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Main Title: Dynamisches Verhalten von Rotoren in axialen Gasfolienlagern
Subtitle: eine numerische Untersuchung
Translated Title: Dynamic behavior of rotors in axial gas foil bearings
Translated Subtitle: a numerical investigation
Author(s): Pronobis, Tomasz
Advisor(s): Liebich, Robert
Referee(s): Liebich, Robert
Santos, Ilmar F.
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/13473
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-12259
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Abstract: In der vorliegenden Arbeit wird ein numerisches Modell zur Simulation der Eigenschaften axialer Gasfolienlager (AGFL) entwickelt. Gasfolienlager (GFL) sind dabei eine Lagerungsart, die aufgrund von geringen Verlusten, Einsetzbarkeit in hohen und niedrigen Temperaturen, geringen Kosten sowie einer komplett ölfreien Schmierung großes Potenzial im Bereich kleiner Turbomaschinen besitzt. Im Vergleich zu den radialen Gasfolienlagern (RGFL) sind die AGFL deutlich weniger erforscht. So wurde das Auftreten von aufklingenden, selbsterregten Schwingungen, welches eines der Forschungsschwerpunkte der RGFL darstellt, bei deren axialen Pendants noch nicht untersucht. Da für einen komplett ölfreien Betrieb sowohl axiale als auch radiale Gasfolienlager erforderlich sind, widmet sich die vorliegende Arbeit dieser Thematik. Zu diesem Zweck werden numerisch die Gleichgewichtslagen der AGFL berechnet. Unter Verwendung eines Störungsansatzes werden für die betrachtete Gleichgewichtslage linearisierte Lagerparameter berechnet. Das entwickelte numerische Modell ist dabei in der Lage, die Gleichgewichtslagen unter Berücksichtigung von Ausrichtungsfehlern, sowie unter anisothermen Zuständen zu ermitteln. Die Submodelle werden dabei mit in der frei zugänglichen Literatur veröffentlichten experimentellen und numerischen Daten verglichen. Die Validierung gegen numerische Daten gelingt dabei ausnahmslos, während der Vergleich mit den experimentellen Daten teilweise noch Abweichungen aufweist. Deren Ursache und mögliche Lösungsvorschläge werden diskutiert. Die Parameter, welche die Lagertragfähigkeit, also die maximale aufnehmbare Lagerlast, beeinflussen, werden analysiert. Anschließend werden die linearisierten Lagerparameter und der Stabilitätseinfluss der Lager untersucht. Es wird gezeigt, dass die Steifigkeits- und Dämpfungsmatrizen eines ideal ausgerichteten Lagers durch jeweils drei Parameter beschrieben werden können, während unter Berücksichtigung von Ausrichtungsfehlern jeweils neun Parameter erforderlich sind. Für einen einfachen Rotor ohne Einfluss der radialen Lagerung auf die Stabilität wird ein analytisches Stabilitätskriterium aufgestellt. Das Verhalten der linearisierten Lagerparameter und deren Auswirkungen auf die Stabilität werden anschließend unter Bezug auf das zuvor entwickelte Stabilitätskriterium diskutiert. Der Stabilitätseinfluss der AGFL für einen in AGFL und RGFL gelagerten Rotor, mit bezüglich des Schwerpunktes symmetrischer Anordnung der RGFL, wird untersucht. Dabei wird sowohl numerisch als auch analytisch gezeigt, dass, falls die zylindrische Eigenform bei niedrigeren Drehzahlen als die konische Eigenform aufklingt, die Stabilitätsgrenze durch die axialen Gasfolienlager nicht beeinflusst wird. Falls jedoch die konische Eigenform vor der zylindrischen auftritt, dann wird die Einsatzdrehzahl dieser Instabilität durch die AGFL angehoben. Werden Rotoren betrachtet bei denen die RGFL nicht symmetrisch um den Schwerpunkt angeordnet sind oder nicht identisch belastet werden, dann haben die AGFL sowohl auf die konische als auch auf die zylindrische Eigenform einen Einfluss und sollten deshalb bei der Auslegung berücksichtigt werden.
In the present work a numerical model for the simulation of the properties of axial gas foil bearings (AGFL) is developed. Gas foil bearings (GFL) are a type of bearing which show great potential in the area of small turbomachines, due to low losses, operationality at high as well as low temperatures, low costs as well as completely oil-free lubrication. Compared to radial gas foil bearings (RGFL) the AGFL are significantly less thoroughly researched. Thus the occurrence of large-amplitude, self-excited vibrations, which is one of the main research topics of the RGFL, has not yet been investigated for their axial counterparts. Since both axial and radial gas foil bearings are required for a completely oil-free operation, the present work focuses on this topic. For this purpose the equilibrium positions of the AGFL are numerically calculated. Using a perturbation approach, linearized bearing parameters are calculated for the considered equilibrium position. The developed numerical model is able to take into account misalignments and thermal behavior. The submodels are compared against the experimental and numerical data published in the publicly available literature. The validation against numerical data is successful without exception, while the comparison with the experimental data still shows some deviations. Their cause and possible solutions are discussed. Influencing parameters are varied to analyze the bearing’s load carrying capacity, i.e. the maximum load that can be accommodated. Subsequently the linearized bearing parameters and the influence of the AGFL on stability is being investigated. It is shown that the stiffness- and damping matrices of an ideally aligned bearing can be described by three parameters each, while taking into account misalignment nine parameters are required for each matrix. For a simple rotor without the influence of radial bearings on stability, an analytical stability criterion is derived. The behavior of the linearized bearing parameters and their effects on stability are then assessed with reference to the previously developed stability criterion. The impact on stability of the AGFL for a rotor in AGFL and RGFL, with a symmetrical arrangement of the RGFL regarding the centre of gravity, is examined. Thus it is shown, both numerically and analytically, that if the cylindrical eigenmode becomes unstable at lower speeds than the conical eigenmode, the stability limit is not affected by the axial gas foil bearings. If, however, the conical mode appears at lower speeds than the cylindrical mode, then the onset speed of this instability is increased by the AGFL. If rotors are considered where the RGFL are not symmetrical with respect to the centre of gravity or are not subjected to identical loads, then the AGFLs influence the onset of instability for both the conical and the cylindrical eigenform and should therefore be taken into account in the design process.
Subject(s): Schwingungen
Rotordynamik
Stabilität
Gasfolienlager
Tragfähigkeit
vibrations
rotordynamics
stability
gas foil bearings
load carrying capacity
Issue Date: 2021
Date Available: 9-Sep-2021
Exam Date: 1-Jul-2021
Language Code: de
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
TU Affiliation(s): Fak. 5 Verkehrs- und Maschinensysteme » Inst. Maschinenkonstruktion und Systemtechnik » FG Konstruktion und Produktzuverlässigkeit
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