Allgemein


Bezeichnungen an einer zeitgemäßen Gleitringdichtung

Unterschied zwischen Außen- und Innenbelasteter Gleitringdichtung

Außenbelastete Gleitringdichtung werden durch die Druckverhältnisse P1 > P2 bestimmt.

Innenbelastete Gleitringdichtung werden durch die Druckverhältnisse P2 > P1 bestimmt.


Alle Nachfolgenden Berechnungen, beziehen sich auf einen linearen Dichtspalt und für reine Außenbelastung der Gleitringdichtung. Verwerfungen der Gleitflächen werden vernachlässigt.

 

Die Ihnen hier zur Verfügung stehenden Berechnungen wurden mit so viel Sorgfalt wie möglich erstellt. Für die Korrektheit des Ergebnisses schließen wir dennoch jede Haftung aus.


Legende der Verwendeten Formelzeichen und Einheiten:

Werte für die Beispielberechnungen

IDG      =          Innendurchmesser der

                        Gleitfläche in mm

45,90mm

ODG    =          Außendurchmesser der                                                 Gleitfläche in mm

55,00mm

DA       =          Außendurchmesser der rotierenden

                        Einheit (Produktberührt) in m

0,065 m

Dh        =          Hydraulischer Durchmesser

                        in mm

48,00mm/54,30mm

U*A      =          Wärmedurchgangskoeffizient * Fläche der

                        anstehenden Produkttemperatur (Konstante)

0,00025

Tpod    =          Produkttemperatur

170°C

delta p  =          Druckdifferenz zwischen

                        P1 und P2 in MPa

2,8MPa (28bar)

n          =          Drehzahl in 1/min

3600 1/min

l           =          Länge der rotierenden Einheit in m

                        (Produktberührt)

0,035m

k          =          Druckkoeffizient Dimensionslos

                        variiert zwischen 0,5 und 0,8

                        (auch Druckbeiwert cp)

0,5

mu       =          Reibungskoeffizient der Abzudichtenden                         Flüssigkeit Dimensionslos, bei Industrie                         Anwendungen meist zwischen 0,01 und 0,18

0,07

Pf        =          Federkraft in N

150N

 

 

A          =          Gleitfläche in mm^2

 

F0        =          Öffungskraft in N

 

B          =          Balancefaktor Dimensionslos

 

Pfs       =          Gleitflächendruck durch Federkraft in MPa

 

Pfg      =          Gesamt Gleitflächendruck in MPa

 

Dm       =          Mittlerer Gleitflächen Durchmesser in mm

 

Ti         =          Drehmoment in Nm

 

Ta        =          Losbrechdrehmoment in Nm

 

delta T  =          Temperaturdifferenz zwischen

                        Produkttemperatur –

                        gewünschte Sperrflüssigkeitstemperatur

 

P          =          Verlustleistung in kW

 

Pw       =          Wirbelverluste in kW

 

Pe        =          Wärmeeintrag in kW

 


Berechnungsbeispiel:

Gleitfläche A

 

A=Pi*(ODG^2-IGD^2)/4

 

 

 

=3,14*(55^2-45,9^2)/4

=721mm^2

 

Öffnungsskraft F0

 

F0=A*delta p*k

 

 

 

=721*2,8*0,5

=1009N

 

Balancefaktor Außenbelastet

 

B=(ODG^2-Dh^2)/(ODG^2-IDG^2)

 

 

Balancefaktor Innenbelastet

 

B=(Dh^2-IDG^2)/(ODG^2-IDG^2)

 

 

 

 

=(55^2-48^2)/(55^2-45,9^2)

=0,78

 

 

 

=(54,3^2-45,9^2)/(55^2-45,9^2)

=0,92

Gleitflächendruck durch Federkraft

 

Pfs=Pf/A

 

 

 

=150/721

=0,21MPa

 

Gesamt Gleitflächendruck

 

Pfg=delta p*(B-k)+Pfs

 

 

 

 

=2,8*(0,78-0,5)+0,21

=0,99MPa

Mittlerer Durchmesser der Gleitfläche

 

Dm=(ODG+IDG)/2

 

 

 

 

=(55+45,9)/2

=50,45mm

Drehmoment

 

Ti=Pfg*A*mu*(Dm/2000)

 

 

 

 

=0,99*721*0,07*(50,45/2000)

=1,26Nm

Losbrechmoment

 

Ta=Ti*4

 

 

 

 

=1,26*4

=5,04Nm

Verlustleistung an der Gleitfläche

 

P=(Ti*n)/9548

 

 

 

 

=(1,26*3600)/9548

=0,475kW

Wirbelverluste

 

Pw=1,02*10-6*n^2,8*DA^3,6*l

(DA und l in ´m´)

 

 

=1,02*10-6*3600^2,8*0,065^3,6*0,035

=0,0173kW

 

Wärmeeintrag

 

