Design and analysis of a 3D printed cooled pad for tilting pad journal bearings

Hydrodynamic journal bearings are essential power transmission elements which are carrying increasingly high loads because of the growing volume specific power in numerous machines. Industrial rotating machineries with high loads, such as centrifugal compressors, steam turbines, pumps and motors, employ journal bearings for supporting rotor. The load applied is balanced by the pressure field generated in the oil wedge between the two relatively moving surfaces, due to the hydrodynamic lubrication phenomenon. The working principle of these bearings is based on the convergent shape of the film between the two surfaces, that produces a not uniform pressure field. The aim of the thesis is to develop an innovative way to reduce the oil-film temperature: the investigated solution consists in a cooling circuit located directly inside the pad. This feature is obtained with additive manufacturing, that nowadays is suitable to obtain a functional prototype. Taking advantage of this potential technology, the cooling circuit is characterised by a suitable path to cover uniformly the pad surface and by a multi-channel configuration that allows a high exchanging area/volume ratio. A numerical model for investigating the influence of the different variables of the problem has been developed. The thermo-hydro-dynamic model of the bearing is coupled with a CFD model of the cooled pad that has been made to consider the specific geometry and the fluid-dynamic nature of the heat exchange. Finally, the numerical results have been validated by experiments, by means of a test-rig designed for common TPJB and specifically adapted for this work.

I cuscinetti idrodinamici sono elementi di trasmissione di potenza essenziali che trasportano carichi sempre più elevati a causa della crescente potenza specifica in numerose macchine. Le turbomacchine con carichi elevati, come i compressori centrifughi, le turbine a vapore, le pompe e i motori, impiegano cuscinetti oleodinamici per supportare il rotore. Il carico applicato è bilanciato dal campo di pressione generato nel cuneo dell'olio tra le due superfici, a causa della lubrificazione idrodinamica. Il principio di funzionamento di questi cuscinetti si basa sulla forma convergente del film tra le due superfici, che produce un campo di pressione non uniforme. Lo scopo della tesi è quello di sviluppare un modo innovativo per ridurre la temperatura del film d'olio: la soluzione studiata consiste in un circuito di raffreddamento situato direttamente all'interno del pattino. Questa caratteristica è ottenuta con la stampa 3D, che al giorno d'oggi è adatta per ottenere un prototipo funzionale. Sfruttando questa tecnologia, il circuito di raffreddamento è caratterizzato da un percorso adatto a coprire uniformemente la superficie del pattino e da una configurazione multicanale che consente un elevato rapporto area / volume di scambio. È stato sviluppato un modello numerico per indagare l'influenza delle diverse variabili del problema. Il modello termo-idro-dinamico del cuscinetto è accoppiato con un modello CFD del pattino raffreddato che è stato realizzato per considerare la geometria specifica e la natura fluidodinamica dello scambio termico. Infine, i risultati numerici sono stati convalidati da esperimenti, per mezzo di un banco prove progettato per TPJB comuni e specificamente adattato per questo lavoro.