Behavior of scratched hydrodynamic journal bearings : a finite volume numerical analysis
Comportement des paliers lisses hydrodynamiques rayés : une analyse numérique par volumes finis
Résumé
Hydrodynamic plain bearings are important machine components used to support high-speed rotating machinery such as turbines and compressors, due to their durability and high load carrying capacity. Under severe operating conditions, they can be damaged by material loss that can take many forms, resulting in a drop in load capacity and thus a significant reduction in oil film thickness. Scratches are a major type of surface damage in bearings; they can appear on both the bearing surface and the shaft surface, inducing strong geometric discontinuities. Few works exist in the literature but all show that the presence of scratches has a strong influence on the performance of bearings. In order to simulate more precisely and study the behavior of scratched plain bearings, it is therefore necessary to have an accurate model. The theoretical analysis is based on the simultaneous resolution of Reynolds, energy and heat transfer equations in solids and fluids. The thermohydrodynamic model developed using the finite volume method is written in FORTRAN language. In order to validate and complete the developed model, the simulation results were compared with experimental data from the literature. The results showed good agreement for pressure, temperature profiles and overall bearing performance parameters. In addition, numerical studies were also performed for a wide range of configurations with different numbers of scratches (one, two and many), scratch depths, scratch positions and different operation. The results obtained have provided further insight into the behavior of scratched plain bearings.
Les paliers lisses hydrodynamiques sont des éléments de machine importants utilisés pour supporter les machines tournantes à hautes vitesses telles que les turbines et les compresseurs, en raison de leur durabilité et de leur capacité de charge élevée. Sous des conditions sévères de fonctionnement, ils peuvent s’endommager par une perte de matière qui peut prendre différentes formes, entraînant une chute de la capacité de charge et donc une réduction significative de l'épaisseur du film d’huile. Les rayures sont un type majeur de dommage de surface dans les paliers ; elles peuvent apparaître aussi bien sur la surface du coussinet que sur la surface de l’arbre, induisant de fortes discontinuités géométriques. Peu de travaux existent dans la littérature mais tous montrent que la présence de rayures a une forte influence sur les performances des paliers. Pour simuler plus précisément et étudier le comportement des paliers lisses rayés, il est donc nécessaire de disposer d'un modèle précis. L'analyse théorique est basée sur la résolution simultanée des équations de Reynolds, d'énergie et de transfert de chaleur dans les solides et dans les fluides. Le modèle thermohydrodynamique développé au moyen de la méthode des volumes finis est écrit en langage FORTRAN. Afin de valider et de compléter la modélisation élaborée, les résultats de la simulation ont été comparés à des données expérimentales de la littérature. Les résultats ont montré de bons accords pour la pression, les profils de température et les paramètres de performance globale du palier. En outre, des études numériques ont également été réalisées pour une large gamme de configurations avec différents nombres de rayures (une, deux et plusieurs), des profondeurs de rayures, des positions de rayures et différents fonctionnements. Les résultats obtenus ont permis d'approfondir les connaissances sur le comportement des paliers lisses rayés.
Origine : Version validée par le jury (STAR)