Experimentelle Untersuchungen des dynamischen Verhaltens von Gasfolienlagern und dessen konstruktive Beeinflussbarkeit
| dc.contributor.advisor | Liebich, Robert | |
| dc.contributor.author | Djoko Kayo, Gervais Cédric | |
| dc.contributor.grantor | Technische Universität Berlin | en |
| dc.contributor.referee | Liebich, Robert | |
| dc.contributor.referee | Santos, Ilmar F. | |
| dc.date.accepted | 2022-01-28 | |
| dc.date.accessioned | 2022-03-29T07:29:36Z | |
| dc.date.available | 2022-03-29T07:29:36Z | |
| dc.date.issued | 2022 | |
| dc.description.abstract | Gasfolienlager (aus dem Englischen Gas Foil Bearing, kurz GFB) sind aufgrund ihres Aufbaus sowie ihres Schmiermediums umweltfreundliche, verlustarme und kostengünstige Maschinenkomponenten, die besonders bei leichten und schnellen Rotoren Anwendung finden. Dank ihrer elastischen Lagerwand können sie im Gegensatz zu Gleitlagern leichte Druckschwankungen im Schmierfilm während des Betriebs selbst regulieren. Diese Lagertechnologie wurde jedoch noch nicht ausreichend erforscht. Daher ist das Hauptziel dieser Arbeit die experimentelle Untersuchung von GFBs sowie von GFB-gelagerten Rotoren. Die elastische Lagerwandstruktur, die, wie bereits erwähnt, die Besonderheit der GFBs darstellt, ist das erste Untersuchungsobjekt in dieser Arbeit. Dabei wird das Strukturverhalten sowohl numerisch simuliert als auch experimentell untersucht. Es werden im analytischen Teil statische sowie dynamische Modelle nach Iordanoff, Heshmat sowie Le Lez implementiert und einander gegenübergestellt. Dabei zeigt das Modell von Le Lez gute Ergebnisse und wird als Strukturmodell für den weiteren numerischen Teil bevorzugt. Die experimentellen Versuche an der elastischen Lagerwand werden statisch sowie dynamisch durchgeführt. Bei der statischen Untersuchung wird das GFB von einer statischen Kraft belastet, um den Weg-Kraft-Verlauf aufzunehmen. Die Messung wird an einem mit Shims modifizierten sowie einem nicht modifizierten Lager durchgeführt. Es handelt sich bei den Shims um metallischen Lehrenbleche, die zwischen Bumpfolie und Gehäuse hineingebracht werden. Diese Modifikation des Lagers sorgt für einen Anstieg der Lagersteifigkeit und eine Reduzierung des Nominalspalts. Bei der dynamischen Messung gilt das Interesse dem Verhalten der Struktur in Abhängigkeit der Erregerfrequenz, der Schwingungsamplituden und der statischen Lagerlast. Das Lagerstrukturverhalten wird anschließend hinsichtlich Steifigkeit und Dämpfung analysiert. Die Versuche zeigen bei zunehmenden Frequenzen eine Erhöhung der Steifigkeit, während die Dämpfung abnimmt. Dieses Verhalten ist unabhängig von den Schwingungsamplituden. Im realen Betrieb setzt sich jedoch die Steifigkeit und die Dämpfung von GFBs sowohl aus der elastischen Lagerwandstruktur als auch aus dem Schmierfilm zusammen. Zur Bestimmung dieser Lagerparameter werden Versuche bei unterschiedlichen konstanten Drehzahlen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass durch den dabei aufgebauten Schmierfilm die Steifigkeit des Lagers sinkt. Außerdem lässt sich ein Anstieg der Lagersteifigkeit durch die Modifizierung des Lagers mit Shims beobachten. Die Untersuchungen zur Bestimmung der Lagerparameter sind zeit- und kostenintensiv. Daher ist die Reproduktion dieser Versuche durch numerische Simulationen anzustreben. Dabei werden sowohl der Schmierfilm als auch die elastische Lagerwandstruktur modelliert. Ein Vergleich mit den experimentellen Ergebnissen deutet darauf hin, dass das Modell etwas konservativer ist, denn die Lagerparameter werden ein wenig unterschätzt. Dennoch liefert das Modell eine gute Vorhersage für die Auslegung von GFBs. Beim letzten Experiment wird untersucht, wie ein mit GFB-gelagerter Rotor auf reale Einflüsse, wie Beschleunigungsänderung oder Unwucht, reagiert. Dabei liegt der Fokus auf den subharmonischen Schwingungen, die bei GFB-gelagerten Systemen im höheren Drehzahlbereich auftreten. Aufgrund der niedrigen Dämpfung der GFBs können diese Schwingungen nicht ausreichend gedämpft werden. Solche Schwingungen können zur Lagerversagen führen, wenn ihre Amplitude ausreichend hoch ist. Im Rahmen dieser rotordynamischen Untersuchung wird durch passive Maßnahmen (Shims) die Entstehung von subharmonischen Schwingungen beeinflusst. Diese Maßnahme zeigt positiven Effekte auf das rotordynamische Verhalten unter anderem die Reduzierung der Schwingwege und die Unterdrückung der subharmonischen Schwingungen im niedrigen Drehzahlbereich. Es wurden somit diverse Parameter von GFBs untersucht und deren Einflüsse qualitativ und quantitativ zusammengefasst. | de |
