Robust aerostatic bearing for large rotor
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2023-10-09
Department
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)
Language
en
Pages
55 + 1
Series
Abstract
Gas lubricated bearings are an old invention dating back to the 19th century. Development of the technology was obstructed by the absence of precision manufacturing in the early 20th century. By the time achievable manufacturing tolerances had improved sufficiently, traditional rolling element bearings were already of satisfactory quality, and as they were more versatile, interest in the lower friction alternatives declined. Only when development of high precision machinery demanded better solution than roller bearings, development of gas lubricated alternatives boomed. Currently, gas lubricated bearings are almost exclusively used in either high precision applications, such as coordinate measuring machines, or high-speed applications, such as turbo machinery. Wide industrial usage, apart from above mentioned applications, is limited, as current body of knowledge suggest the bearing, as well as their opposing surface, need very accurate manufacturing, and thus are costly. On the other hand, less accurate manufacturing can be compensated with flexible structures, but those can cause different problems. Nevertheless, design overhead is large in either case, thus increasing time and cost of gas bearing employment. The present study investigates the feasibility of a flexibly mounted aerostatic bearing to be used as seal under dynamic operating conditions. The investigated seal consists of a porous graphite restrictor glued to an aluminium frame, gum. The two are mounted to a bearing frame with plate springs, which allow the seal construct to adjust to the opposing surface. Between the seal and frame is a tube loop to enable preloading of the seal against the opposing surface. With a suitable preload, the seal isolates a chamber from the ambient pressure. The pressure chamber is used to increase the load capacity of the device compared to only the seal. Performance measurements of the bearing were conducted with a rotor used in paper machines. Rotor was rotated with varying frequencies from 4 Hz to 10 Hz. Set pressures of preload were altered from 0 to 0.36 MPa and chamber from 0 to 0.18 MPa at each frequency. This enabled the evaluation of possible performance deviations at rotor subcritical resonances in vertical and horizontal directions, which for the rotor were near 7 Hz and 10 Hz. At said frequencies, rotor vibration amplitudes increase significantly. The results show that the bearing operated as desired and, more importantly, consistently at all rotational frequencies. With set preload pressure of 0.3 MPa and chamber pressure of 0.13 MPa, the load capacity was 650 kg, without significant increase in friction between rotor and the bearing. At higher load, the bearing seal did contact the rotor, but had no observable effect on the performance of the bearing. It was observed that rotor polished the bearing seal during the measurements, but did not abrade it significantly. The results of the present study demonstrate that with the investigated bearing design, deployment of aerostatic bearing is possible without special arrangements. Even though the current device has difficulties regarding its construction, the concept proved to be usable and later may be adapted to industrial use.Kaasulla voidellut laakerit ovat vanha keksintö, sillä ensimmäiset versiot ovat jo 1800-luvulta. Kaasulaakerien kehitystä hidasti riittävän tarkkojen valmistusmenetelmien puute 1900-luvun alussa, ja kun menetelmiä alkoi löytyä, vierintälaakerit olivat materiaaleiltaan ja kestävyydeltään parantuneet niin paljon, ettei kiinnostusta kaasulaakereihin enää ollut. Vasta kun korkean tarkkuuden sovelluskohteet tarvitsivat vierintälaakereita tarkempia vaihtoehtoja, nousi kaasulaakerien kehitys jälleen ajankohtaiseksi. Nykyään kaasulaakereita käytetään lähes yksinomaan korkeaa tarkkuutta tai suurta nopeutta vaativissa kohteissa, kuten koordinaattimittauskoneissa ja turbiineissa. Laajempi teollinen käyttö on jäänyt vähäiseksi, sillä nykykäsityksen mukaan kaasulaakerit vastinpintoineen vaativat erittäin tarkkaa koneistusta ja ovat sen vuoksi kalliita. Vaihtoehtoisesti epätarkempi koneistus voidaan kompensoida joustavilla rakenteilla, mutta ne puolestaan aiheuttavat uudenlaisia ongelmia. Kuitenkin laakerien käyttöönotto vaatii suunnitteluresursseja, mikä edelleen nostaa kaasulaakerien käyttöönoton kustannuksia. Tässä työssä tutkittiin joustavasti tuetun ilmalaakerin käyttöä tiivisteenä dynaamisessa ympäristössä. Tiiviste koostuu huokoisesta grafiitista, joka on liimattu alumiini-ikeneen. Ien grafiitteineen on kiinnitetty teräsrunkoon levyjousilla. Ikenen ja rungon väliin jätettyyn uraan on liimattu silikoniputki, joka joustaessaan mahdollistaa tiivisteen mukautumisen vastinpinnan vaihteluihin. Paineistettaessa putki painaa tiivisteen vastinpintaan ja toimii siten esijännittäjänä. Sopivalla esijännityksellä tiiviste eristää painekammion, jota rajaa laakerin runko, tiiviste ja vastinpinta. Painekammio lisää laakerin kuormankantokykyä pelkkään ilmalaakeritiivisteeseen verrattuna huomattavasti. Laakerin suorituskykyä tutkittiin paperikoneissa käytettävän roottorin avulla. Roottoria pyöritettiin neljästä kymmeneen hertsin taajuudella ja samalla laakerin asetuspaineita vaihdeltiin kullakin pyörimisnopeudella. Esijännityspainetta vaihdeltiin 0 MPa ja 0.36 MPa, ja kammion painetta 0 MPa ja 0.18 MPa välillä. Roottorin pyörimisnopeuden vaihtelu mahdollisti laakerin suorituskyvyn muutoksen tutkimisen roottorin alikriittisillä resonansseilla, jotka mittausalueen puitteissa ovat noin 7 Hz ja 10 Hz paikkeilla. Tulokset osoittavat, että laakeri toimi halutulla tavalla ja yhdenmukaisesti koko mittausalueella. Parhain suorituskyky saavutettiin esijännityspaineella 0.3 MPa ja kammiopaineella 0.13 MPa. Näillä arvoilla laakerin kuormankantokyky oli 650 kg ilman, että roottorin ja laakerin välinen kitka lisääntyi merkittävästi. Suuremmilla laakerikuormilla tiiviste otti roottoriin kiinni, mutta sillä ei ollut havaittavaa vaikutusta laakerin suorituskykyyn. Samalla huomattiin, että roottori itseasiassa kiillotti grafiitin pintaa, mutta ei poistanut siitä materiaalia havaittavasti. Tulosten perusteella voidaan todeta, että konseptitasolla kyseinen laakerirakenne on hypoteettisesti mahdollista ottaa käyttöön ilman erityisiä järjestelyjä. Vaikka tutkimuksessa käytetyssä laakerissa oli rakenteen kestävyyteen liittyviä haasteita, se osoitti, että tulevaisuudessa on ehkä mahdollista hyödyntää laakeriratkaisua teollisuudessa.Description
Supervisor
Viitala, RaineThesis advisor
Miettinen, MikaelVainio, Valtteri
Keywords
aerostatic bearing, deflection compensation, porous material seal, gas bearing