Schnelle multiphysikalische Simulation aktiver und adaptiver Dichtungen aus Polytetrafluorethylen unter Verwendung einer Gitterrostmethode

Abstract

Wellendichtungen sollen das Austreten von Öl und das Eindringen von Schmutzpartikeln an Wellenausgangen verhindern. In anspruchsvollen Fällen werden Dichtungen aus Polytetrafluorethylen (PTFE) wegen ihrer guten thermischen und chemischen Beständigkeit eingesetzt. Die Dichtfunktion muss in allen Betriebspunkten und auch im Stillstand der Maschine gewährleistet sein. Dabei sollen die Reibungsverluste, der Verschleiß sowie die reibungsinduzierte Temperaturentwicklung so gering wie möglich sein. Zur Auslegung einer aktiven oder adaptiven Dichtung, die sich den Betriebsbedingungen anpasst, wird zunächst ein numerisch effizientes und multiphysikalisches Simulationsmodell des Dichtsystems entwickelt. Dabei wird die Dichtung nach der Hrennikoff-Gitterrostmethode mit eindimensionalen Stabelementen diskretisiert. In die Stabelemente wird ein rheologisches Materialmodell fur PTFE zur Beschreibung der viskoplastischelastischen und temperaturabhängigen Materialeigenschaften implementiert. Reibungsverluste werden in der Berechnung der Wärmeleitung als Quellterm berücksichtigt und die Wärmeleitung wird mit der Finite-Volumen-Methode (FVM) in der Ausgangskonfiguration der Dichtung berechnet. Dabei werden die thermischen Randbedingungen, die den Übergang zum Öl und zur Luft darstellen, in der Momentankonfiguration berücksichtigt. Die funktionale Beschreibung der Materialparameter in Abhängigkeit der Temperatur erlaubt die direkte Kopplung zwischen der thermischen und der mechanischen Simulation. Weitergehend wird das Modell mit einer Verschleißformulierung erweitert, die in die verwendete Kontaktformulierung eingearbeitet wird. Die Simulationen zeigen eine gute Übereinstimmung mit den Ergebnissen von Versuchen, die in der Literatur dokumentiert sind. Anschließend wird das Simulationsmodell für die Entwicklung von aktiven und adaptiven Dichtungen verwendet. Zunächst wird ein Mechanismus zur Erwärmung der Dichtung und somit die aktive Beeinflussung der Materialeigenschaften untersucht. Die multiphysikalischen Simulationen zeigen, dass die Heizleistung für eine optimale Energieeinsparung stark drehzahlabhängig ist. Als weitere aktive/adaptive Methode wird die Verwendung von Drähten aus Formgedächtnislegierungen näher untersucht. Mit dieser kann die Radialkraft der Dichtung erhöht beziehungsweise verringert werden. Der Formgedächtniseffekt wird durch eine Temperaturerhöhung bei etwa 80 °C aktiviert. Dies erlaubt die Verwendung dieser Methode für adaptive Dichtungen über der Umgebungstemperatur oder über die Erwärmung des Formgedachtnisdrahtes mit einem elektrischen Strom als aktive Dichtung. Auch mit dieser Methode lassen sich bei gleicher statischer Dichtheit die Reibungsverluste, der Verschleiß und die Temperaturerhöhung im Dichtkontakt verringern.