This thesis investigates potential materials to be used in the rotary sealing industry that provide low power loss and minimize cost. The studied rotary valve utilizes slots that act as timing valves to allow for flow axially, through the seal face, at particular times within a heat pump cycle. This investigation examines various combinations of multiple PTFE materials, plastics, and soft metals that have been proven to provide low friction coefficients. Leakage and wear requirements are stated for the future use of the rotary valve and are used to determine the effectiveness of sealing the fluid while examining the power loss. In conclusion, the study finds the combination of a modified PTFE stationary ring and Aluminum Bronze rotating face to provide the lowest power loss. Numerical analysis was completed to verify the lubrication regime to be partial lubrication and was also used to investigate geometry changes and impact on the power loss.

The grinding rollers of raw mill 7 operate in very harsh conditions and, because of this, suffer from excessive failure mode due to lip seal deterioration. Foreign material penetrates the deteriorated lip seal and enters the bearings resulting in bearing failure. Failure mode brings about high maintenance costs for the cement-producing company Cementa AB. This thesis aims to accomplish two things. 1- Hypothesize a set of root causes for failure mode and link them to existing literature studies to determine what actions should be taken to prevent or at least postpone failure mode. 2- Generate several new conceptual designs for the sealing mechanism by either creating a revolutionary sealing design or taking inspiration from standard seals currently on the market. The generated concepts aim to provide Cementa AB with a new perspective as well as mitigate some or all the root causes for failure mode if implemented. The hypothesized root causes for failure mode are categorized through the creation of a problem tree and are defined as lip seal failure, lubricative pressure and contamination, tribologically improper friction, vibration, and finally very harsh conditions that are indigenous to raw mills in general and that are seemingly incompatible with the current sealing mechanism. Revolutionary concepts are brainstormed entirely from an experimental perspective, while standard concepts are inspired by established sealing technology on the market. Both alternatives are then conceptually adapted to the grinding roller of raw mill 7 and, with inaccurate scaling, 3D modelled with the aid of Autodesk Inventor. 7 concepts, revolutionary and standard combined, are generated as a result. The revolutionary concepts have been deemed non-viable due to the limited timeframe and scope of the thesis. Instead, the selected seal for the upgrade is a labyrinth seal, which is a non-contact standard seal that has the potential to mitigate many of the root causes for failure mode. The literature studies on the hypothesized root causes also indicate that there are actions that could postpone failure mode should Cementa AB chose to retain the original sealing mechanism for a longer period. / Valsarna i råkvarn 7 arbetar under mycket tuffa förhållanden och på grund av detta lider maskinen av en överdriven mängd haverier till följd av läpptätnings försämring. Främmande material tränger igenom den försämrade tätningen och kommer in i lagren vilket resulterar i lagerhaveri. Detta medför höga underhållskostnader för det cementproducerande företaget Cementa AB. Denna avhandling syftar till att åstadkomma två saker. 1-Hypotesera en uppsättning av grundorsaker till lagerhaveri och länka dem till befintliga litteraturstudier för att avgöra vilka åtgärder som kan vidtas för att förhindra eller åtminstone skjuta upp lagerhaveri. 2-Generera flera nya konceptuella konstruktioner för tätningsmekanismen genom att antingen skapa en revolutionerande tätningsdesign eller hämta inspiration från standardtätningar. De genererade koncepten syftar till att ge Cementa AB ett nytt perspektiv såväl som att mildra några eller alla grundorsaker till lagerhaveri om de implementeras. De hypotiserade orsakerna till lagerhaveri kategoriseras genom skapandet av ett problemträd och definieras som trasig läpptätning, smörjningstryck och förorening, tribologiskt felaktig friktion, vibrationer och slutligen tuffa förhållanden som är inhemska för råkvarn generellt. Revolutionära koncept är brainstormade helt ur ett experimentellt perspektiv medan standardkoncept är inspirerade av etablerad tätningsteknik på marknaden. Båda alternativen är sedan konceptuellt anpassade till valsen i råkvarn 7 och, med oegentlig skalning, 3Dmodellerad med hjälp av Autodesk Inventor. 7 koncept, revolutionerande och standard kombinerat, genereras som resultat. De revolutionära koncepten har bedömts vara icke-livskraftiga på grund av avhandlingens begränsade tidsram och omfattning. Istället är den valda tätningen för uppgraderingen en labyrinttätning som är en icke-kontakt standardtätning som har potential att mildra många av orsakerna till lagerhaveri. Litteraturstudierna om de hypotiserade grundorsakerna tyder också på att det finns åtgärder som kan skjuta upp lagerhaveri om Cementa AB väljer att behålla den ursprungliga tätningsmekanismen under en längre period.

