Control system preventing thermal gradient development on foils of foil bearing

Abstract

This article presents attempts at automating a control system to reduce temperature scatter on the foil of a foil bearing. The control system reads the temperatures at six circumferential locations of the bearing's foil and distributes control currents to the thermoelectric modules integrated into the bearing's bushing. Three basic approaches have been proposed and tested: 1) a simple hot-spot tracking algorithm assigning predefined current values to the modules closest to the hot-spot location, 2) a tracking algorithm reducing abrupt changes in the control currents and, in effect, the local heat flux distribution, and 3) a tracking algorithm enhanced with a PID controller. The proposed controller has been implemented and compared to the performance of a temperature controller that does not have tracking capabilities. The implemented control strategies have proven the feasibility of temperature scatter reduction inside the investigated bearing. In most test cases, the instantaneous gradient reduction exceeded 50% (reaching 63% at its best).

Artykuł opisuje podjęte przez autorów próby automatyzacji systemu regulacji przeciwdziałającego powstawaniu wysokiego gradientu temperatury w łożyskach foliowych w warunkach zmiennego obciążenia tych łożysk. Zbudowany system bazuje na sześciopunktowym pomiarze temperatury w równoodległych pozycjach na obwodzie łożyska, na podstawie których określa wartości prądów zasilających zabudowane w panwi łożyska moduły termoelektryczne. W pracy opisano wyniki eksperymentów uzyskane dla trzech różnych sposobów wyznaczania prądów sterujących: 1) orientację z góry ustalonego rozkładu prądów określa prosty algorytm śledzący pozycje wystąpienia maksymalnej temperatury na obwodzie łożyska, 2) algorytm śledzący jw. z rozkładem prądów zmodyfikowanym tak, aby zmiana pozycji obwodowej środka tego rozkładu nie powodowała skokowych zmian w prądach sterujących poszczególnych modułów, 3) algorytm śledzący jw. z dołączonym regulatorem PID. Efekty regulacji z wykorzystaniem zaimplementowanego regulatora porównano do prostego układu regulacji, który nie śledzi zmian kierunku wystąpienia temperatury maksymalnej na obwodzie łożyska. W artykule wykazano skuteczność opracowanego rozwiązania, które w większości zbadanych przypadków testowych prowadziło do redukcji gradientu o min. 50% (najlepszy uzyskany wynik to 63%).