Lo scopo di questa indagine è di stimare, tramite una analisi ad elementi finiti, i valori della coppia e delle perdite di tenuta doppia a cartuccia, per poi validarli con quelli ottenuti provando su di un banco strumentato il Gruppo stesso. Inoltre, si desidera sottolineare come i valori delle perdite, risultano influenzate da numerosi fattori operativi, come pressioni e temperature dei vari fluidi, per cui non è possibile parlare di valori univoci di queste, ma semmai di evidenziare dei campi di variazione.
Per le prove si è impiegato uno dei banchi, dotato di acquisitore dati, presenti nella sala prove della FLUITEN e di cui si riporta una fotografia.
Come Gruppo di Tenuta, si è scelto il GTP-16141-0000, composto da face to back pressurizzate, destinate al’ impiego su una pompa nel campo dell’ oil & gas. La tenuta GTP è pressurizzata tramite un sistema a crudo di tipo API PLAN 53B modificato ed ingegnerizzato.
Condizioni reali di esercizio:
Fluido di processo:
Fluido di barriera:
Materiali degli anelli di tenuta:
Le due tenute, lato processo e atmosfera risultano o simili tra di loro e le variazioni sono unicamente dimensionali, come si può vedere nella FIG. 2.
La necessità di equilibrare le spinte assiali sul banco rende necessario il montaggio di due cartucce contrapposte ed unite tramite una cassa stoppa, appositamente costruita. La circolazione dei liquidi è assicurata tramite due distinte centraline, ciascuna dotata di pompa di circolazione e di scambiatore di calore, in modo da rimuovere la potenza dissipata per attrito dalle tenute e di contenere il riscaldamento dei liquidi.
La circolazione del liquido barriera avviene in serie tra le due cartucce e l’uscita della prima coincide con l’ingresso della seconda, come riportato nella FIG. 3.
Come fluido sia di processo che di barriera viene impiegato dell’olio tipo ISO VG32, le cui pressioni risultano le seguenti.
Per quanto riguarda il numero di giri, lo si assume pari a quello di esercizio, cioè pari ai: 998 RPM
L’acquisitore dati consente di registrare le temperature dei fluidi stessi e, questo, è di fondamentale importanza per definire le condizioni termiche di contorno agli anelli di tenuta, nella simulazione FEA.
Si registra la temperatura in ingresso alla prima cartuccia ed in uscita alla seconda e l’incremento totale viene diviso, esattamente, tra le due.
Temperatura in ingresso LBI: 50 °C
Temperatura in uscita LBO: 88 °C
Delta medio per cartuccia: DT=(88-50)/2=19°C
Si può quindi ipotizzare una temperatura media della barriera tra le due cartucce, come indicato in TAB.1.
TAB.1 | TEMP. LBI | TEMP.LBO | TEMP MEDIA |
(°C) | (°C) | (°C) | |
CARTUCCIA 1 | 50 | 50+19= 69 | 60 |
CARTUCCIA 2 | 69 | 69+19= 88 | 79 |
Viene monitorata la temperatura in ingresso alla cassa tenuta ed in uscita alla stessa, come da TAB.2
TAB.2 | TEMP. LBI | TEMP.LBO | TEMP MEDIA |
(°C) | (°C) | (°C) | |
CARTUCCIA 1 | 50 | 50+19= 69 | 60 |
Si impiega il software SEALHDNL, dedicato esclusivamente allo studio delle tenute meccaniche e sulla formazione del film liquido tra le facce striscianti. Brevemente, si elencano le fasi seguite, che sono le tipiche seguite in tutte le modellazioni FEA.
Tutte grandezze significative sono riepilogate nella tabella FIG. 4 e TAB.3.
Distribuzione e valori delle pressioni, delle temperature e dei fluidi impiegata nella schematizzazione FEA.
