Dichtungen

PTFE-Manschettendichtungen – Gestaltungsrichtlinien für bidirektionale Rückförderstrukturen

Um mit PTFE-Manschettendichtungen leckagefrei abzudichten bedarf es zuverlässig funktionierender, bidirektionaler Rückförderstrukturen – Gestaltungsrichtlinien.

| Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Jan Gölz, Dr.-Ing. Frank Bauer, Prof. Dr.-Ing. habil. Werner Haas / Karl-Ullrich Höltkemeier

1. Funktionsmechanismus
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1. Funktionsmechanismus (Bild: Uni Stuttgart)

Um mit PTFE-Manschettendichtungen leckagefrei abzudichten müssen zuverlässig funktionierende, bidirektionale Rückförderstrukturen gefunden werden. Wie müssen solche Strukturen gestaltet sein?

Der Radialwellendichtring aus Elastomer (RWDR) wird zur Abdichtung vieler Wellendurchtrittsstellen erfolgreich verwendet. Bei hohen Temperaturen, Trockenlauf und chemisch aggressiven Fluiden versagen Elastomer-Werkstoffe jedoch. Deshalb wurden Dichtringe aus Polytetrafluorethylen (PTFE) entwickelt. PTFE ist temperaturfest, trockenlauffähig und chemisch universell beständig. Da PTFE-Dichtringe nicht, wie RWDR, selbstständig einen Rückfördermechanismus entwickeln, werden für den Einsatz als Kurbelwellenabdichtung mechanisch Spiralrillen eingebracht. Diese wirken jedoch nur in eine Drehrichtung und sind bei (Teil-) Überflutung statisch undicht.

Sie können deshalb nicht in allen Anwendungsbereichen eingesetzt werden. PTFE-Manschettendichtungen mit drehrichtungsunabhängigen (bidirektionalen) Rückförderstrukturen sind aktuell nicht am Markt erhältlich. Ziel der Forschungsarbeit am Institut für Maschinenelemente (IMA) der Universität Stuttgart ist die Entwicklung solcher Rückförderstrukturen für PTFE-Manschettendichtungen.

Dichtmechanismus

Die untersuchten Dichtungen wurden am Institut geprägt. Sie bestehen aus einem geschlossenen Ring und den Rückförderstrukturen (RS). Die Funktionsweise ist in Bild 1 erläutert. Der geschlossene Ring liegt am gesamten Umfang an der Welle an und trennt Öl- und Luftseite. Er sorgt für statische Dichtheit. Dringt Fluid über den geschlossenen Ring zur Luftseite wird es im dynamischen Betrieb von der Welle mitgeschleppt und an den Rückförderstrukturen umgelenkt.

Der Übergang von Rückförderstrukturen zu geschlossenem Ring ist ein doppelt-konvergent zulaufender Spalt. Durch den im Staupunkt entstehenden Druck wird das Fluid unter dem geschlossenen Ring zurück zur Ölseite gefördert.

Untersuchungen

In dem hier vorgestellten Untersuchungspaket wurde die Leckage im statischen Zustand (Stillstand der Welle) und im Dauerlauf über 240h ermittelt und der Förderwert der Dichtringe bestimmt. Die Rückförderstrukturen wurden in Größe und Grundgeometrie variiert. Somit ergeben sich neun unterschiedliche Varianten von PTFE-Manschetten. Bild 2 zeigt jeweils eine Rückförderstruktur jeder Variante.

Alle Untersuchungen zeigen, dass an den Schnittstellen der Rückförderstrukturen mit dem geschlossenen Ring viel Öl austritt. An diesen Stellen besteht eine Anhäufung von Material. Dies führt zur Verformung der Geometrie, Änderung der Pressung und dadurch zu „Fehlstellen“ im geschlossenen Ring. Im statischen Zustand kann so Fluid zur Luftseite fließen, da die Pressung des geschlossenen Rings auf die Welle nicht am gesamten Umfang hoch genug ist. Öl trat immer im Bereich der Rückförderstrukturen aus.

Die Größe und Form der Rückförderstrukturen hat nur einen geringen Einfluss, da im statischen Zustand der geschlossene Ring abdichtet.

In den Dauerläufen war keine der Dichtungen vollständig dicht. Kleine gerade Rückförderstrukturen zeigten die geringste, größere Rückförderstrukturen höhere Leckage. Konkav oder konvex gebogene Rückförderstrukturen bringen keine Vorteile.

Bei den Förderwertuntersuchungen zeigte sich, dass größere und gebogene Rückförderstrukturen nicht mehr Fluid fördern als kleine gerade Rückförderstrukturen. Die Förderwerte schwanken erheblich und sind stark von der Auflage der Rückförderstrukturen auf der Welle abhängig. Förderwerte dürfen nicht als absolutes Merkmal einer Rückförderstruktur betrachtet, sondern müssen im Gesamtergebnis berücksichtigt werden. Weiterhin ist ein hoher Förderwert keine Garantie für leckagefreien Betrieb im Dauerlauf.

Fazit und Weiterentwicklung

Rückförderstrukturen und geschlossener Ring dürfen nicht isoliert betrachtet werden. Die Kombination aus beiden muss gut an der Welle anliegen. Bei großen Rückförderstrukturen verformt sich die Manschette und die Rückförderstrukturen liegen dadurch nicht ausreichend gut auf der Welle an. Dies führt zu mangelhafter Funktion im statischen Zustand (Stillstand der Welle) und im dynamischen Betrieb (Rotation der Welle).

Große Rückförderstrukturen bringen keine Vorteile, da der für die Förderwirkung entscheidende Bereich der Übergang der Rückförderstrukturen in den geschlossenen Ring ist. Dieser ist als doppelt-konvergenter Spalt ausgeführt.

Um Verformungen der Rückförderstrukturen zu vermeiden dürfen diese nicht an derselben Stelle in den geschlossenen Ring eingeleitet werden. Darum wurde in der nächsten Iterationsschleife eine Geometrie mit getrennten Rückförderstrukturen entwickelt, siehe Bild 3. So wird eine Materialanhäufung in diesem kritischen Bereich vermieden. Erste Untersuchungen zeigen, dass sich dadurch die „Nachflussmenge“ im statischen Zustand deutlich reduziert und die Anlage an die Welle verbessert. (hö)

* Dipl.-Ing. Jan Gölz, Universität Stuttgart, Dr.-Ing. Frank Bauer, Universität Stuttgart und Prof. Dr.-Ing. habil. Werner Haas, Universität Stuttgart

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