Entwicklung und Untersuchung inverser Wellendichtsysteme

Abstract

Zuverlässig funktionierende Dichtsysteme sind eine wichtige Vorraussetzung für wettbewerbsfähige, wirtschaftliche und umweltschonende Produkte. Das Versagen einer einzelnen Abdichtstelle, kann zum Stillstand der gesamten Maschine oder Anlage führen. Gegenwärtig werden Fluide an rotierenden Bauteilen größtenteils mit berührenden Dichtungen wie z.B. einem RWDR abgedichtet. Dieser Art von Abdichtvarianten gemeinsam ist, dass die „harte“ Welle im dynamischen Dichtkontakt glatt und die Dichtkante, insofern vorhanden, immer an der „weichen“ Dichtung angeformt ist. Für die Dichtringe bedeutet dies, dass die relativ kompliziert geformten Maschinenelemente nur von Spezialfirmen (Dichtungshersteller) kostengünstig herstellbar sind. Kostengünstiger wäre es, relativ einfach geformte Dichtringe, z.B. Rechteckringe, zur dynamischen Abdichtung einzusetzen. Die Dichtkante müsste für solche Anordnungen an der Welle oder am Gehäuse, also dem „harten“ Kontaktpartner, vorhanden sein. Dynamische Dichtsysteme, bei denen die „weiche“ Dichtung einen „einfachen“ Querschnitt hat und die Dichtkante am „harten“ Kontaktpartner (Welle) angeformt ist, werden als inverse Wellendichtsysteme bezeichnet. Sie sind Gegenstand der Untersuchungen der vorliegenden Arbeit Übergeordnete Ziele der vorliegenden Arbeit sind abgesicherte Richtlinien und Empfehlungen, basierend auf experimentellen Grundlagenuntersuchungen, für den Einsatz von inversen Wellendichtsystemen sowie konstruktive Vorschläge praxisrelevanter Bauformen inverser Wellendichtsysteme. Als globales Ergebnis aller experimentellen Untersuchungen ist festzuhalten, dass unabhängig der untersuchten Anordnung, der Effekt einer Veränderung des fluidseitigen Kontaktflächenwinkels auf die Zielgröße Leckage immer größer war als der Effekt einer Veränderung des luftseitigen Kontaktflächenwinkels. Das heißt, durch Veränderung des ölseitigen Kontaktflächenwinkels ist eine größere Reduktion der Leckage zu erzielen als durch eine Veränderung luftseitigen Kontaktflächenwinkels. Die im dynamischen Betrieb auftretende Leckage wird minimal, wenn beide Kontaktflächenwinkel steil sind. Gleichzeitig nimmt aber der Verschleiß des Dichtrings stark zu. Im Rahmen der Grundlagenuntersuchungen verursachten Dichtkanten mit luftseitig flachem (10 … 20°) und fluidseitig steilem Kontaktflächenwinkel (50 … 60°) minimale Leckage bei gleichzeitig geringem Dichtungsverschleiß. Die Reibung im Betrieb ist gegenüber Dichtkanten mit steilen Kontaktflächenwinkeln geringfügig erhöht. Die Abmessungen der Spitzengeometrie der Dichtkante sind generell klein zu wählen. Radien sind verschleißgünstiger als Fasen. Die Anpressung ist auf das notwendige Minimum zu reduzieren, in den Grundlagenuntersuchungen lag diese im Bereich 27 ... 46 N. Generell hängt auch bei inversen Wellendichtsystemen die Wahl des Elastomerwerkstoffs primär von den chemischen und physikalischen Randbedingungen im Betrieb ab. Als Elastomerhärte hat sich der Bereich 70 … 80 … 90°Shore A als günstig erwiesen. Verschiedene praxisrelevante inverse Wellendichtsysteme wurden entwickelt und experimentell untersucht.

- Dichtringe vom Typ WKDR-R1.5 und WKDR-M1 - Generell hat sich gezeigt, dass unter vergleichbaren Versuchsbedingungen mit Dichtringen vom Typ WKDR-M1 - besonders bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten - ein reibungs- und verschleißärmerer Betrieb möglich ist als mit Dichtringen vom Typ WKDR-R1.5. Gleichzeitig sind die zu erwartenden Endleckagen geringerer. Dichtringe vom Typ WKDR-R1.5 besitzen die Eigenschaft, dass Wellenbewegungen gegen die Reibung an der Nebenabdichtung nachgeführt werden müssen.

