Thermohydrodynamic analysis of thrust bearings using
computational fluid dynamics

Charitopoulos, Anastasios; Χαριτόπουλος, Αναστάσιος

dc.contributor.author	Charitopoulos, Anastasios	en
dc.contributor.author	Χαριτόπουλος, Αναστάσιος	el
dc.date.accessioned	2016-03-29T08:11:20Z
dc.date.available	2016-03-29T08:11:20Z
dc.date.issued	2016-03-29
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/42264
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.11632
dc.rights	Default License
dc.subject	Υπολογιστική ρευστομηχανική	el
dc.subject	Ωστικά έδρανα	el
dc.subject	Κατασκευαστικά σφάλματα	el
dc.subject	Θερμοϋδροδυναμική ανάλυση	el
dc.subject	Ελαστικές παραμορφώσεις	el
dc.subject	Thrust bearings	en
dc.subject	Computational fluid dynamics	en
dc.subject	Manufacturing errors	en
dc.subject	Thermohydrodynamic analysis	en
dc.subject	Elastic deformations	en
dc.title	Thermohydrodynamic analysis of thrust bearings using computational fluid dynamics	en
dc.title	Θερμοϋδροδυναμική ανάλυση ωστικών εδράνων με χρήση μεθόδων υπολογιστικής ρευστομηχανικής	el
dc.contributor.department	Division of marine engineering	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Tribology	el
heal.classificationURI	http://id.loc.gov/authorities/subjects/sh85137428
heal.language	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2015-10-15
heal.abstract	Τα ωστικά έδρανα αποτελούν σημαντικά εξαρτήματα των σύγχρονων μηχανολογικών συστημάτων. Στην παρούσα εργασία μελετώνται τα τριβολογικά χαρακτηριστικά αντιπροσωπευτικών ωστικών εδράνων με χρήση μεθόδων Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής. Πρόσφατες ερευνητικές εργασίες έχουν καταδείξει ότι, σε εφαρμογές ωστικών εδράνων, η χρήση τεχνητής τραχύτητας σε τμήμα της επιφάνειας του στάτορα μπορεί να οδηγήσει σε σημαντική βελτίωση της τριβολογικής απόδοσης, η οποία συνήθως ποσοτικοποιείται με βάση την ικανότητα παραλαβής φορτίου και τη ροπή τριβής. Στο πρώτο τμήμα της παρούσας εργασίας παρουσιάζεται μια υπολογιστική μελέτη ωστικών εδράνων με διαφορετικούς τύπους τεχνητής τραχύτητας, με σκοπό τη συσχέτιση των λειτουργικών χαρακτηριστικών με τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά των εδράνων. Συγκεκριμένα, μελετώνται και συγκρίνονται οι ακόλουθοι τύποι εδράνων: (α,β) παράλληλα έδρανα με ορθογωνική κοιλότητα, ανοικτή ή κλειστή, σε τμήμα του στάτορα, (γ) παράλληλα έδρανα με επιφανειακή τραχύτητα σε τμήμα του στάτορα, αποτελούμενη από μικρο-κοιλότητες ορθογωνικής διατομής, και (δ) έδρανα με κεκλιμένη επιφάνεια του στάτορα ως προς αυτήν του ρότορα στην περιοχή της αναρρόφησης του λιπαντικού ελαίου, και παράλληλη στην περιοχή της κατάθλιψης του λιπαντικού ελαίου (επικλινή έδρανα). Η λειτουργία των εδράνων προσομοιώνεται και αξιολογείται με χρήση μεθόδων Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής, βασισμένων στην αριθμητική επίλυση των εξισώσεων Navier-Stokes και ενέργειας για ασυμπίεστη μη-ισόθερμη ροή. Εδώ, λαμβάνεται υπόψη το σύνθετο φαινόμενο της σκέδασης ενέργειας προς θερμική εντός του λιπαντικού μέσου, και της μεταφοράς της στο περιβάλλον διαμέσου των τμημάτων του εδράνου (στάτορα και ρότορα). Αρχικά, για μια σχεδίαση αναφοράς του κάθε εδράνου, μελετάται η επίδραση της ταχύτητας περιστροφής του ρότορα και του ελάχιστου πάχους του λιπαντικού φιλμ στα τριβολογικά λειτουργικά χαρακτηριστικά του εδράνου. Ακολούθως, πραγματοποιείται λεπτομερής παραμετρική ανάλυση, με σκοπό την ανάδειξη της επίδρασης των κύριων παραμέτρων σχεδίασης στη λειτουργία των εδράνων. Τα παρόντα αποτελέσματα καταδεικνύουν την υπεροχή