On the Design of High-Speed Miniature Air Bearings: Dynamic Stability, Optimisation and Experimental Validation (Ontwerp van miniatuur luchtlagers voor hoge snelheden: dynamische stabiliteit, optimalisatie en experimentele validatie)

Hogesnelheidslagers vormen een hoofdbestanddeel in een toenemend aantal toepassingen. Gasgesmeerde lagers bieden voor dit toepassingsdomein vers cheidene voordelen ten opzichte van andere, meer klassieke lagertechnolo gieën: quasi-sleetvrije werking, een schone en olievrije oplossing, bepe rkte wrijvingsverliezen, een ruim temperatuurbereik enz. De voornaamste beperking van gasgesmeerde lagers betreft echter het dynamische stabilit eitsprobleem dat optreedt bij hoge snelheid. Succesvolle toepassing van gasgesmeerde lagers valt daarom samen met de mogelijkheid om zelfopgewek te instabiliteiten te vermijden binnen het beoogde werkingsgebied. Deze thesis behandelt het dynamische stabiliteitsprobleem van gasgesmeer de lagers bij hoge snelheid. Er wordt hierbij zowel aandacht besteed aan de ontwerpaspecten van dergelijke lagers als aan de validatie door midd el van een reeks experimenten. Geschikte modelleertechnieken zijn ontwikkeld om het statische en dynami sche gedrag van de gasfilm te voorspellen en om het stabiliteitsgedrag v an het gehele rotor-lager systeem te bepalen. Het opstellen van een stab iliteitscriterium verschaft inzicht in de problematiek en de gerelateerd e parameters. Op basis van dit criterium kunnen de bestaande technieken voor het verbeteren van de stabiliteit geëvalueerd worden. Daarnaast zij n er drie strategieën uitgewerkt voor het vermijden van instabiliteiten bij hoge snelheid: (i) optimaal ontwerp van klassieke aërostatische lage rs; (ii) beperken van destabiliserende invloeden door een wijziging van de filmgeometrie; en (iii) compenseren voor de destabiliserende krachten door ingrepen buiten de gasfilm. Elke aanpak leidt tot het opstellen va n een reeks dimensieloze ontwerprichtlijnen. Een omvangrijk gedeelte van het werk betreft de experimentele validatie. De verschillende experimenten zijn uitgevoerd op rotor-lager systemen v an miniatuur afmeting met een rotor diameter kleiner dan 10 mm. Het resu ltaat van deze experimenten dient voor volgende doeleinden. Ten eerste w orden de verkregen gegevens gebruikt om de ontwikkelde modellen te stave n en te verfijnen. Het waargenomen stabiliteitsgedrag is bovendien in ov ereenstemming met het voorspelde gedrag, hetgeen het werkingsprincipe va n de voorgestelde stabilisatietechnieken bevestigt. De bereikte resultat en duiden tenslotte op het praktische belang van de ontwikkelde ingrepen voor de stabilisatie van miniatuur hogesnelheidssystemen. Zo is stabiel e lagerwerking aangetoond tot 683 280 rpm door het toevoegen van externe demping aan een aërodynamisch radiaal lager met een diameter van 6 mm ( = 4.10 miljoen DN). Een laatste onderdeel behandelt een toepassingsvoorbeeld. Hierbij worden de ontwerpaspecten, het rotordynamische gedrag en de compressor perform antie van een miniatuur turbo-compressor systeem beschreven.status: publishe