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Main Title: Entwicklung eines numerischen Modells zur Beschreibung von Gasfolienlagern unter Berücksichtigung der Temperatur
Translated Title: Development of a numerical Model describing Gas Foil Bearings while considering Temperature
Author(s): Michel, Hanns
Advisor(s): Liebich, Robert
Referee(s): Liebich, Robert
Santos, Ilmar F.
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: In this dissertation a numerical model describing the properties of radial gas foil bearings under consideration of temperature is developed. For this purpose, the equilibrium position in which the external load and the force acting on the rotor resulting from the pressure field compensate each other is determined at constant load and speed. The results are utilized in combination with a perturbation approach to deduce the linearized dynamic bearing parameters. These allow the assessment of the stability behavior and the calculation of the onset speed of instability. Temperature has a direct influence on these parameters, as it is a quantity in the Reynolds equation used to determine the pressure field, and an indirect influence, as the viscosity of the lubricant, which is also included, is (usually) temperature-dependent. In addition, this work shows that the relationship between thermal expansion of the rotor and the bearing housing also has a considerable influence. In order to be able to represent the influences of different assumptions on geometry parameters and sub models as well as boundary conditions, the overall model is developed in a modular way and offers the possibility to compare many variants with each other by simply changing the settings. This is demonstrated in the course of the comparison with data sets from the literature and own measurements by the detailed analysis of the effects of two structural models (simple elastic foundation model and link-spring model) for the bump foil and two heat transport models for the bearing housing (thermal resistance model and FVM model). The effect of temperature on the linearized bearing parameters and on the stability as well as the load carrying capacity, which are important for gas foil bearings, are investigated on different bearing configurations. While there are no clear differences in the stability, the influence on the load carrying capacity is very noticeable due to the expansion of the bearing components. The scope of these comparisons is made possible by the high degree of automation in the calculation processes and the very robust Nelder-Mead minimization algorithm as well as the acceleration by exploiting symmetry, non-equidistant mesh and the conversion of time-critical functions into C code. Through this implementation the code could be used during a design process for preliminary investigations and determination of a bearing configuration as prototypes in a possible application.
In dieser Arbeit wird ein numerisches Modell zur Beschreibung von Eigenschaften radialer Gasfolienlager unter Berücksichtigung der Temperatur entwickelt. Dazu wird die Gleichgewichtslage, in der sich die äußere Belastung und die aus dem Druckfeld resultierenden auf den Rotor wirkende Kraft gerade kompensieren, bei konstanter Last und Drehzahl bestimmt. Aus den Ergebnissen dieser Gleichgewichtslage werden die linearisierten dynamischen Lagerparameter als Reaktion auf angenommene Störungen in den die Gleichgewichtslage bestimmenden Größen berechnet. Mit diesen lässt sich das Stabilitätsverhalten charakterisieren und die Einsatzdrehzahlen von Instabilität ermitteln. Die Temperatur nimmt auf diese Größen direkten Einfluss, da sie als Variable, in die zur Bestimmung des Druckfelds verwendete Reynolds-Gleichung eingeht und indirekten Einfluss, da auch die ebenfalls enthaltene Viskosität des Schmiermediums üblicherweise temperaturabhängig ist. Darüber hinaus wird in dieser Arbeit festgestellt, dass das Verhältnis zwischen thermischer Aufweitung des Rotors und der Lagerschale ebenfalls einen erheblichen Einfluss hat. Um die Einflüsse verschiedener Annahmen zu Geometrieparametern und Teilmodellen sowie Randbedingungen darstellen zu können, ist das Gesamtmodell modular entwickelt und bietet die Möglichkeit viele Varianten miteinander zu vergleichen. Dies wird im Zuge des Vergleichs mit Datensätzen aus der Literatur und eigenen Messwerten durch die detaillierte Analyse der Auswirkungen von zwei Strukturmodellen (simple elastic foundation model und link-spring-Modell) für die bump foil und zwei Wärmetransportmodellen für die Lagerschale (Wärmewiderstandsmodell und FVM-Modell) demonstriert. Die Auswirkung der Temperatur auf die linearisierten Lagerparameter und auf die für Gasfolienlager wichtigen Größen Stabilität und Tragfähigkeit werden an verschiedenen Lagerkonfigurationen untersucht. Während sich bei der Stabilität keine eindeutigen Unterschiede ergeben, ist der Einfluss auf die Tragfähigkeit durch die Aufweitung der Lagerkomponenten sehr deutlich. Der Umfang dieser Vergleiche wird durch den hohen Automatisierungsgrad bei den Abläufen zur Berechnung und den sehr robusten Nelder-Mead-Minimierungsalgorithmus sowie der Beschleunigung durch Ausnutzung von Symmetrie, nicht äquidistantem Netz und Umsetzung zeitkritischer Funktionen in C-Code ermöglicht. Durch diese Umsetzung ließe sich der Code während eines Auslegungsprozesses zu Voruntersuchungen und Ermittlung einer Lagerkonfiguration für den Prototypenbau in einer möglichen Anwendung nutzen.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/12086
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-10961
Exam Date: 26-Nov-2020
Issue Date: 2020
Date Available: 16-Dec-2020
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften
Subject(s): Gasfolienlager
Gleichgewichtslage
Temperatur
Stabilität
Tragfähigkeit
gas foil bearing
steady-state
temperature
stability
load carrying capacity
License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/
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