Modelling of windage and churning losses in high speed rolling element bearings

par Wenjun Gao

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Daniel Nélias.

Soutenue le 27-06-2018

à Lyon , dans le cadre de Ecole Doctorale Mecanique, Energetique, Genie Civil, Acoustique (MEGA) (Villeurbanne) , en partenariat avec Institut national des sciences appliquées de Lyon (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) , LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures, UMR 5259 (Lyon, INSA) (laboratoire) et de Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures [Villeurbanne] / LaMCoS (laboratoire) .

Le président du jury était Nicolas Boisson.

Le jury était composé de Daniel Nélias, Nicolas Boisson, Mihai Arghir, Jean-Luc Bozet, Yann Marchesse, Lifen Zhang.

Les rapporteurs étaient Mihai Arghir, Jean-Luc Bozet.

  • Titre traduit

    Modélisation de la dérive et des pertes de barattage dans les paliers d'éléments roulants à grande vitesse


  • Résumé

    Dans un système de machines rotatives comme un moteur à turbine, les paliers d'éléments roulants à grande vitesse jouent un rôle important dans le support de l'arbre ou du rotor rotatif, et ont besoin d'une lubrification pour assurer leur fonction. Sauf qu'une petite quantité d'huile est nécessaire pour former le film lubrifiant élastohydrodynamique dans la zone de contact, la plus grande partie du lubrifiant reste en suspension dans l'air, formant un mélange huile/air. Ce phénomène entraîne des pertes hydrauliques parasitaires excessives lorsque les éléments roulants se translatent et tournent dans l'environnement fluide, ce qui peut constituer une partie relativement importante de la perte de puissance totale du roulement, appelée traînée d'enroulement et pertes de barattage. Pour une vitesse de rotation jusqu'à 3× 106 Ndm, la contribution de la traînée/dérive au total peut atteindre 50%. Cependant, jusqu'à présent, il existe peu d'approches utilisées directement pour l'estimation des pertes par traînage, qui ne pouvait fournir qu'une approximation plutôt grossière. Dans cette thèse, la méthode CFD est utilisée pour analyser d'abord l'écoulement autour d'un cylindre circulaire de longueur finie avec deux extrémités libres dans un espace ouvert. Ensuite, le modèle est remplacé par plusieurs cylindres circulaires en ligne pris en sandwich par deux parois plates, ce qui représente une approche simplifiée. Le fluide est ici considéré comme incompressible, représentant un fluide monophasé équivalent pour l'écoulement diphasique huile/air à l'intérieur de la cavité de palier avec des propriétés de fluide spécifiées. Les résultats indiquent que l'écoulement autour de l'élément de rouleau de longueur finie est perturbé par ses deux extrémités libres, les anneaux environnants, la cage et d'autres éléments roulants. Il est proposé une relation entre le coefficient de traînée et le nombre de Reynolds approprié pour un cylindre circulaire dans les roulements à rouleaux (1<L/D<6), ainsi qu'une formulation pour la prévision des pertes de barattage. L'écoulement diphasique huile/air à l'intérieur de la cavité de palier avec lubrification sous la course est également étudié dans ce travail. Le volume couplé de niveau de fluide (CLS-VOF) est utilisé pour démontrer la distribution du lubrifiant le long de la circonférence du palier. L'effet de divers facteurs est étudié, par ex. la vitesse d'injection d'huile, le diamètre de la buse, les propriétés de l'huile et l'angle d'injection de l'huile. La vitesse de rotation de tous les composants du palier est étudiée en particulier pour quantifier leur influence sur la fraction du volume d'huile à l'intérieur de la cavité du palier. Les résultats démontrent que non seulement la vitesse de rotation relative de l'anneau interne, mais la vitesse de la cage elle-même pourrait changer la distribution d'huile.


  • Résumé

    In a rotating machinery system like turbine engine, high speed rolling element bearings play an important role in supporting the rotating shaft or rotor, and need lubrication to insure their function. Except a small quantity of oil is needed to form the elastohydrodynamic lubricant film in the contact zone, most of lubricant remains in suspension in air, forming an oil/air mixture. This phenomenon leads to excessive parasitic hydraulic losses when rolling elements translate and rotate into the fluid environment, which may constitute a relatively large portion of the bearing's total power loss, named windage drag and churning losses. For high speed applications, i.e. for rotational speed up to 3× 10^6 Ndm, the contribution of drag/windage loss to the total one may reach up to 50%. However, so far there are few approaches used directly for drag and churning losses estimation, which could only provide a rather gross approximation. In this thesis, the Computational Fluid Dynamics (CFD) method is employed to analyze first the flow around one finite-length circular cylinder with two free ends in an open space. Then the model is changed to several in-line circular cylinders sandwiched by two flat walls, which represents a simplified approach. The fluid here is regarded as incompressible, representing an equivalent one-phase fluid for the oil/air two-phase flow inside the bearing cavity with specified fluid properties. The results indicate that the flow around the finite length roller element is perturbed by its two free ends, the surrounding rings, the cage and other rolling elements. A relationship between the drag coefficient and the Reynolds number suitable for circular cylinder in roller bearings (1<L/D<6) is proposed, as well as a formulation for churning losses prediction. The oil/air two phase flow inside the bearing cavity with under-race lubrication is also studied in this work. The coupled level-set volume of fluid (CLS-VOF) method is employed to demonstrate the lubricant distribution along the bearing circumference. The effect of various factors is studied, e.g. the oil injection velocity, the nozzle diameter, the oil properties, and the oil injecting angle. Rotational speed of all the bearing components are studied particularly to quantify their influence to the oil volume fraction inside the bearing cavity. The results demonstrate that not only the inner-ring relative rotational speed, but the cage speed itself could change the oil distribution. The results can be used for the precise lubrication design to optimate the oil distribution inside the bearing.


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