Thermohydrodynamic analysis of tilting pad thrust bearings with artificial surface texturing

Zouzoulas, Vasileios D.; Ζούζουλας, Βασίλειος Δ.

dc.contributor.author	Zouzoulas, Vasileios D.	en
dc.contributor.author	Ζούζουλας, Βασίλειος Δ.	el
dc.date.accessioned	2015-03-30T12:50:16Z
dc.date.available	2015-03-30T12:50:16Z
dc.date.issued	2015-03-30
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/40494
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.8965
dc.rights	Default License
dc.subject	Thrust bearing	en
dc.subject	Ωστικά έδρανα	el
dc.subject	Tilting pad	en
dc.subject	Artificial texturing	en
dc.subject	Thermohydrodynamic analysis	en
dc.subject	Αυτορρυθμιζόμενα	el
dc.subject	Τεχνητή επιφανειακή τραχύτητα	el
dc.subject	Υδροφοβικότητα	el
dc.subject	Θερμοϋδροδυναμική ανάλυση	el
dc.title	Thermohydrodynamic analysis of tilting pad thrust bearings with artificial surface texturing	en
dc.title	Θερμοϋδροδυναμική ανάλυση αυτορρυθμιζόμενων ωστικών εδράνων με τεχνητή επιφανειακή τραχύτητα	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Υδροδυναμική λίπανση	el
heal.classification	Hydrodynamic lubrication	en
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2014-12-22
heal.abstract	Friction is one of the most important causes of energy losses in mechanical systems. In ships, substantial friction losses are present in the propulsion system, both in the engine (in piston rings, crankshaft bearings and connecting rod bearings, etc.), and in the shaft arrangement (in journal bearings and in thrust bearings), as well as in the gearbox unit, if it exists. The present work is concerned with the study of friction losses and their mitigation in thrust bearings, especially in those which fall into the category of fluid film bearings. These key machine components are used to transfer large axial loads between a rotating and a stationary part by developing hydrodynamic pressure in a thin lubricant film that separates the shaft from the bearing. Apart from their usage in marine propulsion systems, thrust bearings can also be found in many other rotating machines like pumps, turbines, compressors and hydro generators. The aim of the present study is to model both the thermal and the hydrodynamic phenomena (Thermohydrodynamic - THD analysis) of the fluid flow during the operation of a tilting-pad thrust bearing, using Computational Fluid Dynamics (CFD). To this end, a geometric model of a three dimensional sector-shaped bearing pad is generated and utilized within a CFD code, which calculates the tribological characteristics of the system. Additionally, a developed scripting tool is used to attain the equilibrium position of the bearing pad, by equalizing the forces and moments exerted on the system. Attention is given to the trends of essential operating parameters, including minimum film thickness, friction torque, maximum fluid temperature and maximum fluid pressure, under various operating conditions, in particular under different rotating speeds and imposed thrust loads. Following the results of recent research, which have shown that application of artificial surface texturing to a part of a sliding surface may lead to reduced friction and increased film thickness in other tribological applications, this study investigates the impact of certain geometric patterns on the performance of tilting-pad thrust bearings. Four different types of thrust bearings of the same principal dimensions have been evaluated for different combinations of thrust load and rotational speed: (a) a pocket bearing, (b) a bearing with circumferential grooves, (c) a bearing with radial grooves and (d) a bearing with rectangular texturing. In addition, for the two most effective geometries, a parametric analysis has been conducted to identify the effect of the main design parameters on bearing performance. The examined parameters are the textured depth, as well as the radial and circumferential texture extents. For each case, the performance gains obtained by texturing are evaluated with respect to the performance of a conventional plain bearing. Finally, following a different approach, the potential effects on thrust bearing performance of introducing hydrophobic properties on part of the tilting-pad surface are assessed. The present results demonstrate a potential for substantial improvement of bearing performance, with proper application of artificial surface texturing or hydrophobicity to the tilting-pads of thrust bearings. Specifically, introducing a large shallow pocket of appropriate dimensions at the inflow region of the pads may result in reduction of friction torque of approximately 12% in comparison to the plain tilting-pad thrust bearing, thus substantially improving bearing efficiency. At the same time, the observable increase in minimum thickness of the lubricating film (an indicator of bearing performance) reaches 23%. Even more impressive results can be expected by application of hydrophobicity to the tilting-pads of a thrust bearing. Based on the present results, an increase of 62% in minimum film thickness and a simultaneous decrease of 32% in friction torque, in comparison to the plain tilting-pad thrust bearing, can be theoretically achieved.	en
