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Model Validation for Air Foil Thrust Bearings

Theile, Andre Manuel (2024)
Model Validation for Air Foil Thrust Bearings.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00027584
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Model Validation for Air Foil Thrust Bearings
Language: English
Referees: Schweizer, Prof. Dr. Bernhard ; Chasalevris, Prof. PhD Athanasios
Date: 18 July 2024
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 133 Seiten in verschiedenen Zählungen
Date of oral examination: 4 June 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00027584
Abstract:

This work validates and extends a simulation model for an air foil thrust bearing, which belong to the class of hydrodynamic bearings with elastic bearing surfaces. The model can determine integral quantities such as load-carrying capacity and power loss of the bearing. Additionally, it can calculate pressure and temperature distributions as well as deformations of individual components. A validated simulation model is crucial for the design and understanding of the cause effect mechanisms in thrust bearings. To assess the validity of the simulation, the range of its applicability and the significance of the results are analyzed. Initially, the key influencing parameters are identified and consolidated into four key characteristics aimed at providing the most comprehensive description of the bearing. These metrics encompass the performance of the bearing in terms of load-carrying capacity and power loss, the thermal interaction of individual components, bearing stiffness, and the lubricant film distribution. Building on this foundation, various measurement devices are put into operation. Integral quantities such as load-carrying capacity and power loss are measured in the newly designed high-speed test rig. To validate the thermal behavior, thermal resistances are determined, and temperature distributions are measured in a separate experimental setup. Mechanical properties such as wear, mechanical friction coefficients, and bearing stiffness are investigated through a variety of test setups and suitable measurements. Furthermore, the simulation model is analyzed and extended in relevant areas. For this purpose, CFD simulations of the rotor environment are conducted, in order to implement heat transfer coefficients at the rotor. Furthermore, a simple wear model is incorporated into the simulation based on the analysis of the bearing’s running-in behavior. Additionally, the formulation of the thermal resistance of the bearing is enhanced. Simulation uncertainties can be represented based on the measured input parameters of the simulation model. These uncertainties are crucial in cooperation with experimental uncertainties for the successful validation of the simulation model. The validation process demonstrates good agreement between the simulation model and experimental results regarding the key characteristics of the axial bearing, including power loss, wear patterns, and thermal behavior. However, challenges arise in accurately representing the stiffness of the bearing due to the alignment process of the bump foils. This research significantly contributes to the understanding of the behavior and complexity of air foil thrust bearings. The introduction of a novel wear algorithm enhances the accuracy and realism of the model. The results emphasize the importance of refining and incorporating precisely determined input parameter into the model to ensure an accurate representation of real-world behavior.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

In dieser Arbeit wird ein Simulationsmodell für Axialfolienlager, die zur Klasse der hydrodynamischen Gleitlager mit elastischer Lagerfläche gehören, validiert und erweitert. Das Modell ist in der Lage, integrale Größen wie die Tragfähigkeit und die Verlustleistung des Lagers zu bestimmen. Darüber hinaus können Druck- und Temperaturverteilungen sowie Verformungen der einzelnen Komponenten ermittelt werden. Ein validiertes Simulationsmodell ist entscheidend für die Auslegung und das Verständnis der Wirkzusammenhänge der Axiallagerung. Um die Validität der Simulation bestimmen zu können, werden deren Gültigkeitsbereich und die Aussagekraft der Ergebnisse analysiert. Dazu werden zunächst die wichtigsten Einflussparameter identifiziert. Diese werden in vier Kenngrößen zusammengefasst, die das Lager bestmöglich beschreiben sollen. Sie umfassen die Leistung des Lagers in Bezug auf Tragkraft und Verlustleistung, das thermische Zusammenspiel der einzelnen Komponenten, die Steifigkeit des Lagers und die Schmierfilmverteilung. Darauf aufbauend werden verschiedene Messgeräte in Betrieb genommen. Die integralen Größen wie Tragfähigkeit und Verlustleistung werden in einem Hochgeschwindigkeits-Prüfstand gemessen. Zur Validierung des thermischen Zustands werden in einem separaten Versuchsaufbau thermische Widerstände bestimmt und Temperaturverteilungen gemessen. Auch die mechanischen Eigenschaften wie Verschleiß, mechanische Reibungskoeffizienten und Steifigkeiten des Lagers werden mit einer Vielzahl von Versuchsaufbauten und geeigneten Messungen untersucht. Weiterhin wird das Simulationsmodell analysiert und an den entsprechenden Stellen erweitert. Zu diesem Zweck werden CFD-Simulationen der Rotorumgebung durchgeführt und Wärmeübergangskoeffizienten am Rotor in das Simulationsmodell des Lagers implementiert.Weiterhin werden basierend auf der Analyse des Einlaufverhaltens des Lagers ein Verschleißmodell in der Simulation abgebildet. Außerdem wird der thermische Widerstand des Lagers erweitert. Auf Basis der gemessenen Eingabeparameter des Simulationsmodells können Simulationsunsicherheiten dargestellt werden. Diese sind im Zusammenspiel mit den experimentellen Unsicherheiten entscheidend für die erfolgreiche Validierung des Simulationsmodells. Der abschließende Validierungsprozess zeigt gute Übereinstimmung des Simulationsmodells mit den experimentellen Ergebnissen in Bezug auf die Kenngrößen des Axiallagers, einschließlich Verlustleistung, Verschleißmuster und thermisches Verhalten. Allerdings ergeben sich Herausforderungen bei der genauen Darstellung der Steifigkeit des Lagers aufgrund des Ausrichtungsprozesses der Bump-Folien. Diese Forschungsarbeit trägt wesentlich zum Verständnis des Verhaltens und der Komplexität von axialen Folienlagern bei. Die Einführung eines neuartigen Verschleißalgorithmus erhöht die Genauigkeit und den Realismus des Modells. Um eine genaue simulative Darstellung des Verhaltens in der realen Welt zu gewährleisten, unterstreichen die Ergebnisse dieser Arbeit die Bedeutung der Modellverfeinerung und insbesondere die genaue Bestimmung der Eingabeparameter.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-275849
Classification DDC: 600 Technology, medicine, applied sciences > 620 Engineering and machine engineering
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Applied Dynamics (AD) > Modellierung von Öl- und Luftlagern für hochdrehende Rotoren
Date Deposited: 18 Jul 2024 12:16
Last Modified: 22 Jul 2024 08:27
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/27584
PPN: 519997670
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