Podwyższenie nośności i temperatury pracy foliowych łożysk podatnych wzdłużnych

• Autorzy: Hryniewicz P. , Heshmat H.

Warianty tytułu

EN

Advancing the load capacity and operating temperature of foil thrust bearings

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W zastosowaniach wymagających bardzo wysokich prędkości obrotowych lub bardzo wysokich temperatur pracy, ślizgowe foliowe łożyska podatne (compliant foil bearings) mają wiele zalet w porównaniu z łożyskami tocznymi. Umożliwiają one smarowanie bezolejowe płynami technologicznymi (gazami lub cieczami), dzięki dobrym właściwościom tłumienia drgań oferują stabilną pracę nawet przy wysokich prędkościach obrotowych, a w przypadku smarowania powietrzem mogą funkcjonować przy temperaturach nawet do 800°C. Podczas gdy w latach ubiegłych prowadzono intensywne prace badawcze nad łożyskami foliowymi poprzecznymi, podwyższając ich nośność do 670 kPa w roku 1994, nośność łożysk foliowych wzdłużnych w tym samym czasie kształtowała się na poziomie 150 kPa do 200 kPa. Obecna praca przedstawia niedawne znaczące osiągnięcia w zakresie podwyższenia nośności łożysk podatnych wzdłużnych smarowanych powietrzem, jak również w zakresie rozszerzenia temperatury pracy tych łożysk do 800°C. Poprzez wykorzystanie dostępnych metod analitycznych i numerycznych i poprzez zastosowanie niedawno opracowanych nowych powłok zaprojektowano nowe łożyska wzdłużne o ulepszonej geometrii i podatności, które bardzo dobrze tolerują chwilowy kontakt pomiędzy łożyskiem a wirującą powierzchnią oporową. Nowe łożyska, o średnicy wewnętrznej 47 mm i średnicy zewnętrznej 97 mm, wykazały się nośnością 570 kPa w temperaturze pokojowej i przy prędkości liniowej 200 m/s (mierzonej na średnicy zewnętrznej). To osiągnięcie stanowi podwższenie nośności łożysk tego typu o 100% w porównaniu z łożyskami dostępnymi do tej pory i znacząco rozszerza możliwości zastosowań. Obecna praca omawia również kwestie podwyższenia nośności łożysk podatnych wzdłużnych przy prędkościach liniowych bliskich i przekraczających Mach 1, jak również demonstruje smarowanie aerodynamiczne jednego sektora łożyska podatnego wzdłużnego w temperaturze 810°C.

EN

Compliant foil bearings offer many advantages over rolling element bearings in high-speed and high-temperature applications. Foil bearings are stable at high speeds, operate with process fluids (gas or liquid), and can operate at temperatures up to 800°C. While journal bearings received more research attention in the past, and a bearing with 670 kPa load capacity was reported in 1994, the load capacity of foil thrust bearings available at the time was in the 150 kPa to 200 kPa range. This paper discusses a recent major breakthrough in the improvement of the load capacity of compliant foil thrust bearings, and in extending their operating temperature range to 800°C. Applying the available analytical tools and newly developed coatings, new thrust bearings were designed with improved pad geometry and stiffness, and excellent tolerance to intermittent high-speed rubs. The new bearings, with an ID of 47 mm and an OD of 97 mm, demonstrated the load capacity of 570 kPa at 200 m/s runner tip speed. This achievement constitutes a 100% improvement over the state of the art hydrodynamic foil thrust bearings and significantly extends the envelope of possible bearing applications. Improving the bearing load capacity at speeds near Mach 1 and higher is also discussed in this paper. In addition, hydrodynamic operation of foil bearing pads at 800°C is reported here.

Słowa kluczowe

PL

łożyska podatne foliowe; łożyska aerodynamiczne wzdłużne; nośność łożyska wzdłużnego; powłoki wysokotemperaturowe

EN

compliant foil thrust bearing; load capacity; high-temperature coatings

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2004
• Tom: nr 3
• Strony: 145--157
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys.

Twórcy

autor

Hryniewicz P.

• Mohawk Innovative Technology, Inc., Albany, New York, USA.

autor

Heshmat H.

• Mohawk Innovative Technology, Inc., Albany, New York, USA.

Bibliografia

• 1. Heshmat H.: Advancements in Performance of Aerodynamic Foil Journal Bearings: High Speed and Load Capacity, J. Trib. Trans. ASME, 116, pp. 287-295, 1994.
• 2. Heshmat H., Ku C.-P.R.: Structural Damping of Self-Acting Compliant Foil Journal Bearings. J. Trib. Trans. ASME, 116, pp. 76-82, 1994.
• 3. Walton J.F., Heshmat H.: Compliant Foil Bearings for Use in Cryogenic Turbopumps. Proceedings of Advanced Earth-to-Orbit Propulsion Technology Conference Held at NASA/MSFC May 17-19, 1994, NASA CP3282 Vol. 1, pp. 372-381, 1994.
• 4. Heshmat H., Walton J.F.: Oil-Free Turbocharger Demonstration Paves Way to Gas Turbine Engine Applications, presented at International Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exhibition, Munich, Germany, 2000.
• 5. Emerson T.P.: The Application of Foil Air Bearing Machinery in Aircraft Environmental Control Systems, ASME technical paper 78-ENAs-18, 1978.
• 6. Heshmat H., Shapiro W.: Advanced Development of Air-Lubricated Thrust Bearings. ALSE Lubr. Engrg. 40 (1), pp. 21-26, 1984.
• 7. Iordanoff I.: Analysis of an Aerodynamic Compliant Thrust Bearing: Method for a Rapid Design, J. Trib. Trans. ASME, 121, pp. 816-822, 1999.
• 8. Heshmat H., Walowit J., Pinkus O.: Analysis of Gas-Lubricated Compliant Thrust Bearings. J. Lubr. Tech. Trans. ASME, 105 (4), pp. 638, 646-655, 1983.
• 9. Heshmat C.A., Xu, D.S., Heshmat H.: Analysis of Gas Lubricated Foil Thrust Bearings Using Coupled Finite Element and Finite Difference Methods. J. Trib. Trans. ASME, 122 (1), pp. 199-204, 2000.
• 10. Heshmat H.: High Load Capacity Compliant Foil Hydrodynamic Thrust Bearing, Patent USA Nr 5, 961, 217, wydany 30 lipca 1998 r.
• 11. Strona internetowa www.korolon.com
• 12. Hryniewicz P., Locke D.H., Heshmat H.: New-Generation Development Rigs for Testing High-Speed Air-Lubricated Thrust Bearings. Tribology Transactions, 46 (4), pp. 556-559, 2003.
• 13. Gross W. A.: Gas Film Lubrication, John Wiley and Sons, Inc. New York, 1962.
• 14. Heshmat C., Tomaszewski M.J., Żabiński J.S.: High Speed and High Temperature Tribometer for Chearacterization of Advanced Tribomaterials. presented at the STLE Annual Meeting, Nevada, May 1999.
• 15. Heshmat H., Pinkus O., Godet M.: On a Common Tribological Mechanism between Interacting Surfaces. STLE Transactions, 32(1) pp. 32-41, 1989.