| dc.description.abstract | Due to their structure and their lubricant, gas foil bearings (GFBs) are environmentally friendly, low-loss and low-cost machine components, which are used particulary for lighter and faster rotors. Thanks to their compliant structure, in contrast to plain bearings, they can regulate slight pressure fluctuations in the lubricating film themselves during operation. However, the GFB technology has not been sufficiently researched. Therefore, the main goal of this work is the experimental investigation of GFBs as well as of GFB-supported rotors. The compliant structure, which, as already mentioned, is the special feature of the GFBs, is the first object of investigation in this work. Therefore the structure is modeled numerically and examined experimentally. Static and dynamic models according to Iordanoff, Heshmat and Le Lez are implemented and compared in the numerical work. The Le Lez’s model shows good results and is preferred as the structural model for further numerical work. The experimental tests on the compliant structure are carried out statically and dynamically. During the static examination, the GFB is loaded with a static force in order to record the force-displacement curve. The measurement is performed on a GFB modified with shims and on an unmodified GFB. The shims are metallic feeler gauge tapes that are inserted between the bump foil and the housing. This modification of the bearing increases the stiffness of the structure and reduces the nominal gap. In the case of dynamic measurements, there is an interest in the behavior of the structure depending on the excitation frequency, the vibration amplitudes and the static bearing load. The bearing structure behavior is then analyzed regarding its stiffness and damping. The tests show an increase in stiffness with increasing frequencies, while the damping decreases. This behavior is independent of the vibration amplitudes. In real operation however, the stiffness and damping of GFBs derive from both the compliant structure and the lubricating air film. In order to determine these bearing parameters, tests are carried out at various constant speeds. The results show that the bearing stiffness is lower in the presence of the developing lubricating air film. Furthermore, an increase of the bearing stiffness can be observed by the modification of the bearing with shims. The investigations to determine the bearing parameters are time and cost intensive. Therefore, today’s aim is to replace these tests with numerical simulations. For this purpose both the lubrica- ting film and the compliant bearing structure are modeled. A comparison with the experimental results suggests that the model is a little conservative, because the bearing parameters are slightly underestimated. Nevertheless, the model provides a good prediction for the design of GFBs. The last experiment investigations how a rotor mounted with GFBs reacts to realistic influences such as changes in acceleration or unbalance. In this investigation the focus lies on the subharmonic vibrations that occur in systems with GFBs in the higher speed range. Due to the low damping of the GFBs, these vibrations cannot be damped sufficiently. Such vibrations can lead to bearing failure if their amplitude is sufficiently high. In the course of this rotordynamic investigation, the generation of these vibrations is influenced by passive measures (shims). This measure shows positive effects on the dynamic behavior of the rotor, such as the reduction of the vibration amplitude and the suppression of subharmonic vibrations in the low speed range. Thus, various parameters on GFBs were examined and their influences recorded qualitatively and quantitatively. | en |
| dc.identifier.uri | https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/16455 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-15231 | |
| dc.language.iso | de | en |
| dc.rights.uri | https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ | en |
| dc.subject.ddc | 629 Andere Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaften | de |
| dc.subject.other | Gasfolienlager | de |
| dc.subject.other | Struktursteifigkeit | de |
| dc.subject.other | Strukturdämpfung | de |
| dc.subject.other | nominaler Lagerspalt | de |
| dc.subject.other | subharmonische Schwingungen | de |
| dc.subject.other | GFB | en |
| dc.subject.other | structural stiffness | en |
| dc.subject.other | structural damping | en |
| dc.subject.other | nominal clearance | en |
| dc.subject.other | subsynchronous vibrations | en |
| dc.title | Experimentelle Untersuchungen des dynamischen Verhaltens von Gasfolienlagern und dessen konstruktive Beeinflussbarkeit | de |
| dc.title.translated | Experimental studies of the dynamic behavior of gas foil storage and its constructive influence | en |
| dc.type | Doctoral Thesis | en |
| dc.type.version | acceptedVersion | en |
| tub.accessrights.dnb | free | en |
| tub.affiliation | Fak. 5 Verkehrs- und Maschinensysteme::Inst. Maschinenkonstruktion und Systemtechnik::FG Konstruktion und Produktzuverlässigkeit | de |
| tub.affiliation.faculty | Fak. 5 Verkehrs- und Maschinensysteme | de |
| tub.affiliation.group | FG Konstruktion und Produktzuverlässigkeit | de |
| tub.affiliation.institute | Inst. Maschinenkonstruktion und Systemtechnik | de |
| tub.publisher.universityorinstitution | Technische Universität Berlin | en |