Untersuchung der Funktionsmechanismen von Manschettendichtungen aus PTFE-Compounds

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Werner Haas
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 262224054

Die Standardlösung zur Abdichtung von Wellen im Maschinenbau ist der Radial-Wellendichtring aus Elastomeren (Elastomer-RWDR). Da Elastomer-RWDR relativ schnell an ihre Belastungsgrenzen stoßen, werden vermehrt Manschettendichtungen aus PTFE-Compounds (PTFE-MD) in der Dichtungstechnik eingesetzt. Durch Einsatz von PTFE (Polytetrafluorethylen) als Dichtungswerkstoff, können die Einschränkungen von Elastomeren weitgehend überwunden werden. PTFE verträgt Einsatztemperaturen von -200°C bis 250°C und weist eine nahezu universelle chemische Beständigkeit auf. Zudem ist PTFE trockenlauffähig und besitzt geringe Reibwerte auf dichtungstechnisch relevanten Gegenlaufflächen. Um die Eigenschaften von PTFE noch weiter zu verbessern, werden für Manschettendichtungen PTFE-Compounds (gefülltes PTFE) verarbeitet. Dabei können PTFE-Manschettendichtungen (PTFE-MD) nicht nur Elastomer-RWDR an kritischen Dichtstellen ersetzen, sondern teilweise auch anstelle von relativ aufwändigen und teuren Dichtsystemen wie z. B. Gleitringdichtungen eingesetzt werden. Damit können durch den Einsatz von PTFE-MD als Universaldichtungen in vielen Fällen die Betriebssicherheit erhöht, die Notlaufeigenschaften verbessert, die Gefahr der Fluidunverträglichkeit ausgeschlossen sowie Stillstandszeiten durch Dichtungsausfälle reduziert oder ganz vermieden werden. Trotz des enormen potenziellen Nutzens für Dichtungsanwender durch die Verfügbarkeit von optimierten PTFE-MD, gibt es kaum Fortschritte seitens der Dichtungshersteller. Dies liegt im Wesentlichen daran, dass die Funktionsmechanismen von PTFE-MD nicht hinreichend bekannt sind. Ohne Kenntnis der genauen Funktionsmechanismen ist eine gezielte Optimierung nicht möglich. Daher muss mit hohem experimentellem Aufwand durch Versuch und Irrtum optimiert werden. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist diesen Missstand zu beheben, indem eine umfassende Analyse der statischen und dynamischen Funktionsmechanismen von PTFE-MD durchgeführt und veröffentlicht wird. Eine wesentliche Untersuchungsmethode in diesem Vorhaben ist die numerische Simulation der Strömungsvorgänge im Dichtspalt und in Dichtspaltnähe. Hierbei werden insbesondere die mikroskopischen Strömungsvorgänge berücksichtigt, da sich erst dadurch der elasto-hydrodynamische Dichtspalt ausbildet. Auch das Zusammenwirken der makroskopischen mit den mikroskopischen Strömungsvorgängen wird untersucht. Die Erkenntnisse aus den Simulationen werden experimentell erweitert und abgesichert und sind für die Ableitung der dynamischen Funktionsmechanismen von PTFE-Manschettendichtungen erforderlich. Ein weiterer wesentlicher Baustein dieses Vorhabens ist die Untersuchung der Grenzflächeneffekte im und um den Dichtspalt. Diese Untersuchungen erfolgen experimentell und dienen vor allem dem Verständnis der statischen Funktionsmechanismen. Zusätzlich wird untersucht, ob Grenzflächeneffekte einen Einfluss auf die dynamischen Funktionsmechanismen haben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen