Analysis and Optimization of Single-Pad and Multi-Pad Air Foil Thrust Bearings

Air foil bearings are a type of compliant hydrodynamic bearing that feature a reliable, low-maintenance, and ecological machine element for high-speed turbomachinery. Due to the utilization of surrounding air or other gases as a lubricant, they can be used in oil-free machines. When compared against rigid air bearings, they present a low-cost and robust alternative. The analysis and optimization of air foil thrust bearings is challenging owing to the multiphysicality of thermodynamic, elastomechanic and hydrodynamic equations that have to be considered as well as their coupling in detailed numerical models. In this thesis, bump foil thrust bearings, consisting of a base plate, corrugated bump foils and smooth top foils are examined. They can be categorized in two different design types: firstly, a multi-foil design consisting of several independent bearing pads, and secondly, a single-foil design comprising several independent bump foils, but a single, annular top foil. The differences in the modeling approaches are illustrated. It is concluded that single-foil bearing analysis is only possible when the real foil geometry and top foil coating wear are included in the analysis. Furthermore, a full bearing model accounting for each individual pad of the multi-foil design in the case of misalignment is compared against a reduced approach using symmetry conditions. The thermal management of foil thrust bearings turns out to be one of the prime tasks for the optimization of load capacity and losses. The thermal bending of the runner disk that is caused by axial temperature gradients is shown to have a significant effect on bearing performance. The most prominent solution is the application of a forced cooling flow underneath the top foil. However, this reduces overall machine efficiency. Apart from this straightforward method, choosing an alternative foil material with a high thermal conductivity and compensating mechanisms based on centrifugal effects are presented here.

Folienluftlager sind ein Maschinenelement aus der Kategorie nachgiebiger hydrodynamischer Lager, die ein zuverlässiges, wartungsarmes und umweltfreundliches Lagerelement für den Einsatz in Turbomaschinen darstellen. Aufgrund der Verwendung von Umgebungsluft oder anderen Gasen als Schmiermittel können sie in ölfreien Maschinen eingesetzt werden. Im Vergleich zu starren Luftlagern stellen sie eine kostengünstige und robuste Alternative dar. Die Analyse und Optimierung von axialen Folienluftlagern ist aufgrund der Kombination thermodynamischer, elastomechanischer und hydrodynamischer Gleichungen sowie ihrer Kopplung in detaillierten numerischen Modellen herausfordernd. In dieser Arbeit werden axiale Folienluftlager untersucht, die grundsätzlich aus einer Grundplatte, gewellten Bump Foils und glatten Top Foils bestehen. Sie können in zwei verschiedene Design-Typen eingeteilt werden: erstens ein Mehrfolien-Design bestehend aus mehreren unabhängigen Lagersegmenten und zweitens ein Einfolien-Design, bestehend aus mehreren unabhängigen Bump Foils, aber einer einzigen zusammenhängenden, ringförmigen Top Foil. Die Unterschiede in den Modellierungsansätzen werden dargelegt. Es zeigt sich, dass die Analyse von axialen Folienluftlagern des Einfoliendesigns nur möglich ist, wenn die reale Foliengeometrie und der Verschleiß der Beschichtung des Top Foils in die Analyse einbezogen werden. Darüber hinaus wird ein vollständiges Lagermodell, das jedes einzelne Segment des Mehrfolien-Designs im Falle von Schiefstellung von Welle und Lager berücksichtigt, mit einem reduzierten Ansatz unter Verwendung von Symmetriebedingungen und Betrachtung eines einzelnen Segmentes verglichen. Das Temperatur-Management von axialen Folienluftlagern erweist sich als ein zentraler Punkt für die Optimierung von Tragfähigkeit und Verlusten. Der Einfluss der thermischen Biegung der Wellenscheibe, die durch axiale Temperaturgradienten verursacht wird, ist signifikant für die Lagerleistung. Die am weitesten verbreitete Methode zur Verringerung dieses Effekts ist die Einleitung eines Luftstroms unterhalb der Top Foil. Dies reduziert jedoch die Gesamteffizienz der Maschine. Neben dieser direkten Methode werden in dieser Arbeit die Wahl eines alternativen Folienmaterials mit hoher Wärmeleitfähigkeit und Kompensationsmechanismen basierend auf Zentrifugaleffekten vorgestellt.