Modellierung des Leckstroms eines Kohleringdichtsystems unter Berücksichtigung der Fluid-Struktur Interaktion

Yang, Yang

In der vorliegenden Arbeit wird die Strömung in Kohleschwimmringdichtungen untersucht. Kohleschwimmringdichtungen sind berührungsfreie Dichtungen und werden häufig in Ventilatoren und mehrstufigen Kompressoren verwendet. Durch Einsatz verschiedener CFD-Tools werden die Einflüsse der Fluid-Struktur Interaktion sowie der mikroskopischen und makroskopischen Obeflächenstruktur auf die Leckage analysiert. Die Arbeit konzentriert sich auf stationäre und damit stabile Betriebszustände. Ziel der Arbeit ist die Entwicklung eines reduzierten Modells, das mit geringem Rechenaufwand die Leckage im Dichtsystem mit hoher Genauigkeit vorhersagen kann. Eine Kohleschwimmringdichtung funktioniert nach dem Prinzip der Drosselung. Der entscheidende Parameter für die Leckage ist die Geometrie des Ringspalts, die von vielen Faktoren beeinflusst werden kann. Daher müssen der Dichtring und die dazugehörigen Bautei- le als ein Gesamtsystem betrachtet werden. Aufgrund der erwünschten kleinen Spalthöhe ist der Einuss der Oberflachenstruktur ein Hauptthema in dieser Arbeit. Der Einuss der Mikro- und Makro-Struktur auf die Leckage wird analysiert. Um die Strömungszustände zu quantizieren, werden neben dem kommerziellen Programm ANSYS auch der Opensource Code OpenFOAM und eine selbst implementierte Bulk-Strömungstheorie verwendet. Aufgrund der hohen Druckdifferenz für den Einsatz in Kompressoren werden die Fluid-Struktur Interaktion (FSI) im Programmpaket ANSYS Workbench berücksichtigt. Anhand der Erkenntnisse aus diesen Untersuchungen wird eine quasi-eindimensionale Theorie für die kompressible Strömung als Basismodell entwickelt. Das Modell wird mit einem analytischen Lösungsansatz für die Festkörperdeformation angepasst, um den Einfluss der FSI auf die Leckage zu berücksichtigen. Eine Erweiterung des Modells für Dichtsysteme mit mehreren Dichtringen wird ermöglicht, indem die Zustandsänderung bei der Expansion vom Spaltaustritt zur Kammer als isobar angenommen und die Geschwindigkeit in der Kammer vernachlässigt wird. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit dem Experiment. Neben der Leckage wird der Lomakin-Effekt untersucht, der für die Selbstzentrierung des Dichtrings verantwortlich ist. Im Gegensatz zur Leckage ist die Lomakin-Kraft empfindlich gegenüber der Oberäflächenstruktur. Aufgrund der hohen Reibungskraft ist die Lomakin-Kraft allerdings für Hochdruckanwendungen zu klein, um den Dichtring wirksam zu zentrieren. Eine Berücksichtigung der Wellenschwingungen bei der Auslegung des Dichtsystems ist notwendig, um den Verschleiß und die Kolliisionsschäden zwischen der Wellenhülse und dem Kohlering zu vermeiden.

Floating ring seals are typical non-contact seals and widely used in fans and multi-stage ompressors. This thesis analyzes the flow in a carbon floating ring seal and identifies the influence of the fluid structure interaction, micro- and macro-surfaces on the leakage via different computational fluid dynamic tools, with the focus on stable and stationary operating conditions. Finally, the thesis aims to develop a simplied model to predict the leakage in the sealing system with both high accuracy and low computational effort. Floating ring seals typically operate according to the principle of throttling. One key parameter of leakage is the geometry of the ring gap, which might be influenced by several factors. Therefore, the sealing ring and the associated components must be considered as a complete system. In addition, as the ideal gap height could be rather small, the influence of the surface structure should be taken into account as well. Depending on different structure types, there are several ways to quantify the flow states, including the commercial program ANSYS, the Opensource Code OpenFOAM and a self-implemented bulk flow theory. The results of the analysis show that the leakage depends much less on the micro surface structure. Additionally, for the application with high-pressure gradient like compressors, the fluid-structure interaction (FSI) is considered using the program package ANSYS Workbench. Based on these results, a basic model is built up to calculate the leakage by implementing a quasi-one-dimensional theory for the compressible flow. Furthermore, the model could adapt to different FSI leakage situations with an analytical approach for the mechanical deformation. According to the results from the experiment with air, the calculated leakage shows a good agreement. In addition, the Lomakin forcce which affects the self- centering of sealing rings is investigated in this work. Compared with the leakage, this Lomakin effect is more sensitive to the surface structure. However, for the present high-pressure application, the Lomakin force is smaller than the radial friction and cannot force the sealing ring to center effectively. Therefore in the sealing system construction, it is essential to take the shaft vibration into consideration as well, in order to reduce the potential wear and collision damage between the shaft sleeve and the carbon ring.

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Yang, Yang: Modellierung des Leckstroms eines Kohleringdichtsystems unter Berücksichtigung der Fluid-Struktur Interaktion. 2018.

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