- Dichtringe vom Typ „WKDR-Q45“ im Standardeinbau - Für die entwickelten WKDR-Q45-Dichtringe kann gesagt werden, dass die im Betrieb auftretende Reibung und Leckage der im Standard-Einbau für vergleichbare Versuchsbedingungen höher sind als für Dichtringe Typ WKDR-M1 und niedriger als für Dichtringe Typ WKDR-R1.5. Die nach Versuchende gemessenen Laufspurtiefen bewegen sich in der Größenordnung der WKDR-R1.5-Dichtringe. Durch radial schwimmend gelagerten Einbau lässt sich eine merkliche Absenkung der Reibung und somit der thermischen Belastung der angrenzenden Bauteile erreichen. Bei Abdichtung druckbeaufschlagter Fluide steigen die Anforderungen an die quasi-linienförmige Anlagefläche der Nebenabdichtung. Durch Reduktion der Dichtringbreite lässt sich für schwimmend gelagerte WKDR-Q45-Dichtringe nochmals eine deutliche Absenkung der Reibung erzielen. Als weiterer Effekt nimmt der Verschleiß der Dichtringe ebenso ab. Grund ist die verbesserte Dichtring-Elastizität solcher WKDR-Q45s- Dichtringe. Die Leckage in diesen Versuchsreihen war unerwartet hoch, ein Grund hierfür konnte nicht gefunden werden.

Safe and reliable sealing systems are an important requirement for competitive, economic and environmental products. The breakdown of a single sealing system can lead to the standstill of a complete machine or plant. Currently sealing tasks in-between rotating and non-rotating machine parts are mainly sealed by contacting sealing elements like the rotary shaft seal. These sealing systems always have a hard plain shaft and as far as existing a profiled sealing edge formed on the sealing element. This means for the sealing element, that it is a relatively complex machine element, which can only be manufactured cost-efficiently by specialists (sealing manufacturers). More cost-efficient are simple formed sealing rings (e.g. rectangular profile) used for dynamic sealing tasks. For these sealing arrangements the sealing edge has to be formed on the hard metal shaft or the housing. Sealing arrangements for dynamic sealing tasks, using a simple formed “soft” sealing element in combination with a profiled “hard” shaft or housing are called inverted sealing arrangements. These arrangements are the subject of this research work. Secured guidelines and recommendations are the main goal of this research work, based on fundamental experimental results, for the common use of inverted sealing arrangements as well as suggestions for “industrial-relevant” designs of inverted sealing arrangements. One global result of the experimental investigations is - independent of the investigated arrangement - that the effect of changing the fluid-side contact angle to the measurand leakage always turned out to be larger than changing the air-side contact angle. This means, by changing the oil-side contact angle the reduction of leakage is larger than when changing the fluid-side contact angle. In dynamic service leakage is minimized by choosing steep contact angles for both sides. At the same time the wear of the sealing element increases strongly. Within the basic investigations, sealing edges with a plain air-side (10 … 20°) and a steep oil-side(50 … 60°) contact angle produce minimum leakage and at the same time little wear of the sealing element. The friction in service compared to sealing edges with both contact angles steep is marginal increased. The dimension of the point of the sealing edge has to be small. In comparison a radius is more favourable against wear than a chamfer. The lip load has to be minimized. Within the basic investigations a lip load in-between 27 N ... 46 N turned out to be beneficial. In general, the choice of sealing materials are primarily determined by chemical and physical boundary conditions in service. The hardness of rubber proofed to be beneficial in-between 70 … 80 … 90° Shore A. Based on these results, different types of “industrial-relevant” designs for inverted sealing elements were developed and investigated. The results are as follows:

- Sealing rings type WKDR-R1.5 and WKDR-M1 - The experimental investigations showed in general, that for comparable test conditions, sealing elements type WKDR-M1 allows in comparison to sealing elements type WKDR-R1.5 a less frictional service with lower wear of the sealing element. This conclusion is especially valid for high circumferential velocity of the shaft. At the same time, the expected leakage is less. Sealing elements type WKDR-R1.5 do have the feature, that movements of adjoining parts have to compensated against the static frictional force of the secondary sealing interface. The acquired space on the machine is less compared to WKDR-M1-sealing rings, the profile less complex.

- Sealing rings type WKDR-Q45 - It can be said, that for common installation sealing elements type WKDR-Q45 cause a higher frictional torque and leakage compared to WKDR-M1-sealing rings and a lower frictional torque and leakage compared to WKDR-R1.5-sealing rings. This conclusion is valid for comparable test conditions. The wear of the sealing ring is comparable to the state of wear of a WKDR-R1.5-sealing ring. By mounting the sealing ring in radial moveable position, a markable reduction of frictional torque and therefore of thermal load of adjoining parts can be achieved. For pressurised sealing tasks the requirements against the “almost-linear” surface of the secondary sealing interface are increased. By reducing the sealing element’s width in longitudinal direction for the so called WKDR-Q45s-sealing rings again a further reduction of the friction in service can be achieved. Another positive aspect, is a decreasing wear of the sealing element. One reason for this effect is a higher system elasticity for this kind of arrangement. Unfortunately the measured leakage in these runs was high. A reason therefore could not be found.