Effect and modelling of a stuffing box seal on rotordynamic behavior

Abstract

This master’s thesis studies the effect and modelling of stuffing box seals on rotordynamic behavior and is commissioned by Andritz. The objective of this thesis is to fill in gaps in scientific knowledge on the dynamic properties of stuffing box seals and to evaluate the impact of stuffing box seals on rotordynamics.

The dynamic properties of stuffing box packings were studied in the experimental part of the thesis, where the stiffnesses of packings were tested for different packing sizes at various axial preloads. The experimental part concluded that the largest impact on the stiffness of a stuffing box can be achieved through tightening the stuffing box gland, whilst changing the packing size did not have as large of an effect.

Sensitivity analyses were performed on a case study system where different dynamic coefficients of bearings and stuffing boxes were tested and compared to each other. The findings of the sensitivity analyses suggests that stuffing boxes have a relatively small effect on system response as compared to bearings, but not an insignificant one.

Future research should perform packing material testing using dynamic testing machinery to find the damping properties of packings. Future research should also investigate the effect of stuffing boxes on different bearing and stuffing box configurations to find out if other types of machinery would see benefits from the stiffness provided by a stuffing box. This thesis presents a figure for calculating the stiffness for a stuffing box seal based on the projected surface area, packing size, and amount of axial preload, which could be useful in calculating the stuffing box stiffness for such future research.

Tämä diplomityö tutkii punostiivisteen vaikutusta ja mallintamista roottoridynamiikassa ja diplomityön on teettänyt Andritz. Diplomityön tavoitteena on täydentää puuttuvaa tieteellistä tutkimustietoa punostiivisteiden dynaamisista ominaisuuksista ja selvittää kuinka suuri vaikutus punostiivisteellä on roottoridynamiikkaan.

Punostiivisteiden dynaamisia ominaisuuksia tutkittiin työn kokeellisessa osuudessa, jossa punoksien jäykkyyttä tutkittiin eri kokoisilla punoksilla käyttäen useita eri esikiristysasteita. Kokeellisesta osuudesta huomattiin, että esikiristyksen määrällä oli suurin vaikutus punostiivisteen jäykkyyteen ja punoksen koolla oli huomattavasti pienempi vaikutus.

Työn tapaustutkimuksen mallille tehtiin herkkyysanalyysi laakerien ja punostiivisteen dynaamisille kertoimille. Herkkyysanalyyseistä huomattiin, että punostiivisteen vaikutus systeemin vasteeseen oli pieni verrattuna laakerien jäykkyyskertoimien vaikutukseen.

Tulevaisuuden tutkimuksien pitäisi suorittaa punoksien testaamiset dynaamisilla testauslaitteilla, joilla voidaan selvittää punostiivisteen vaimennusominaisuuksia. Tulevaisuuden tutkimuksien pitäisi myös tutkia eri laakeri- ja tiivistekonfiguraatioita selvittääkseen minkälaisia hyötyjä muunlaiset laitteet voisivat saada punostiivisteiden tuomasta jäykkyydestä. Työssä esitetään kuvaaja punostiivisteen jäykkyyden laskemiseen kun tiedossa on tiivisteen projektoitu pinta-ala, punoksen koko ja tarvittava esikiristysaste. Kuvaajasta voi olla hyötyä punostiivisteen jäykkyyden laskemiseen edellämainitussa jatkotutkimuksessa.