TAB. 3 | PRESSIONI | TEMPERATURE | FLUIDI | |||
PI | PO | T1 | T2 | FL1 | FL2 | |
INTERNA | ESTERNA | INTERNA | ESTERNA | INTERNO | ESTERNO | |
(barA) | (barA) | (C°) | (C°) | |||
CARTUCCIA 1
TENUTA LATO ATMOSFERA |
1 | 7,6 | 22 | 60 | ARIA | OLIO ISO VG32 |
ARIA | OLIO | |||||
CARTUCCIA 1
TENUTA LATO PROCESSO |
7,6 | 4,8 | 60 | 30 | OLIO ISO VG32 | OLIO ISO VG32 |
OLIO ISO VG32 | OLIO ISO VG32 | |||||
CARTUCCIA 2
TENUTA LATO ATMOSFERA |
1 | 7,6 | 22 | 79 | ARIA | OLIO ISO VG32 |
ARIA | OLIO | |||||
CARTUCCIA 2
TENUTA LATO PROCESSO |
7,6 | 4,8 | 79 | 30 | OLIO ISO VG32 | OLIO ISO VG32 |
OLIO ISO VG32 | OLIO ISO VG32 |
Questo valore analitico è facilmente confrontabile con quello reale ottenuto a banco, su cui è posto un torsiometro. La lettura e la registrazione sono continue durante le prove il suo il valore medio si attesta attorno a 115 N*m per due cartucce. Nella tabella TAB.4 si confrontano i valori teorici e rilevati e, da questa, si può vedere che i valori coincidono come ordine di grandezza.
TAB.4 DATI CALCOLATI CON ANALISI FEM | DATI RILEVATI | ||
COPPIA TENUTA LATO ATMOSFERA | COPPIA TENUTA LATO PROCESSO | COPPIA TOTALE
|
COPPIA TOTALE
|
(N*m) | (N*m) | (N*m) | (N*m) |
16,5 | 36 | 52,5 | 115/2=57,5 |
Si nota immediatamente che, in termine di ordine di grandezza, i dati rilevati concordano con quelli teorici ricavati dall’analisi.
Altro dato analitico interessante è la distribuzione delle temperature sulle facce ma, purtroppo, difficilmente rilevabile e, quindi, ci si deve limitare, con tutti i dubbi del caso, a quello teorico.
Dalle due slides si nota che la tenuta lato atmosfera risente di un maggiore incremento termico, in quanto sottoposta al valore totale della pressione e, inoltre, sulla parte interna è lambita dall’aria che, essendo un aeriforme, ha una bassa inerzia termica ed una scarsa capacità di rimuovere il calore. Come aspetto positivo si nota la sua distribuzione uniforme della temperatura su tutta l’altezza della faccia che, per via della “cedevolezza” della grafite, denota un contatto regolare delle facce stesse.
Per quanto riguarda il lato processo, risente solo di un differenziale di pressione ma, avendo due materiali duri, si denota un leggero contatto di spigolo sul bordo interno in cui si evidenzia la massima temperatura raggiunta.
Per le perdite, generalmente, si pensa ad un valore univoco o, al massimo, variabili con la pressione. In realtà il cambiamento di ogni parametro operativo comporta una piccola o consistente variazione delle perdite stesse, la cui visibilità è legata alla consistenza delle stesse. Queste pagine non hanno la pretesa di individuare dei valori o parametri esatti ma, semplicemente, di evidenziare come esistano dei “campi” in cui sono contenuti i valori delle perdite al cambiare di alcuni parametri operativi. Per semplicità operativa, ci si limita alla sola variazione della temperatura e della pressione del fluido di barriera.
Si ipotizzano due limiti della pressione: P= 7,6 bar a e 5,6 bar a
e due per la temperatura: T= 50° e 90° C.
T1= temperatura olio barriera
T2= temperatura ambiente
P2=pressione atmosferica
S= 918 rpm
Si nota che le due rette non hanno uguale pendenza e che risulta superiore quella alla pressione di 7,6 bar a.
In Tab. 5 si riportano i due valori con i relativi percentuali.
PERDITE TAB. 5 | |||
PRESSIONE BARRIERA | T1 =50°C | T2 = 90°C | DELTA % |
7,6 BAR A | 3,2 gr/h | 3,7 gr/h | (3,7-3,2)/3,2*100= 15,6% |
5,6 BAR A | 2,7 gr/h | 3,0 gr/h | (3,0-2,7)/2,7*100= 11,6% |
Esaminiamo anche i grafici inerenti alla potenza dissipata per attrito e alla altezza del meato liquido tra le facce.
Come fatto per le perdite, si considerano le loro variazioni percentuali, riportate nella TAB. 6.
