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POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES acceptée sur proposition du ju

POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES acceptée sur proposition du jury: Prof. M.-O. Hongler, président du jury Prof. J. Giovanola, Dr A. Schorderet, directeurs de thèse Prof. D. Bonneau, rapporteur Prof. F. Gallaire, rapporteur Dr R. Moser, rapporteur Experimental Contribution to the Mechanics of Herringbone Grooved Journal Air Bearings THÈSE NO 4879 (2011) ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE PRÉSENTÉE le 18 mars 2011 À LA FACULTÉ SCIENCES ET TECHNIQUES DE L'INGÉNIEUR LABORATOIRE DE CONCEPTION DE SYSTÈMES MÉCANIQUES PROGRAMME DOCTORAL EN SYSTÈMES DE PRODUCTION ET ROBOTIQUE Suisse 2011 PAR Ivan Ognjanović Contents 1 Introduction 1 1.1 Problem statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1.1 Bearing classiﬁcation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1.2 Why gas lubricated bearings? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.1.3 Some characteristics of gas lubricated journal bearings . . . . . . 6 1.1.4 Herringbone Grooved Journal Bearing explained . . . . . . . . . . 14 1.2 State of the art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.2.1 Overview of models for HGJBs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.2.2 Stability considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.2.3 Experimental analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.2.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 1.3 Thesis objectives and contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.4 Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2 Preliminaries 31 2.1 Reynolds ﬂuid ﬁlm lubrication theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.1.1 Main assumptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.1.2 Reynolds equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.1.3 Reduced form for gas lubrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.2 The Narrow Groove Theory (NGT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.2.1 Main assumptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.2.2 Diﬀerential equations and their solutions . . . . . . . . . . . . . . 37 2.2.3 Solution of the diﬀerential equation by the perturbation method . 41 2.2.4 Computer program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.3 Finite Element Method (FEM) applied to ﬂuid ﬁlm lubrication . . . . . . 43 3 Design of the test bench 45 3.1 Conceptual development of the test bench design . . . . . . . . . . . . . 45 3.1.1 Functional analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.1.2 Performance characteristics of the test bed . . . . . . . . . . . . . 47 3.1.3 Test bed layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.1.4 Functioning principle of the chosen concept . . . . . . . . . . . . 55 3.1.5 Stability of the bearing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 iii iv CONTENTS 3.1.6 Bearing reaction forces and the loading strategy . . . . . . . . . . 57 3.1.7 Advantages and limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 3.2 Design of speciﬁc test bed components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 3.2.1 Standard components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 3.2.2 Rotor design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 3.2.3 Loading system design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.2.4 Bushing design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 3.3 Design variations for diﬀerent experimental setups . . . . . . . . . . . . . 77 3.3.1 Modiﬁcations for pressure measurements . . . . . . . . . . . . . . 77 3.3.2 Modiﬁcations to test hybrid bearings . . . . . . . . . . . . . . . . 78 3.4 Multi variable control system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 3.4.1 Coupling between the four degrees of freedom of the bushing . . . 80 3.4.2 Design and implementation of the control system . . . . . . . . . 83 3.5 Complete test bed assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4 Fabrication of herringbone grooves 89 4.1 Problem statement: Eﬀect of groove geometry on bearing performance . 89 4.2 Industry practice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 4.3 Alternative shallow groove manufacturing technologies . . . . . . . . . . 96 4.3.1 Groove depth measurement technique . . . . . . . . . . . . . . . . 96 4.3.2 Conventional and femtosecond laser machining . . . . . . . . . . . 98 4.3.3 Milling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 4.3.4 Electric discharge machining (EDM) . . . . . . . . . . . . . . . . 100 4.3.5 Grinding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 4.3.6 Electro-chemical etching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 4.4 Geometry and tolerances of the grooves used in the experiments . . . . . 105 5 Test bench implementation and testing 109 5.1 Instrumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . uploads/Science et Technologie/ mechanics-of-herringbons.pdf