Multiskalen-Simulationsmodell zur Temperaturvorhersage im Dichtsystem Radial-Wellendichtung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Werner Haas
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 245173332

Radial-Wellendichtringe (RWDR) mit Elastomer-Dichtlippe werden zur Abdichtung zwischen rotierenden und ruhenden Maschinenteilen eingesetzt. Im Betrieb entsteht im Kontaktbereich zwischen RWDR und Welle Reibwärme. Je mehr Reibwärme entsteht und je schlechter diese abgeführt werden kann, desto größer ist dieTemperaturüberhöhung im Kontaktbereich. Hohe Temperaturen sind für das Dichtsystem extrem schädlich. Sie beschleunigen die Alterung von Elastomer und Schmierstoff und führen damit zu einem schnelleren Ausfall des Dichtsystems.Um die geforderte Lebensdauer des Dichtsystems gewährleisten zu können, muss sichergestellt werden, dass die Temperaturen im Betrieb innerhalb des zulässigen Bereichs bleiben. Dies erfordert bereits während der Konstruktionsphase ein Abschätzen der im Betrieb zu erwartenden Temperaturen im Dichtkontakt. Das Abschätzen erfolgt bis dato auf Basis von Expertenwissen. Aufgrund der Vielzahl und der gegenseitigen Wechselwirkungen der Einflussfaktoren auf Entstehung und Abfuhr der Reib-wärme treten dabei teils erhebliche Abschätzungsfehler auf. Die Folgen sind entweder überdimensionierte, d.h. unwirtschaftliche Dichtsysteme oder massive Frühausfälle.Aus diesen Gründen wird im Rahmen des Forschungsvorhabens ein Simulationsmodell erstellt, das die Entstehung und Abfuhr der Reibwärme bei Radial-Wellendichtungen und die Temperaturverteilung im Dichtsystem und dessen Umfeld nachbildet.Bei der Modellerstellung wird ein Multiskalen-Ansatz verwendet, um die auf unterschiedlichen Größenskalen ablaufenden Mechanismen effizient berechnen zu können. Das Simulationsmodell beschreibt die Entstehung der Reibwärme auf der Mikroskala sowie deren Abfuhr an das Dichtungsumfeld auf der Makroskala. Für das Mikromodell wird ein Fortran-Programm erstellt, das mit Hilfe der Reynolds-Gleichung die Strömung im hydrodynamischen Dichtspalt nachbildet. Das Mikromodell verwendet reale Oberflächentopografien von Welle und Dichtring. Als Makromodell wird ein bereits bestehendes CHT-Simulationsmodell (Conjugate Heat Transfer) verwendet. Dieses Simulationsmodell ermöglicht eine kombinierte Strömungs- und Wärmesimulation, bei der auch der Wärmetransport in den Festkörpern des Dichtsystems berücksichtigt wird. Um die Wechselwirkungen zwischen Wärmeentstehung und Wärmeabfuhr aufzulösen, werden Mikro- und Makro-Modell gekoppelt und iterativ gelöst. Das erstellte Simulationsmodell wird durch Vergleich mit umfangreichen Prüfstandsversuchen validiert und ggfs. optimiert.Mit dem validierten Simulationsmodell wird eine Parameterstudie durchgeführt, um die Einflussfaktoren auf die Temperatur im Kontaktbereich und insbesondere ihre Wechselwirkungen zu identifizieren. Basierend auf den Ergebnissen der Parameterstudie und der Validierungsversuche wird ein Näherungsverfahren erarbeitet, mit dem sich die Dichtspalttemperatur bereits während der Konstruktionsphase überschlägig abschätzen lässt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen