Internally cooled pads for tilting pad journal bearings: novel approach based on MPS simulations and experimental performance assessment

Tilting Pad Journal Bearings are key components in industry, especially in the oil&gas and energy sectors, where heavy rotating machinery is used. There has been a drive to reduce the size of this machines, increasing their power density and efficiency, reducing their environmental footprint while increasing profitability. The use of internal cooling in Tilting Pad Journal Bearings allows to reduce their size while bearing the same load, following the trend of increase in power density. The objective of this thesis is the Moving Particle Semi-implicit (MPS) simulation of different designs of cooled pads for the use in Tilting Pad Journal Bearings and their performance assessment using both simulations and experiments. The MPS method uses a Lagrangian approach, following the mass instead of using control volumes, generating a great number of particles to simulate the flow. This method has already been used successfully in other branches of engineering, especially nuclear and marine engineering. The results obtained from the experiments are used both to compare the different pad designs and to validate the MPS method in this field.

I cuscinetti a pattini oscillanti sono componenti chiave nell’industria, specialmente nel settore oil&gas e nella produzione di energia, dove vengono utilizzate macchine rotanti pesanti. Recentemente, vi è una tendenza a rendere più compatte queste ultime, al fine di aumentarne la densità di potenza, efficienza e redditività, riducendone al contempo l’impatto ambientale. Seguendo tale tendenza all’incremento della potenza specifica, l’uso del raffreddamento interno nei cuscinetti a pattini oscillanti consente di diminuirne le dimensioni senza inficiarne la capacità di carico. L’obiettivo di questa tesi è la simulazione con il metodo Moving Particle Semi-implicit (MPS) di diverse varianti di pattini raffreddati per l’uso nei cuscinetti a pattini oscillanti e la valutazione delle loro prestazioni utilizzando sia simulazioni che esperimenti. Il metodo MPS utilizza un approccio lagrangiano, seguendo la massa anziché utilizzare volumi di controllo, generando numerose particelle per simulare il flusso. Questo metodo è già stato utilizzato con successo in altri settori dell’ingegneria, in particolare nell’ingegneria nucleare e marina. I risultati ottenuti dagli esperimenti vengono utilizzati sia per confrontare le diverse varianti di pattini sia per validare il metodo MPS in questo campo.