COPPIA DI ATTRITO TAB. 6 | |||
PRESSIONE BARRIERA | T1 =50°C | T2 = 90°C | DELTA % |
7,6 BAR A | 1,6 kW | 1,5 kW | (1,6-1,5)/1,6*100= – 6,25% |
5,6 BAR A | 1,6 kW | 1,6 kW | (1,4-1,27)/1,4*100= – 9,30% |
ALTEZZA DEL MEATO TRA LE FACCE TAB. 7 | |||
PRESSIONE BARRIERA | T1 =50°C | T2 = 90°C | DELTA % |
7,6 BAR A | 0,767 micr. | 0,775 micr | (0,775-0,767)/0,767*100= 1,04% |
5,6 BAR A | 0,747 micr | 0,767 micr | (0,767-0,747)/0,747*100= 2,6 % |
La situazione sulla tenuta lato processo risulta piu’ complessa, rispetto a quella sul lato atmosfera, perché, oltre alle variazioni temperatura e di pressione della barriera, bisognerebbe ipotizzare anche quelle del liquido simulante il processo e, ovviamente, tutto questo comporterebbe un a notevole complicazione nella gestione delle casistiche.
Per semplicità operativa, si suppone che il processo non subisca variazioni di grandezze.
PERDITE TAB. 8 | |||
PRESSIONE BARRIERA | T1 =50°C | T2 = 90°C | DELTA % |
7,6 BAR A | 0,75 gr/h | 0,85 gr/h | (0,85-0,75)/0,75*100= 13,3% |
5,6 BAR A | 0,25 gr/h | 0,27 gr/h | (0,27-0,25)/0,25*100= 8% |
POTENZA DI ATTRITO TAB. 9 | |||
PRESSIONE BARRIERA | T1 =50°C | T2 = 90°C | DELTA % |
7,6 BAR A | 3,7 kW | 3,2 kW | (3,7-3,2)/3,7*100= – 13,5% |
5,6 BAR A | 3,3 kW | 2,7 kW | (3,3-2,7)/3,3*100= – 18,2% |
ALTEZZA DEL MEATO TRA LE FACCE TAB. 10 | |||
PRESSIONE BARRIERA | T1 =50°C | T2 = 90°C | DELTA % |
7,6 BAR A | 0,345 micr. | 0,368 micr | (0,368-0,345)/0,345*100= 6,6% |
5,6 BAR A | 0,320 micr | 0,335 micr | (0,335-0,320)/0,320*100= 4,7 % |
Risulta evidente il differente comportamento delle due tenute.
Quella lato atmosfera, pur essendo sottoposta alla pressione totale, presenta una minore potenza dissipata per attrito e una migliore formazione del film liquido e questo, ovviamente, comporta delle maggiori perdite rispetto a quella lato processo. Tutto questo è dovuto alla presenza di un anello di tenuta in grafite, materiale cedevole e con ottime caratteristiche tribologiche, che consente un perfetto accoppiamento delle facce striscianti.
Quella lato processo, invece, paga la presenza di due materiali duri, rigidi e poco deformabili, le cui deformazioni, indotte sia dalla pressione che dalla temperatura, inducono dei contatti di spigolo che, localmente, tendono a rompere il film liquido. Ovviamente, la scelta di due materiali duri è dettata dal fatto che, in queste applicazioni, i prodotti di processo sono sporchi e contenenti particelle solide e abrasive.
Per quanto riguarda i valori delle perdite risultano variabili, in funzione della pressione e della temperatura, tra un 1% minimo e un massimo pari al 20% circa.
In tabella 11, si riportano i valori totali per una cartuccia riferite in grammi ora.
PERDITE TOTALI TAB. 11 | ||
PRESSIONE BARRIERA | T1 =50°C | T2 = 90°C |
7,6 BAR A | 3,95 gr/h | 4,55 gr/h |
5,6 BAR A | 2,95 gr/h | 3,20 gr/h |
Le perdite reali, misurate durante le prove e dopo un periodo di rodaggio, sono risultate variabili e comprese tra un valore minimo di 3 gr/h ed un massimo di 6 gr/h. I grafici di FIG. 9 e 10 riportano come variano le perdite in funzione sia della temperatura che della pressione. Nel primo le perdite sono espresse in gr/h, mentre nel secondo in mg/h.