Coupled thermo-elastohydrodynamic analysis of a bump-type compliant foil journal bearing

Abstract

Esnek folyo yatakların operasyonal kabiliyetleri çok farklı çalışma şartlarında gösterilmiştir. Literatürde deneysel birçok çalışma bulunamasına rağmen yatakların dizayn aşamasında geliştirilmesi ve optimize edilmesi için kapsamlı termal-hidrodinamik analizlere ihtiyaç bulunmaktadır. Deney sonuçlarıyla doğrulanmış modeller geliştirilmesi bu sistemlerin yeni turbomakinelerde uygulanmasını yaygınlaştıracaktır. Bu çalışmada birinci nesil bir kaymalı esnek folyo yatağın üç boyutlu termal, yapısal ve hidrodinamik performansını tahmin etmek üzere termo-elastohidrodinamik bir model geliştirilmiştir. Yapısal deformasyon ve hidrodinamik basınç sonlu elemanlar metoduyla çözülerek sonlu farklar metoduyla film sıcaklığını tespit için geliştirilen kod ile birleştirilmiştir. Augmented-Lagrangian mekanik temas ve ileri seviye termal kontak modelleri uygulanmıştır. Yatak mekanizmasının tamamı ve şaftın yatak ile etkileşen kısmı modele dahil edilmiştir. Yatak ve şaft malzemeleri olarak nikel-tabanlı süper alaşımlar seçilerek sıcaklığa bağımlı malzeme bilgileri çözücüye tanıtılmıştır. Şaft ve yatak sisteminin termal ve merkezkaç genleşmeleri çözüme dahil edilmiştir. Geliştirilen model folyo yatakların gerçek fiziğini iyi bir şekilde tahmin ederek ileri seviye yatak tasarımlarında kullanılabilecektir. Önerilen modelden elde edilen tahminler literatürdeki deneysel sıcaklık ölçümleriyle kıyaslanmış ve aralarında kabul edilebilir uyum gözlemlenmiştir. Farklı şaft hızları ve yükleme koşulları için termal ve yapısal performansı tahmin etmek üzere parametrik çalışma yapılmıştır. Momentum ve enerji denklemleri, mekanik ve termal kontak modelleri, sonlu elemanlar ve sonlu farklar metotlarında uygulanan formulasyonlar detaylarıyla açıklanmıştır.

This work presents a fully coupled thermo-elastohydrodynamic analysis of a bump-type compliant foil journal bearing. The operational characteristics of compliant foil bearings have been evaluated under different operating conditions. Even though some experimental research data are available in literature, extended thermo-hydrodynamic analysis is required to better understand and optimize the system performance at the design level. The presented comprehensive model benchmarked to experiment data will help enable the widespread usage in novel turbomachinery applications. The proposed model predicts three-dimensional thermal, structural and hydrodynamic performance of a bump-type compliant foil bearing. The model couples finite element analysis of the structural deformation and hyrodynamic pressure to a finite difference code for film temperature. The Augmented-Lagrangian contact model and advanced thermal contact modeling is applied. The model involves complete bearing mechanism as well as the interacting section of the shaft with the bearing. Nickel-based superalloys are used as bearing material and temperature dependent thermo-mechanical properties are defined in the solver. The thermal growth of the shaft, foil structure, bearing sleeve, and centrifugal growth of the shaft are considered. The model captures the physics very well and could be utilized to design more advanced bearings. The predictions of the proposed model are benchmarked to published experimental data and a reasonable correlation is obtained. Parametric study is conducted for various shaft speeds and loading conditions to predict thermal and structural performance. Derivation of governing momentum and energy equations, mechanical and thermal contact models, finite element and finite difference formulations are given in detail.