heal.abstract	Η τριβή αποτελεί μία από τις βασικότερες αιτίες ενεργειακών απωλειών στα μηχανολογικά συστήματα. Στα πλοία, σημαντικές απώλειες εξαιτίας των τριβών εντοπίζονται στη προωστήρια εγκατάσταση, τόσο στο εσωτερικό της κυρίας μηχανής (στα ελατήρια των εμβόλων, στα έδρανα βάσης και διωστήρα), όσο και στο αξονικό σύστημα (στα έδρανα γραμμής και χοάνης, καθώς και στο ωστικό έδρανο), όπως επίσης και στον μειωτήρα όταν υπάρχει. Η παρούσα εργασία, αφορά στη μελέτη των απωλειών τριβής σε ωστικά έδρανα, και ειδικότερα σε εκείνα που εμπίπτουν στη κατηγορία των εδράνων υδροδυναμικής λίπανσης. Τα ωστικά έδρανα αποτελούν βασικά μηχανολογικά στοιχεία που χρησιμοποιούνται για τη μετάδοση μεγάλων αξονικών δυνάμεων, αξιοποιώντας τις υδροδυναμικές πιέσεις που αναπτύσσονται στο εσωτερικό ενός λεπτού φιλμ λιπαντικού που διαχωρίζει τον περιστρεφόμενο άξονα από το σταθερό τμήμα του εδράνου. Πέρα από τη χρήση τους στα ναυτικά συστήματα προώσεως, τέτοιου είδους έδρανα απαντώνται σε περιστρεφόμενες μηχανές διαφόρων ειδών, όπως οι αντλίες, οι στρόβιλοι, και οι συμπιεστές. Στόχο της παρούσας εργασίας αποτελεί η μοντελοποίηση τόσο των θερμικών όσο και των υδροδυναμικών φαινομένων του ρευστού κατά τη λειτουργία ενός αυτορρυθμιζόμενου ωστικού εδράνου. Για τον σκοπό αυτόν δημιουργήθηκε τρισδιάστατο γεωμετρικό μοντέλο ενός πέλματος του εδράνου, το οποίο αξιοποιήθηκε στο πλαίσιο ενός κώδικα Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής (CFD), για τον υπολογισμό των τριβολογικών χαρακτηριστικών του συστήματος. Επιπλέον, με τη χρήση ενός προγραμματιστικού εργαλείου που αναπτύχθηκε στο πλαίσιο της παρούσας εργασίας, έγινε δυνατή η εύρεση της θέσης ισορροπίας του πέλματος του εδράνου, λαμβάνοντας υπόψη τις δυνάμεις και ροπές που εξασκούνται στο σύστημα. Έμφαση δόθηκε στη καταγραφή και ανάλυση βασικών παραμέτρων λειτουργίας όπως το ελάχιστο πάχος του λιπαντικού φιλμ, η ροπή αντίστασης λόγω τριβών, η μέγιστη θερμοκρασία και η μέγιστη πίεση του λιπαντικού, σε διαφορετικές καταστάσεις λειτουργίας του εδράνου (διαφορετικές ταχύτητες περιστροφής του άξονα και διαφορετικές αξονικές δυνάμεις). Ακολουθώντας τα αποτελέσματα πρόσφατων ερευνητικών προσπαθειών, τα οποία καταδεικνύουν ότι εφαρμογή τεχνητής τραχύτητας σε μέρος της επιφάνειας του εδράνου μπορεί να οδηγήσει σε μειωμένη τριβή και αυξημένα πάχη λιπαντικού, η παρούσα εργασία εξετάζει την επίδραση συγκεκριμένων επιφανειακών διαμορφώσεων στην απόδοση ενός αυτορρυθμιζόμενου ωστικού εδράνου. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκαν ωστικά έδρανα με τέσσερις διαφορετικές μορφές επιφανειακής τραχύτητας, ίδιων κύριων διαστάσεων, σε διάφορους συνδυασμούς φόρτισης και περιστροφικής ταχύτητας: (α) έδρανα με ενιαία ρηχή κοιλότητα στην περιοχή εισόδου του λιπαντικού ελαίου, (β) έδρανα με περιφερειακές εγκοπές (αυλάκια), (γ) έδρανα με ακτινικές εγκοπές, (δ) έδρανα με ορθογωνική επιφανειακή τραχύτητα. Στη συνέχεια, για τα δύο αποδοτικότερα είδη εδράνων, διεξήχθη παραμετρική ανάλυση για να εξακριβωθεί η επίδραση των βασικών γεωμετρικών παραμέτρων στην απόδοσή τους. Οι εξεταζόμενες παράμετροι είναι το βάθος τραχύτητας, καθώς και η έκτασή της κατά την ακτινική και περιφερειακή διεύθυνση. Σε κάθε περίπτωση, η βελτίωση ποσοτικοποιήθηκε συγκρινόμενη με την απόδοση ενός συμβατικού εδράνου αναφοράς. Τέλος, ακολουθώντας μια διαφορετική προσέγγιση, αξιολογήθηκε η δυνατότητα βελτίωσης της απόδοσης ωστικών εδράνων, μέσω εφαρμογής υδροφοβικών χαρακτηριστικών σε τμήμα της επιφάνειας του πέλματος. Τα παρόντα αποτελέσματα καταδεικνύουν τη δυνατότητα σημαντικής βελτίωσης της απόδοσης των ωστικών εδράνων, με κατάλληλη εφαρμογή τεχνητής τραχύτητας ή υδροφοβικότητας σε τμήμα της επιφάνειας του πέλματος. Συγκεκριμένα, η εισαγωγή μιας ενιαίας μεγάλης ρηχής κοιλότητας στην περιοχή εισόδου του λιπαντικού ελαίου μπορεί να οδηγήσει σε μείωση έως και 12% της ροπής τριβής, ενώ η αντίστοιχη αύξηση του ελάχιστου πάχους του λιπαντικού φιλμ είναι της τάξης του 23%. Περισσότερο υποσχόμενα είναι τα αποτελέσματα για τη περίπτωση της εφαρμογής υδροφοβικότητας σε αυτορρυθμιζόμενα ωστικά έδρανα, δίνοντας θεωρητικά μέγιστα της τάξεως του 62% αναφορικά με την αύξηση του ελάχιστου πάχους φίλμ, και 32% αναφορικά με τη μείωση της ροπής τριβής, σε σχέση με το συμβατικό έδρανο αναφοράς.	el
heal.advisorName	Παπαδόπουλος, Χρήστος I.	el
heal.committeeMemberName	Καϊκτσής, Λάμπρος	el
heal.committeeMemberName	Παπαλάμπρου, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Παπαδόπουλος, Χρήστος I.	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Ναυτικής Μηχανολογίας	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	88 σ.
heal.fullTextAvailability	true