του εδράνου με ανοικτή ορθογωνική κοιλότητα έναντι των άλλων τύπων εδράνων. Για να αξιολογηθεί η επίδραση της ανάπτυξης υψηλών πιέσεων στις επιφάνειες του εδράνου, και να προσδιοριστούν οι σχετικές παραμορφώσεις των στερεών τμημάτων του εδράνου, πραγματοποιήθηκε θερμοελαστοϋδροδυναμική (TEHD) ανάλυση για έδρανο αναφοράς με επιφανειακή τραχύτητα σε τμήμα του στάτορα, αποτελούμενη από μικρο-κοιλότητες ορθογωνικής διατομής. Για το παρόν πρόβλημα, έγινε επέκταση του θερμοϋδροδυναμικού μοντέλου, ώστε να συμπεριληφθούν οι μηχανικές παραμορφώσεις των στερεών τμημάτων του εδράνου. Συγκεκριμένα, εκτός των εξισώσεων Navier-Stokes και ενέργειας, επιλύθηκαν αριθμητικά και οι εξισώσεις ελαστικότητας για τα στερεά τμήματα του εδράνου. Τα πεδία παραμόρφωσης στον στάτορα και στον ρότορα υπολογίστηκαν για διαφορετικές τιμές της περιστροφικής ταχύτητας του εδράνου και του ελάχιστου πάχους του λιπαντικού φιλμ. Διαπιστώθηκε ότι, λόγω της αύξησης της θερμοκρασίας, η ικανότητα παραλαβής φορτίου του εδράνου μειώνεται με αύξηση της περιστροφικής ταχύτητας του εδράνου πάνω από 2000 RPM. Διαπιστώθηκε επιπλέον ότι ο ρότορας παρουσιάζει χαρακτηριστικά παραμόρφωσης αντίστοιχα ενός προβόλου σε κάμψη, ενώ, σε απόλυτες τιμές, χαρακτηρίζεται από αρκετά μεγαλύτερες παραμορφώσεις σε σχέση με τις αντίστοιχες του στάτορα. Τέλος, επιβεβαιώθηκε ότι οι παραμορφώσεις του ρότορα αυξάνονται σημαντικά με μείωση του πάχους του. Η τριβολογική απόδοση των ωστικών εδράνων μπορεί να επηρεαστεί σημαντικά εξαιτίας κατασκευαστικών σφαλμάτων. Για την ποσοτικοποίηση τέτοιων επιδράσεων, πραγματοποιήθηκε λεπτομερής ανάλυση για ένα τυπικό παράλληλο έδρανο με περιοδική ορθογωνική τεχνητή τραχύτητα. Εδώ, εξετάστηκαν διαφορετικοί τύποι κατασκευαστικών σφαλμάτων, συγκεκριμένα, διαφοροποιήσεις στο μέγεθος και το σχήμα της ορθογωνικής τραχύτητας, καθώς και μακροσκοπικές αποκλίσεις της επιφάνειας του στάτορα. Για αυτά τα κατασκευαστικά σφάλματα, πραγματοποιήθηκε λεπτομερής παραμετρική ανάλυση, και αξιολογήθηκε η επίδρασή τους στην ικανότητα παραλαβής φορτίου και στον συντελεστή τριβής, για διαφορετικές τιμές του λόγου μήκους - πλάτους του εδράνου. Η επίδραση των γενικών αυτών παραμέτρων αναλύθηκε, μέσω οπτικοποίησης των πεδίων ροής και πίεσης. Διαπιστώθηκε ότι, σε κάποιες περιπτώσεις, η ύπαρξη κατασκευαστικών λαθών μπορεί να βελτιώσει τα τριβολογικά χαρακτηριστικά των εδράνων με τεχνητή τραχύτητα.	el
heal.abstract	Thrust bearings are vital parts of mechanical systems. The present work is concerned with the investigation of thrust bearing performance using Computational Fluid Dynamics. Recent literature results have demonstrated that different geometry patterns implemented on the surface of thrust bearings can be beneficial in terms of the main bearing performance indices, load carrying capacity and friction coefficient. In the first part of the present study, different types of geometry patterns have been cross-evaluated, for a representative sector-pad parallel thrust bearing configuration, corresponding to: (a) an open pocket bearing, (b) a closed pocket bearing, (c) a tapered-land bearing, and (d) a bearing partially textured with rectangular dimples. Bearing performance has been computed by means of Computational Fluid Dynamics simulations based on the numerical solution of the Navier-Stokes and energy equations for incompressible non-isothermal flow. Conjugate heat transfer at the bearing pad and rotor has been taken into account. Initially, for a reference design of each bearing, the effects of varying rotational