Pe=U*A*Dh*deltaT

 

 

 

=0,00025*48*(170-60)

=1,32kW

 



Verbesserte Berechnung des Wärmeeintrags:

Improvements to the API Equation

 

The heat soak estimates can be improved by making slight modifications to the API 682 heat soak equation as follows:

Hs = m1m2m3m4m5m6UAdeltaT

where

 

Hs = heat soak, Btu/hr
UA = the API default of 12S where S is the seal size in inches
ΔT = pump temperature – seal chamber temperature, °F
m
1 = speed factor, (rpm/1800)0.26 , for example
= 1.0 for 1800 rpm (base case)
= 1.2 for 3600 rpm
= 0.90 for 1200 rpm
m
2 = thermal conductivity factor
= 1.0 for stainless steel (base case)
= 2.3 for carbon steel and cast iron
= 1.4 for 12% chrome steel
m
3 = thickness factor
= 1 for 1 inch thick seal chamber wall (base case)
= 0.81 for 0.5 inch thick seal chamber wall
= 1.13 for 1.5 inch thick seal chamber wall
= 1.24 for 2.0 inch thick seal chamber wall
m
4 = bore factor, (seal chamber bore/API bore)
= 1.0 minimum
= 1.0 for API 610 standard bore and seal sizes
m
5 = viscosity factor, (.4/u)0.15 , for example
= 1.0 for 0.4 cP (base case)
= 1.11 for 0.2 cP
= 0.87 for 1 cP
= 0.68 for 5 cP
= 0.62 for 10 cP
m
6 = combined fluid properties factor excluding viscosity
= 1 for water (base case)
= 0.78 for synthetic oil barrier fluids
= 0.72 for conventional lube oils
= 0.65 for non-vaporizing hydrocarbon mixtures
= 0.53 for vaporizing hydrocarbon mixtures

 

Extension of Example

The improved heat soak equation will now be applied to the previous example.   Suppose the shaft speed is 3600 rpm; the viscosity of the barrier fluid is 5 cP at the target temperature of 150 °F.  The seal chamber is stainless steel and the walls are 1.5 inches thick.  Consider the various multiplier factors and obtain an improved estimate for heat soak.

·         For 3600 rpm, m1 = 1.2

·         For stainless steel, m2 = 1.0

·         For 1.5 inch wall thickness, m3 = 1.13

·         For the API dimensional envelope, m4 = 1.0

·         For viscosity of 5 cP, m5 = 0.68

·         For synthetic barrier fluids, m6 = 0.78

The product of all these factors is 0.719; therefore an improved heat soak estimate is

Hs = (0.719)(14700)
H
s = 10569 Btu/hr

 

 

Anmerkungen:

 

Belastungsfaktor B

   

Belastungsfaktor B, Belastungsverhältnis, B-Wert, Balancefaktor.

Der hydraulische Belastungsfaktor B wird definiert als das Verhältnis von hydraulisch belasteter Fläche zur Gleitfläche.

   
         

 

Bei B > 1 spricht man von belasteten (Einsatzgebiete bei Industriedichtungen bis ca. 10bar), bei B < 1 von entlasteten Gleitringdichtung. Übliche Balancefaktoren liegen bei B=0,6 … 0,9. Mit steigendem B-Wert steigt die Dichtflächenbelastung, der Dichtspalt wird enger, die Leckage geringer, der Verschleiß steigt. Mit fallendem B-Wert wird die Dichtflächenbelastung reduziert, daher werden bei Anwendungen im Hochdruck- und Hochgeschwindigkeitsbereich entlastete GLRD eingesetzt. Nach API 682 (American Petroleum Institute)werden nur noch entlastete Dichtungen eingesetzt. Der fallende B-Wert bewirkt eine bessere Schmierfilmausbildung, aber auch höhere Leckage. Ein zu niedrig angesetzter, oder sich durch Dichtspaltverwerfungen einstellender, B-Wert kann ein Abheben der Gleitflächen bewirken.


Wirbelverluste Pw

 

Das rotierende Teil der Dichtung, das sich im Stopfbuchsraum befindet, die offenen Federn usw. bewirken eine entsprechende Turbulenz die zu einer Verlustleistung führt. Diese Verlustleistung wirkt jedoch erst ab einer Umfangsgeschwindigkeit von >25m/s.

 

Wärmeeintrag Pe

 

Der Wärmeeintrag kommt, bei Produkttemperaturen höher der Sperrflüssigkeit, zum tragen. Wichtig hierbei ist die zulässige Sperrflüssigkeitstemperatur, die durch den Dichtungshersteller oder den Betreiber festgelegt werden sollte. Im Allgemeinen sollte die Sperrflüssigkeit 80°C nicht übersteigen.

 

Um die Berechnung zu erleichtern wurde von Stahl/Stahlguß Pumpengehäuse und Edelstahl Wellenhülse und Dichtungsgehäuse ausgegangen.