L'objectif principal de cette thèse est de conduire, à travers une étude théorique et expérimentale, vers une meilleure compréhension des différents effets induits par la texturation de surface dans un contact lubrifié. Le but ultime est de proposer un motif de texture qui permette de réduire le frottement et le niveau de fuite d'une garniture mécanique. L'étude bibliographique a permis d'identifier les différents travaux théoriques et expérimentaux réalisés sur la lubrification en présence de textures, les phénomènes physiques interagissant avec les textures et les différentes méthodes utilisées pour leur mise en forme. Une étude théorique utilisant un modèle conservatif basé sur l'équation de Reynolds est ensuite présentée. Dans la première partie de cette étude, les faces de frottement sont supposées parfaitement parallèles et les effets thermoélastiques sont négligés. Dans la seconde partie, les échanges de chaleur avec les anneaux et les déformations thermoélastiques sont pris en compte. Une étude paramétrique a permis de mieux comprendre l'influence des paramètres géométriques des textures, des défauts de formes et des déformations thermoélastiques des faces sur le fonctionnement de la garniture. En outre, cette étude a permis de définir une texture capable d'améliorer significativement les performances d'une garniture mécanique. Des essais expérimentaux ont ensuite été réalisés avec une garniture mécanique texturée et une garniture mécanique non texturée. Des mesures de couple de frottement et des relevés de température effectués par thermographie infrarouge ont montré que l'utilisation des textures permet de réduire de manière significative la température et le couple de frottement par rapport à une garniture à surfaces lisses. Enfin, une comparaison théorie/expérimentation a permis de valider le modèle développé qui prédit de façon correcte le comportement de la garniture texturée. / The main objective of this thesis is to lead, through a theoretical and experimental study, to a better understanding of the various effects induced by surface texturing in lubricated contacts. The ultimate goal is to provide a texture pattern that reduces friction and leakage of a mechanical seal. The literature review identified different theoretical and experimental works performed on lubrication in the presence of textures, physical phenomena interacting with textures and the different methods used for their manufacturing. A theoretical study using a conservative model based on Reynolds equation is then presented. In the first part of this study, the friction surfaces are assumed perfectly parallel and thermoelastic effects are neglected. ln the second part, heat transfer to the rings and thermoelastic deformations are taken into account. A parametric study then allows bettering our understanding of the influence of geometrical parameters of textures, defects and thermoelastic deformations of the faces on the performance of a mechanical seal. In addition, this study has identified a texture capable of significantly improving the performance of a mechanical seal. Experimental tests were then carried out with bath textured and untextured mechanical seals. Friction torque measurements and temperature measurements achieved by means of infrared thermography have shown that the use of textures allows to significantly reduce heat and friction torque compared with a seal with smooth surfaces. Finally, a comparison theory/experiment validated the developed model that predicts correctly the behavior of the textured mechanical seal.

Les garnitures mécaniques sont des composants d'étanchéité d'arbres tournants. Elles sont constituées de deux surfaces planes annulaires dont le contact est lubrifié par le fluide à étancher.L'opération de recherche « Jointlub » du département D3 de l'institut P' a développé des outils de simulation du comportement des garnitures par des méthodes analytiques, semi analytiques et numériques. En s'appuyant sur ces acquis, l'objectif de cette thèse vise à définir une méthodologie d'analyse préalable permettant l'optimisation de la modélisation du fonctionnement d'une garniture mécanique en fonction de la solution technologique choisie. Ceci consiste à proposer un procédé de choix d'outils de modélisation parmi les principaux types existants.Un ensemble d'indicateurs et de critères est développé afin de déterminer les phénomènes physiques prépondérants lors du fonctionnement d'une garniture dans des conditions données. Le modèle retenu pour la simulation devra prendre en compte les phénomènes identifiés.Des validations expérimentales ont été réalisées pour une garniture mécanique opérant dans différents régimes de fonctionnement. Une étude de l'évolution de la topographie des faces de frottement, du couple de frottement, du débit de fuite et du comportement thermique ont été effectués. Les expériences ont montré que le comportement des garnitures dépend fortement du régime de lubrification : mixte, hydrodynamique ou thermo-élasto-hydrodynamique.Les modèles théoriques ont été comparés aux résultats expérimentaux. Une bonne corrélation est obtenue dans leur domaine de validité, défini à partir des indicateurs. Des écarts plus importants sont observés lorsque les modèles sont utilisés dans des zones où ils ne prennent pas en compte l'ensemble des phénomènes physiques. Cette comparaison a montré que les indicateurs et critères de la méthode de choix proposée sont pertinents et permettent une bonne identification des phénomènes physiques à prendre en compte. / Mechanical face seals are sealing components for rotating shafts. It basically consists of two annular flat surfaces lubricated with a very thin film of sealed fluid.The "Seals lubrication" group of the Pprime institute has developed different modeling tools of mechanical face seals behavior by analytical, semi analytical and numerical methods. The objective of this thesis is to define a preliminary methodology to optimize the modeling of the mechanical seal taking into account the seal design. This analysis provides a suggestion of modeling tools among the existing types. A set of indicators and criteria are developed to determine the dominating physical phenomena during the operation of the seal under given conditions. The selected modeling tools should take into account the identified phenomena. Experimental validations were performed for a mechanical seal working in different operating conditions. Studies of the evolution of the friction faces topography, the friction torque, the leakage rate and the thermal effect were carried out. Experiments have shown that the behavior of the mechanical seal strongly depends on the lubrication regime: mixed, hydrodynamic and thermo-elasto-hydrodynamic.Theoretical models were compared with experimental results. A good correlation is obtained into their range of validity defined with preliminary analysis. Larger differences are observed when the models are used in conditions where unconsidered physical phenomena occur. This comparison showed that the indicators and criteria of the proposed method of choice are relevant and allows a good identification of the physical phenomena that should be taken into account.