speed and minimum film thickness have been investigated. Further, characterization of each bearing for a constant level of thrust load has been performed. Finally, the effects of varying the depth of each geometry pattern have been studied. The present results illustrate a superior performance of the open pocket bearing in comparison to the other bearing types. To assess the effects of the development of high levels of pressure on the deformations of the solid parts of a representative thrust bearing, a thermoelastohydrodynamic (TEHD) analysis has been performed for the bearing textured with rectangular dimples. Here, the CFD-based thermohydrodynamic modeling approach has been extended to account for deformations of the bearing mechanical parts. The bearing has been modelled as a sector-shaped channel, consisting of a smooth rotating wall (thrust collar) and a partially textured stationary wall (bearing pad). The bearing performance characteristics have been computed by means of numerical simulations, based on the numerical solution of the Navier-Stokes and energy equations for incompressible flow, as well as on the solution of the elasticity equations for the bearing solid parts. Here, one texture geometry has been considered, while proper thermal and structural boundary conditions have been implemented. For representative film thickness values, the effect of rotational speed and collar thickness on bearing performance is quantified, and the resulting pad and rotor deformation fields are computed. It is found that, due to oil heating, the load carrying capacity decreases with rotational speed for values higher that approximately 2000 RPM. The computed rotor deformation field is representative of a fixed support beam, characterized by substantially higher levels than those of the bearing pad. Rotor deformations increase substantially at low values of collar thickness. The actual performance of thrust bearings may be affected significantly by manufacturing errors. Thus, to quantify such effects, a detailed study has been performed for a representative parallel slider, whose stator is textured with periodic grooves of an optimized geometry. Several types of representative manufacturing errors have been considered. In particular, discrepancies in the size and shape of the texture geometry, as well as macroscopic errors in the stator surface (concavity/convexity and waviness) have been modelled parametrically. Bearing operation has been simulated by means of the numerical solution of the Navier-Stokes equations for incompressible isothermal flow. By processing the simulation results, the effects of manufacturing errors on the bearing load carrying capacity and friction coefficient are analyzed, for representative width-to-length ratios. The effects on these global parameters are interpreted by means of pressure distributions and visualization of the flow fields. It is found that, in a number of cases, manufacturing errors result in improved performance of textured thrust bearings.	en
heal.advisorName	Παπαδόπουλος, Χρήστος	el
heal.advisorName	Papadopoulos, Christos	en
heal.committeeMemberName	Καϊκτσής, Λάμπρος	el
heal.committeeMemberName	Παπαλάμπρου, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Kaiktsis, Lambros	en
heal.committeeMemberName	Papalambrou, Georgios	en
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Ναυτικής Μηχανολογίας	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	89 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true