Étude paramétrique des joints d'étanchéite à faces radiales au cours de démarrages, en utilisant un modèle TEHD 1-D

Parametric analysis of mechanical face seals transient behaviour during start up, using a 1D-TEHD model

¹ Université de Poitiers, UFR Sciences, SP2MI, Laboratoire de Mécanique des Solides, UMR 6610, Boulevard Marie et Pierre Curie, Téléport 2, BP 30179, 86962 Futuroscope Chasseneuil Cedex, France
² Université "Politehnica" de Bucarest, Roumanie, Faculté de Mécanique, Département Éléments des Machines et Tribologie, Spl. Independentei 313, 060042 Bucarest, Roumanie

Reçu : 15 Avril 2004

Résumé

Le fonctionnement optimal des joints d'étanchéité à faces radiales impose que les faces de frottement soient séparées par un film lubrifiant pour éviter l'usure, mais celui-ci doit être aussi mince que possible pour limiter la fuite. Ce compromis nécessite l'équilibrage précis des forces exercées sur l'anneau flottant du joint. Cet équilibre est principalement contrôlé par la déformation thermo-élastique des faces qui est de l'ordre de grandeur de l'épaisseur du film lubrifiant (quelques micromètres). Il est donc important de modéliser le comportement thermoélastohydrodynamique (TEHD) du joint en particulier pendant les périodes transitoires durant laquelle des instabilités peuvent survenir. Le modèle étudié comporte deux anneaux alignés ayant un degré de liberté axial. Les faces sont très légèrement coniques. La température dans les anneaux ne varie que dans la direction axiale. La vitesse de rotation du rotor suit une loi de démarrage exponentielle. La vitesse et la pression dans le film lubrifiant sont obtenues par la résolution analytique de l'équation de Reynolds. Le champ de température unidimensionnel dans les anneaux est déterminé par l'équation de la chaleur. Cette équation est résolue numériquement, par différences finies, au moyen d'une méthode implicite d'intégration. La déformée des faces est établie analytiquement en fonction de la variation axiale de la température dans les anneaux. À chaque pas de temps l'équation de l'équilibre axial permet de déterminer la distance des centres des faces. Les résultats d'une étude paramétrique sont ensuite présentés.

Abstract

Optimal operation of mechanical face seals (MFS) requires the existence of fluid film between the mating faces to avoid wear, but the gap has to be as thin as possible to keep leakage within acceptable limits. This compromise leads to a fine balance control of the forces acting on the floating ring. The amount of heat dissipated in the very thin fluid film is quite important and induces thermo-elastic deformations. It is well known that the thermo-elastic deformations of the seal rings, which are of the same order of magnitude as the film thickness (a few microns), strongly influence the floating ring equilibrium. Hence, it is very important to study thermoelastohydrodynamic (TEHD) behavior of MFS seal especially in transient conditions, when seal instabilities may occur. The present seal model consists of two aligned rings (axisymetric geometry) with slightly conical mating faces and one axial degree of freedom. It is assumed that temperature varies only axially in the seal rings and that the rotor rotating speed follows an exponential law during start-up. Reynolds equation is analytically solved and gives the pressure in the film and the corresponding opening force. For a given film geometry, the temperature distribution in the seal rings is obtained solving numerically (implicit formulation of finite difference method) the one-dimensional heat transfer equation. Based on the temperature distribution, the elastic deformation of seal faces (coning) is analytically obtained. At each time step the axial equilibrium of the floating ring gives the film thickness. The parametrical study using the above model point out the influence of some important constructive and functional parameters of the seal.