An efficient three-dimensional foil structure model for bump-type gas foil bearings considering friction

  • PDF / 2,820,235 Bytes
  • 14 Pages / 595.22 x 790.976 pts Page_size
  • 63 Downloads / 194 Views

DOWNLOAD

REPORT


ISSN 2223-7690 CN 10-1237/TH

RESEARCH ARTICLE

An efficient three-dimensional foil structure model for bump-type gas foil bearings considering friction   Yongpeng GU, Xudong LAN*, Gexue REN, Ming ZHOU School of Aerospace Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China Received: 25 December 2019 / Revised: 01 June 2020 / Accepted: 07 July 2020

© The author(s) 2020. Abstract: This paper presents an efficient three‐dimensional (3D) structural model for bump‐type gas foil  bearings (GFBs) developed by considering friction. The foil structures are modeled with a 3D shell finite  element  model.  Using  the  bump  foil  mechanical  characteristics,  the  Guyan  reduction  and  component  mode  synthesis  methods  are  adopted  to  improve  computational  efficiency  while  guaranteeing  accurate  static  responses.  A  contact  model  that  includes  friction  and  separation  behaviors  is  presented  to  model  the interactions of the bump foil with the top foil and bearing sleeve. The proposed structural model was  validated with published analytical and experimental results. The coupled elastohydrodynamics model of  GFBs was established by integration of the proposed structural model with data on hydrodynamic films,  and  it  was  validated  by  comparisons  with  existing  experimental  results.  The  performance  of  a  bearing  with  an  angular  misalignment  was  studied  numerically,  revealing  that  the  reaction  torques  of  the  misaligned  bearing  predicted  by  GFB  models  with  2D  and  3D  foil  structure  models  are  quite  different.  The 3D foil structure model should be used to study GFB misalignment.    Keywords: gas  foil  bearing;  bump  foil  model;  frictional  contact;  elastohydrodynamics;  bearing  misalignment     

1    Introduction  Gas foil bearings (GFBs) have been applied to high  speed and high performance rotating machinery in  many  industrial  fields  because  of  their  low  frictional  losses  and  oil‐free  operation  [1,  2].  Designing  hydrodynamic  bearings  requires  the  analysis  of  important  characteristics  such  as  the  hydrodynamic  pressure  distribution  [3]  and  the  minimum film thickness [4]. The behavior of GFBs  depends  on  both  the  gas  film  and  compliant  foil  structure.  The  foil  structure  usually  consists  of  a  smooth top foil that acts as a bearing surface and a  support  structure  that  provides  flexibility  and  frictional  energy  dissipation.  Among  the  various  types of GFBs, the bump‐type foil bearing is most 

widely  used,  and  it  is  illustrated  in  Fig.  1.  The  bump  foil  structure  is  one  of  the  most  critical  aspects  of  GFB  designs,  as  it  can  greatly  improve  the  bearing  performance  [5].  However,  the  complex geometry and nonlinear friction behavior  lead  to  challenges  in  analyzing  its  mechanical  characteristics.  Walowit  and  Anno  [6]  first  investigated  the  mechanics  of  an  individual  bump  without  considering  the  friction  between  the  top  foil  and  the  bump  foi