Abstract
Zur Abdichtung von Wellendurchtrittsstellen werden häufig Radialwellendichtringe (RWDR) aus Elastomer (FPM oder NBR) eingesetzt. Infolge der Relativbewegung zwischen Welle und Dichtring wird kinetische Energie in Reibwärme umgewandelt. Jeder dieser Werkstoffe und das Öl haben eine kritische Dauereinsatztemperatur welche nicht überschritten werden darf. Die Temperatur im Reibkontakt ist demnach eine lebensdauerentscheidende Größe.
Messungen der Temperatur direkt im Reibkontakt mittels Thermoelementen sind sehr aufwändig und sofern möglich, fehleranfällig. Messungen mit einer hochauflösenden Thermographiekamera sind weniger aufwändig, aber physikalisch bedingt nur direkt am, aber nicht im Reibkontakt möglich. Die Temperatur ist erwartungsgemäß etwas niedriger als im Reibkontakt.
Standardwärmeübertragungssimulationen mit einem Strukturmechanikprogramm sind eine oft ausreichende Näherung zur Abschätzung der Temperatur im Reibkontakt. Sie eignen sich gut für Parameterstudien, aber nicht für absolute Vergleiche mit experimentellen Ergebnissen. Die komplexen Wechselwirkungen bei der Wärmeleitung und der Konvektion werden dabei zu stark vereinfacht. Das Temperaturfeld ist in der Regel eng mit dem Geschwindigkeitsfeld der Fluide (hier Öl und Luft) gekoppelt. Diese Kopplung wirkt sich direkt auf die Wärmeübergänge von den Festkörpern zu den Fluiden aus und darf nicht vernachlässigt werden.
In dieser Veröffentlichung wird eine erweiterte Methode zur Simulation der Temperatur im Reibkontakt vorgestellt. Mittels einer CHT-Analyse wird das Temperatur- und Geschwindigkeitsfeld in einem Radialwellendichtring-Prüfstand berechnet und mit experimentellen Ergebnissen verglichen. Das zur Berechnung der spezifischen Heizleistung im Reibkontakt herangezogene gemessene Reibmoment wird mit den Ergebnissen aus der CHT-Analyse bezüglich des Planschmomentes korrigiert. Das wirkliche Reibmoment des Dichtrings kann so berechnet werden.
Rotary shaft seals made of elastomers (FPM or NBR) are often used at rotating sealing applications. Friction heat is generated by the relative velocity between the shaft and the sealring. All sealing materials and the oil have a critical working temperature, which must not be exceeded. The temperature in the friction contact is a lifetime decisive parameter.
Thermocouples were used for direct measurements of the temperature in the friction contact. This is very complex and error-prone. Measurements with a high resolution thermocam are less complex, but only possible near by, not in the friction contact. The temperature is unsurprisingly lower.
Standard heat transfer simulations are often a good approximation for the estimation of the temperature in the friction contact. They are ideal for parameter studies but not for high-precision comparisons with experimental results. The complex interactions of conduction and convection will be oversimplified. The temperature field and the velocity field of the fluids are strongly coupled. This coupling affects the heat transfer from the solid to the fluids and must not be neglected.
This paper shows an advanced method to simulate the temperature in the friction contact. The temperature and velocity field will be calculated by an Conjugated-Heat-
Transfer analysis (CHT). A classical heat tranfer analysis with consideration of the fluid. The simulations will be compared to experimental results. The used heating power, determined by measurments of the friction torque, will be corrected by the simulated plash-torque. The real, corrected friction torque of the sealring is now known.
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