Simulative Bestimmung der Temperatur im Dichtkontakt von Radial-Wellendichtungen

Abstract

An Radial-Wellendichtungen kann Leckage auftreten, wenn die Elastomer-Dichtlippe des Radialwellendichtrings (RWDR) im Betrieb thermisch geschädigt wird. Dabei überschreitet die Temperatur im Dichtkontakt das ertragbare Maß, weil zu viel Reibwärme im Dichtkontakt entsteht und/oder diese Reibwärme nicht ausreichend gut an die Umgebung abgeführt werden kann. RWDR aus besonders temperaturbeständigen Elastomeren sind sehr teuer und könnten in Zukunft möglicherweise verboten werden. Für eine wirtschaftliche und zugleich funktionssichere Auswahl des RWDRs muss deshalb bereits in der Konstruktionsphase bekannt sein, welche Temperaturen später während des Betriebs im Kontaktbereich herrschen werden. Die Messung der Temperatur im Dichtkontakt erfordert einen Prototyp sowie Prüftechnik und ist damit sehr aufwändig. Ziel dieser Arbeit ist es deshalb, eine Methode zu entwickeln, mit der die Temperatur im Dichtkontakt von Radial-Wellendichtungen prognostiziert werden kann. In dieser Arbeit wurde eine Simulationsmethode entwickelt, mit der das Temperaturfeld im gesamten Dichtsystem und dessen Einbauumfeld simuliert werden kann. Daraus kann die Temperatur im Dichtkontakt ermittelt werden. Zum Einsatz kommt die CHT-Methode (Conjugate Heat Transfer), bei der die „klassische“ Strömungssimulation (CFD) um die Berechnung der Wärmeleitung in angrenzenden Festkörpern erweitert wird. Die Entstehung der Reibwärme wird mittels benutzerdefinierter Funktionen in das Simulationsmodell integriert, wodurch die Reibleistung/-wärme als Funktion der Betriebsbedingungen und der Radialkraft des RWDR modelliert werden kann. Diese Funktion basiert auf empirischen Messdaten. Im Simulationsmodell können Geometriemerkmale, Betriebsbedingungen und Stoffwerte durch Parametrisierung einfach und systematisch variiert werden. Die Validierung des Simulationsmodells erfolgt durch einen Abgleich der Temperatur in unmittelbarer Nähe des Dichtkontakts, die mittels Infrarot-Thermografie ermittelt wurden. Um die Temperatur im Dichtkontakt von Radial-Wellendichtungen noch einfacher und schneller als mittels Simulation abschätzen zu können, wurde darüber hinaus das Näherungsverfahren „ExACT“ entwickelt. Dieses basiert auf einem thermischen Ersatzmodell und berücksichtigt die acht wichtigsten Einflussfaktoren auf die Temperatur im Dichtkontakt, wodurch es einen deutlich breiteren Anwendungsbereich und eine höhere Genauigkeit als bisherige Näherungsverfahren aufweist. Zur einfachen und intuitiven Anwendung des ExACT-Verfahrens wurde das Berechnungstool InsECT entwickelt, das als Web-App frei zugänglich ist. Sowohl die Simulationsmethode als auch das Berechnungstool InsECT mit dem darin enthaltenen Näherungsverfahren ExACT wurden bereits mehrfach erfolgreich in anderen Forschungsprojekten sowie in der Industrie eingesetzt.