Experimental investigation of air bearings dynamic coefficients

Étude expérimentale des coefficients dynamiques des paliers à air

Institut PPRIMME, UPR 3346, Université de Poitiers (anciennement Laboratoire de Mécanique des Solides), Boulevard Marie et Pierre Curie, Téléport 2, BP 30179, 86962 Futuroscope Chasseneuil Cedex, France

^a Corresponding author: pierre.matta@lms.univ-poitiers.fr

Received: 25 February 2010
Accepted: 7 June 2010

Abstract

The paper presents the experimental work developed by the authors for the identification of rotordynamic coefficients of air bearings. Air bearings work at very high rotation speeds and are known to have nonlinear dynamic characteristics depending at least on the excitation frequency. The paper presents two very similar test rigs, the testing procedure and the algorithm for identifying the rotordynamic coefficients. The test rigs consist of a rigid rotor guided by fixed bearings and driven by a spindle. The dynamic loads are applied by two orthogonally mounted shakers applying two linear independent excitations. Two air bearings are analysed in the present paper. The test procedure is first developed for a simple circular bearing with easily predictable dynamic characteristics. Its rotordynamic coefficients are identified by using a least square procedure based on rational functions. The coefficients are compared to theoretical results in order to underline the limits of the identification algorithm. The procedure is next applied to a first generation foil bearing. Rotordynamic coefficients are presented for different working conditions (static loads and rotation speeds) and are discussed comparing them to circular air bearings.

Résumé

Cetteétude présente une démarche expérimentale pour identifier les coefficients dynamiques des paliers à air. Les paliers à air fonctionnent à des grandes vitesses de rotation et sont réputés pour leur comportement dynamique considérablement non linéaire dépendant au moins de la fréquence de rotation. Cet article présente deux dispositifs d’essai similaires, la procédure expérimentale et l’algorithme d’identification des coefficients dynamiques. Les bancs d’essai sont constitués d’un arbre rigide supporté par des paliers fixes et entraîné par une broche. Les forces dynamiques sont appliquées par deux pots vibrants appliquant deux excitations linéairement indépendantes suivant deux directions orthogonales. Dans cetteétude deux types de palier à air ontétéétudiés. La procédure expérimentale aété développée pour un palier cylindrique simple dont les coefficients dynamiques sont aisément calculés. Les coefficients dynamiques du palier cylindrique ontété identifiés à l’aide d’une méthode des moindres carrés basée sur des fonctions rationnelles. Ces résultats sont comparés avec la théorie pour souligner les limites de la procédure d’identification. La méthode d’identification est ensuite appliquée pour des paliers à feuilles, de la première génération. Les coefficients dynamiques sont présentés pour plusieurs conditions de fonctionnement (charge statique et vitesse de rotation) et sont comparés avec les résultats obtenus pour des paliers cylindriques.