicklungsprozess des Simulationsmodells teilt sich in mehrere Schritte auf. Begonnen wird mit einem dreidimensionalen Ansatz bei stillstehendem Rotor und dem Schwerpunkt auf die Struktur- und Kontaktmechanik. Lange Simulationszeiten machen Modellreduktionen notwendig und sind in unterschiedlichen Abschnitten das Kernthema dieser Arbeit. Das hieraus resultierenden Modell verwendet die Balkentheorie nach Reissner zur Berechnung der nichtlinearen Foliendeformationen. Hinsichtlich Kontaktmodellierung wird je nach Kontaktpaaren eine Node-to-Surface oder Surface-to-Surface-Diskretisierung verwendet, sodass präzise und zeiteffiziente Berechnungen möglich sind. Ebenso wichtig wie die korrekte Wahl der physikalischen Gleichungen ist die Berücksichtigung fertigungsbedingter Abweichungen, um die Sensitivitäten des Lagers beurteilen zu können. Eine Auswahl von Maß- und Formtoleranzen im Lagermodell zeigt deren Einflüsse auf das Lagerverhalten und ist unter anderem für die Validierung wichtig. Die nächste Entwicklungsstufe des Lagermodells bezieht den Druckaufbau im Luftfilm zwischen Rotor und Deckfolie mit ein. Als Grundlage dient hierzu die Reynoldsgleichung unter vorläufiger Vernachlässigung thermischer Effekte. Bereits in dieser Form lässt sich der Optimierungsbedarf des untersuchten Lagers feststellen, da das berechnete Druckprofil nicht mit dem erwünschten übereinstimmt. Die Orte der berechneten Druckspitzen stimmen sehr gut mit den Verschleißspuren des experimentell untersuchten Lagers überein und bestätigen die Korrektheit der Simulationsergebnisse. In seiner finalen Form werden auch die thermischen Aspekte mit in das Modell aufgenommen, zu denen die Dissipation der Wärme im Fluidfilm und die Wärmeübertragung innerhalb der Komponenten gehören. Für das Lagerverhalten sind ferner die temperaturbedingte Änderung der Materialeigenschaften und die thermischen Deformationen interessant. Um eine thermische Instabilität zu vermeiden, ist das thermische Management ein wichtiger Bestandteil der Lagerauslegung und deshalb ebenfalls in Form eines Kühlstroms im Modell berücksichtigt. In numerischen Studien ist der signifikante Effekt des Kühlstroms nachweisbar. Experimentelle Untersuchungen bilden die Basis der Modellvalidierungen und werden an zwei Prüfständen durchgeführt. Diese bieten die Möglichkeit zur Messung der Kraft-Verschiebungskurven bei arretiertem und rotierendem Zapfen sowie die Aufnahme der Lagertemperaturen im Betrieb. Im Allgemeinen stimmen die Simulationen gut mit den Messungen überein. An den Stellen größerer Abweichungen werden die möglichen Ursachen diskutiert und im Ausblick für künftige Arbeiten erwähnt.