Dynamic state assessment of the high-speed rotor based on a structural-flow model of a foil bearing

• Autorzy: Żywica G. , Bagiński P. , Breńkacz Ł. , Miąskowski W. , Pietkiewicz P. , Nalepa K.

Warianty tytułu

PL

Ocena właściwości dynamicznych wysokoobrotowego wirnika w oparciu o strukturalno-przepływowy model łożyska foliowego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In the recent years, foil bearings have increasingly been used over a wide variety of different high-speed fluid-flow machinery. Since modern bearings of this type are the complex result of an assembly of several interdependent components, both their theoretical description and their modelling is very problematic. This article provides an analysis of the rotor supported by foil bearings conducted on the basis of an in-house developed numerical model. The model takes into account both structural and flow-related parameters, and makes it possible to determine the characteristics of a foil bearing under various operating conditions. The developed model allows analysing the dynamic performance of different foil bearings, taking into account the lubricating medium's properties as well as the geometry and characteristics of structural materials (top foil and bump foil). It gives an opportunity to shape the bearing freely so as to optimise its structure. An example of such an optimisation, which aims to minimise vibration of the rotor, was presented in the article.

PL

Łożyska foliowe są w ostatnich latach coraz częściej stosowane w różnego rodzaju wysokoobrotowych maszynach wirnikowych. Ponieważ współczesne łożyska tego typu stanowią wynik połączenia kilku współzależnych części składowych, zarówno ich opis teoretyczny jak i ich modelowanie nastręcza wielu trudności. W artykule przedstawiono przykład analizy wirnika z łożyskami foliowymi, wykonanej w oparciu o własny model numeryczny. W modelu tym uwzględniono zarówno parametry przepływowe jak i strukturalne, co pozwoliło na wyznaczenie charakterystyk układu w zależności od warunków pracy. Opracowany model pozwala na analizę właściwości różnego typu łożysk foliowych z uwzględnieniem właściwości czynnika smarnego oraz geometrii i charakterystyk materiałów konstrukcyjnych (folii ślizgowej i nośnej). Daje to możliwość dowolnego kształtowania właściwości łożyska oraz optymalizacji. Przykład takiej optymalizacji, której celem była minimalizacja drgań wirnika, został przedstawiony w artykule.

Słowa kluczowe

EN

rotor dynamics; foil bearing; modelling of bearing

PL

dynamika wirnika; łożysko foliowe; modelowanie łożyska

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Diagnostyki Technicznej
• Czasopismo: Diagnostyka
• Rocznik: 2017
• Tom: Vol. 18, No. 1
• Strony: 95--102
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Żywica G.

• Institute of Fluid Flow Machinery, Polish Academy of Sciences

autor

Bagiński P.

• Institute of Fluid Flow Machinery, Polish Academy of Sciences

autor

Breńkacz Ł.

• Institute of Fluid Flow Machinery, Polish Academy of Sciences

autor

Miąskowski W.

• University of Warmia and Mazury, Faculty of Technical Sciences

autor

Pietkiewicz P.

• University of Warmia and Mazury, Faculty of Technical Sciences

autor

Nalepa K.

• University of Warmia and Mazury, Faculty of Technical Sciences

Bibliografia

• 1. Agrawal GL. Foil air/gas bearing technology - an overview. ASME Paper No. 97-GT-347, 1997.
• 2. Banaszek S, Żywica G, Kiciński J, Bogulicz M. The dynamics of the laboratory rotor founded on gas foil bearings - numerical analysis. Proceedings of the 9th IFToMM International Conference on Rotor Dynamics 2014, Milano (Italy). DOI 10.1007/978-3-319-06590-8_101
• 3. Bonello PP, Pham HM. Nonlinear dynamic analysis of high speed oil-free turbomachinery with focus on stability and self-excited vibration. ASME Journal of Tribology 2014; 136(4): 041705-10. DOI:10.1115/1.4027859
• 4. Bruckner RJ. An assessment of gas foil bearing scalability and the potential benefits to civilian turbofan engines. Proceedings of ASME Turbo Expo 2010, Glasgow (UK), GT2010-22118. DOI:10.1115/GT2010-22118
• 5. DellaCorte C. A new foil air bearing test rig for use to 700°C and 70,000 rpm. Technical Report No. NASA TM-107405, Washington (USA), 1997.
• 6. DellaCorte C. Oil-free shaft support system rotordynamics: past, present and future challenges and opportunities. Mechanical Systems and Signal Processing 2012; 29: 67-76. DOI:10.1016/j.ymssp.2011.07.024.
• 7. Heshmat H, Hryniewicz P, Walton II JF, Willis JP, Jahanmir S, DellaCorte C. Low-friction wearresistant coatings for high-temperature foil bearings, Tribology International 2005; 38: 1059-1075. DOI: 10.1016/j.triboint.2005.07.036.
• 8. Hoffmann R, Pronobis T, Liebich R. The impact of modified corrugated bump structures on the rotor dynamic performance of gas foil bearings. Proceedings of ASME Turbo Expo 2014, Dusseldorf (Germany), GT2014-25636. DOI:10.1115/GT2014-25636.
• 9. Kiciński J. Rotor dynamics. IMP PAN Publishers, Gdansk 2006.
• 10. Kiciński J, Żywica G. Steam microturbines in distributed cogeneration. Springer, 2014. DOI:10.1007/978-3-319-12018-8.
• 11. Kim T, Breedlove AW, San Andrés L. Characterization of a foil bearing structure at increasing temperatures: static load and dynamic force performance. ASME Journal of Tribology 2009; 131(4): 041703-9. DOI:10.1115/1.3195042.
• 12. Larsen JS, Alejandro CV, Ilmar FS. Numerical and experimental investigation of bump foil mechanical behaviour. Tribology International 2014; 74: 46-56. DOI:10.1016/j.triboint.2014.02.004.
• 13. Larsen JS, Hansen AJT, Santos IF. Experimental and theoretical analysis of a rigid rotor supported by air foil bearings. Mechanics & Industry 2015; 16: 106-13 DOI:10.1051/meca/2014066.
• 14. Tkacz E, Kozanecka D, Kozanecki Z, Łagodziński J. Oil-free bearing development for high-speed turbomachinery in distributed energy systems - dynamic and environmental evaluation. Open Engineering 2015; 3: 343-348. DOI:10.1515/eng-2015-0044.
• 15. Żywica G, Bagiński P, Andrearczyk A. Experimental research on gas foil bearings with polymer coating at an elevated temperature, Tribologia 2016; 3: 217-227.
• 16. Żywica G, Bagiński P, Banaszek S. Experimental studies on foil bearing with a sliding coating made of synthetic material. ASME Journal of Tribology 2016; 138(1): 011301-10. DOI:10.1115/1.4031396.
• 17. Żywica G, Kiciński J, Bagiński P. The static and dynamic performance analysis of the foil bearing structure. Journal of Vibration Engineering & Technologies 2016; 4(3): 213-220.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).