Porous Aerostatic Seals and Bearings for Large Rotors
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2025-01-17
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2024
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
79 + app. 49
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 244/2024
Abstract
Aerostatic lubrication can be used in precision and high-speed applications. Aerostatic porous bearings and seals form a lubricating gas film between two surfaces by supplying pressurized gas to the gap through a permeable surface. Externally pressurized porous bearings can be used for simultaneous sealing and bearing functions. The aim of this research is to theoretically and experimentally investigate the performance of aerostatic bearings and seals and to improve modeling of flow in porous externally pressurized bearings and seals. Developed bearing and seal models use the modified Reynolds equation that includes a porous feeding term. The proposed analytical and numerical solutions are verified with multiple experiments under static conditions. Experimental setup and measurement methods of bearing and seal performance parameters are developed. Outer diameter of the experimentally investigated bearings and seals are in the range of 40 mm to 62 mm. It is shown that the analytic solution is equivalent to numerical solutions of the Reynolds equation on the most significant performance metrics under static conditions. Investigated performance characterizing metrics of aerostatic bearings and seals include load capacity, air gap height, stiffness, air consumption, and leakage. Further, effect of design and operational parameters on the performance are investigated. The investigated design parameters include the permeability of the porous restrictor and the seal width, while investigated operational parameters include the supply and chamber pressures and preload of the seal. Some of the results are presented in nondimensional form for better applicability to general problems. Finally, a robust aerostatic bearing concept tolerant of large movements of the guide surface is developed and its performance is investigated under realistic dynamic conditions for paper machine applications. The developed bearing concept achieved a load capacity of 18.5 kN. These results give corroborative evidence on feasibility of the proposed bearing for use in paper machinery. The results of this research are relevant for design of aerostatic bearings and seals and applications where good motion accuracy or low friction motion are required.Aerostaattista voitelua käytetään yleisesti tarkkuus- ja suurnopeussovelluksissa. Aerostaattiset huokoiset laakerit ja tiivisteet muodostavat paineistetun kaasukerroksen kahden pinnan väliseen rakoon. Ulkoisesti paineistettuja huokoisia laakereita voidaan käyttää samanaikaisesti tiivistys- ja laakeritarkoituksiin. Tämän työn tavoitteena on tutkia kokeellisesti ja teoreettisesti aerostaattisten laakereiden ja tiivisteiden suorituskykyä sekä kehittää virtausmallalleja huokoisille ulkoisesti paineistetuille laakereille ja tiivisteille. Kehitetytyt laakeri- ja tiivistemallit perustuvat Reynoldsin voiteluyhtälöön, jota on muokattu niin että se sisältää huokoisen lähdetermin. Kehitetyt analyyttiset ja numeeriset ratkaisut todennetaan useilla kokeilla staattisissa olosuhteissa. Tutkimuksessa kehitetään mittausjärjestely aerostaattisten laakereiden suorituskyvyn mittaamiseen. Mitattujen laakereiden ja tiivisteiden ulkohalkaisijat olivat 40 mm ja 64 mm väliltä. Tässä tutkimuksessa osoitetaan, että kehitetty analyyttinen ratkaisu vastaa numeerisia ratkaisuja merkittävimpien suorituskykymittareiden osalta. Aerostaattisten laakereiden ja tiivisteiden suorituskykymittarit ovat kuormankantokyky, ilmaraon korkeus, jäykkyys, ilmankulutus ja tiivisteen vuoto. Lisäksi tutkitaan eri suunnittelu- ja käyttöparametrien vaikutusta laakereiden ja tiivisteiden suorituskykyyn. Tutkittuihin suunnitteluparametreihin kuuluvat huokoisen materiaalin kaasun läpäisevyys ja tiivisteen leveys, kun taas tutkittuihin toimintaparametreihin kuuluvat syöttö- sekä kammio- paineet ja tiivisteen kuormitus. Osa tuloksista esitetään dimensiottomassa muodossa, jotta tulokset soveltuisivat paremmin yleisiin ongelmiin. Tutkimuksessa kehitetään myös uudenlainen ilmalaakerikonsepti, jota voidaan käyttään suuriheittoista pintaa vasten. Kehitetyn konseptilaakerin suorituskykyä tutkitaan realistisissa dynaamisissa olosuhteissa paperikonesovelluksia varten. Konseptilakeerin kuormankantokyky oli suuruudeltaan 18.5 kN. Tulokset vahvistavat kehitetyn laakerikonseptin soveltuvuuden kyseiseen sovellukseen. Tämän tutkimuksen tulokset ovat merkityksellisiä aerostaattisten laakereiden ja tiivisteiden suunnittelussa sekä sovelluksissa, joissa vaaditaan hyvää liiketarkkuutta tai lähes kitkatonta liikettä.Description
Supervising professor
Viitala, Raine, Asst. Prof., Aalto University, Department of Energy and Mechanical Engineering, FinlandKeywords
gas lubrication, externally pressurised seal, kaasuvoitelu, ulkoisesti paineistettu tiiviste
Other note
Parts
-
[Publication 1]: Miettinen M., Vainio V., Theska R., and Viitala R. On the static performance of aerostatic elements. Precision engineering, Volume 89, 1-10, August 2024.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202406204617DOI: 10.1016/j.precisioneng.2024.05.017 View at publisher
-
[Publication 2]: Miettinen M., Vainio V., and Viitala R. Aerostatic porous annular thrust bearings as seals. Tribology International, Volume 200, 110073, December 2024.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202408285939DOI: 10.1016/j.triboint.2024.110073 View at publisher
-
[Publication 3]: Miettinen M., Vainio V., Theska R., and Viitala R. Aerostatically sealed chamber as a robust aerostatic bearing. Tribology International, Volume 173, 107614, September 2022.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202205243393DOI: 10.1016/j.triboint.2022.107614 View at publisher