Modelling and analysis of rotating systems with gas foil bearings under transient operating conditions

• Autorzy: Żywica G. , Bogulicz M. , Bagiński P.

Warianty tytułu

PL

Modelowanie i analiza stanów przejściowych układów wirujących z aerodynamicznymi łożyskami foliowymi

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Gas foil bearings are on the cutting edge of bearing systems that spread worldwide. Although it is a common practice to apply such systems to high-speed fluid-flow machinery, their modelling and analysis still pose a number of problems. This article describes the methodology used to assess dynamic properties of a rotor-bearings system supported by foil bearings. Particularly close attention has been paid to the system operation in a transitional state during which a gaseous lubricating film is formed. The conception for the description of the rotor support characteristics was implemented in a computer program that is still under development. The approach that has been taken makes it possible to analyse the system properties throughout a whole range of rotational speeds. Another approach used in the past enabled for analyses of the dynamic performance of rotors, but only on the condition that bearing operation is correct (i.e. only fluid friction in bearing is present). The new model allows for much broader analyses of bearings operation, as confirmed by the obtained results. The article discusses exemplary results of analyses and shows a way one can assess the dynamic properties of rotating machinery equipped with foil bearings even when analysed under transient operating conditions.

PL

Gazowe łożyska foliowe są innowacyjną i coraz częściej stosowaną metodą łożyskowania wysokoobrotowych wirników, ale ich modelowanie i analiza wciąż sprawia wiele trudności. W niniejszym artykule przedstawiono koncepcję ciągłego opisu właściwości dynamicznych wirnika podpartego na łożyskach foliowych. Szczególną uwagę poświęcono pracy układu w obszarze stanu przejściowego, gdy gazowy film smarny zaczyna się tworzyć. Opracowana koncepcja opisu charakterystyk podparcia wirnika została zaimplementowana w rozwijanym programie komputerowym, co umożliwia analizę właściwości układu w pełnym zakresie prędkości obrotowych. Wcześniej stosowane podejście pozwalało na analizę właściwości dynamicznych wirników tylko pod warunkiem poprawnej pracy łożyska, tzn. w obszarze tarcia płynnego. Opracowany model ma znacznie szersze zastosowanie, co zostało potwierdzone w przeprowadzonych badaniach. W artykule przedstawiono przykładowe wyniki analiz pozwalających na ocenę właściwości dynamicznych układów wirujących z łożyskami foliowymi także w stanach przejściowych.

Słowa kluczowe

EN

foil bearings; gas bearings; high-speed bearings; micro-turbines

PL

łożyska foliowe; łożyska gazowe; łożyska wysokoobrotowe; mikroturbiny

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2017
• Tom: nr 2
• Strony: 167--173
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., rys.

Twórcy

autor

Żywica G.

• Institute of Fluid Flow Machinery, Polish Academy of Sciences, Department of Turbine Dynamics and Diagnostics, Fiszera 14,80-231 Gdańsk

autor

Bogulicz M.

• Institute of Fluid Flow Machinery, Polish Academy of Sciences, Department of Turbine Dynamics and Diagnostics, Fiszera 14,80-231 Gdańsk

autor

Bagiński P.

• Institute of Fluid Flow Machinery, Polish Academy of Sciences, Department of Turbine Dynamics and Diagnostics, Fiszera 14,80-231 Gdańsk

Bibliografia

• 1. Nalepa K., Pietkiewicz P., Żywica G., Development of the foil bearing technology, Technical Sciences, 12, 2009, 229–240.
• 2. DellaCorte C., Oil-free shaft support system rotordynamics: past, present and future challenges and opportunities, Mechanical Systems and Signal Processing, 29, 2012, 67–76.
• 3. Tkacz E., Kozanecki Z., Kozanecka D., Numerical methods for theoretical analysis of foil bearing dynamics, Mechanics Research Communications, 82, 2017, 9–13.
• 4. Miąskowski W., Pietkiewicz P., Żywica G., Modeling foil bearings, Technical Sciences, 12, 2009, 241–248.
• 5. Bruckner R.J., An assessment of gas foil bearing scalability and the potential benefits to civilian turbofan engines, Proceedings of ASME Turbo Expo 2010, Glasgow (UK) 2010.
• 6. Heshmat H., Hryniewicz P., Walton II J.F., Willis J.P., Jahanmir S., DellaCorte C., Low-friction wear-resistant coatings for high-temperature foil bearings, Tribology International, 38, 2005, 1059–1075.
• 7. Żywica G., Bagiński P., Andrearczyk A., Experimental research on gas foil bearings with polymer coating at an elevated temperature, Tribologia, 3, 2016, 217–227.
• 8. 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.
• 9. Jahanmir S., Heshmat H., Heshmat C., Assessment of tribological coatings for foil bearing applications, Tribology Transactions, 52(2), 2009, 231–242.
• 10. Kiciński J., Żywica G., The numerical analysis of the steam microturbine rotor supported on foil bearings, Advances in Vibration Engineering, 11(2), 2012, 113–119.
• 11. Tkacz E., Kozanecki Z., Kozanecka D., Łagodziński J., A self-acting gas journal bearing with a flexibly supported foil – numerical model of bearing dynamics International Journal of Structural Stability and Dynamics, 17(5) 2017.
• 12. Żywica G., Kiciński J., Bagiński P., The static and dynamic numerical analysis of the foil bearing structure, Journal of Vibration Engineering & Technologies, 4(3), 2016, 213–220.
• 13. Aksoy S., Aksit M.F., A fully coupled 3D thermo-elastohydrodynamics model for a bump-type compliant foil journal bearing, Tribology International, 82, 2015, 110–122.
• 14. Larsen J.S., Hansen A.J.T., Santos I.F., Experimental and theoretical analysis of a rigid rotor supported by air foil bearings, Mechanics & Industry, 16, 2015, 106–119.
• 15. Bogulicz M., Żywica G., Program MESLOF do wspomagania analizy wirników wspartych na łożyskach foliowych, Mechanik, 7, 2013, 23–30.
• 16. Kiciński J., Rotor dynamics, IFFM Publishers, Gdańsk 2006.

Uwagi

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