Finite element analysis of gas bearings for oil-free turbomachinery

Abstract

Further advancements in high performance turbomachinery operating at extreme temperatures mandate the development of gas film bearing technology to procure compact units with improved efficiency in an oil-free environment. A novel finite element (FE) procedure to model thin film gas bearings follows. The FE model incorporates a novel class of high order shape functions ensuring computational efficiency and numerical stability even at (infinity) high speed bearing numbers. The method does not rely on cumbersome schemes for evaluation of advection flow terms in the Reynolds equation nor introduces artificial diffusion into the numerical solution. A computational FE program forwards predictions for the static performance and dynamic force coefficients of an externally pressurized gas bearing for ready application to an automotive turbocharger. The predictions show the strong effects of excitation frequency on the dynamic force coefficients and the onset of a hydrodynamic instability at moderately low rotor speeds. The analysis of predictions evidences the benefits and limits of rigid surface gas bearings for oil-free turbomachinery.

Les futures avancées technologiques concernant les turbomachines à haute performance opérant à d'extrêmes températures obligent au développement de la technologie des paliers à gaz afin d'obtenir des unités compactes à l'efficacité améliorée dans un environnement sans huile. Une nouvelle procédure par éléments finis (EF) est présentée dans cet article. Le modèle EF incorpore une nouvelle classe de fonctions de forme d'ordre élevé assurant l'efficacité du calcul et la stabilité numérique même à nombres de vitesse élevé (infini) pour le palier. La méthode ne repose pas sur d'encombrants schémas numériques pour l'évaluation des termes de l'écoulement par advection dans l'équation de Reynolds et n'introduit pas non plus de diffusion artificielle dans la solution numérique. Un programme de calculs EF donne des prédictions pour les performances statiques et les coefficients de force dynamique d'un palier à gaz à pressurisation externe pour l'application directe à un turbocompresseur automobile. Les prédictions montrent les effets importants de la fréquence d'excitation sur les coefficients de force dynamique et la limite de stabilité hydrodynamique à vitesse de rotation modérée. L'analyse de ces prédictions met en évidence les avantages et les limites des paliers à gaz à surface rigide pour les turbomachines fonctionnant sans huile.

Keywords:

• Gas bearings
• rotordynamics
• stability
• finite element model

Mots clés:

• paliers à gaz
• dynamique du rotor
• stabilité
• modèle éléments finis