DE102007026743A1

DE102007026743A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung des momentanen Betriebszustandes einer Gleitringdichtung

Info

Publication number: DE102007026743A1
Application number: DE102007026743A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. Berger; Andreas Dr. Schrüfer
Original assignee: Burgmann Industries GmbH and Co KG
Current assignee: EagleBurgmann Germany GmbH and Co KG
Priority date: 2007-06-06
Filing date: 2007-06-06
Publication date: 2008-12-11
Also published as: WO2008148496A1

Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung des momentanen Betriebszustandes einer Gleitringdichtung wird beschrieben. Die Gleitringdichtung umfasst wenigstens ein Paar zusammenwirkender Gleitringe mit einander gegenüberliegenden Gleitflächen, die zwischen sich einen Dichtspalt begrenzen, wobei einer der Gleitringe zur gemeinsamen Drehung mit einem rotierenden Bauteil und der andere an einem stationären Bauteil gegen eine Drehung mit dem rotierenden Bauteil drehgesichert vorgesehen ist. Erfindungsgemäß ermittelt man den Wärmestrom zwischen wenigstens zwei voneinander beabstandeten ausgew<SUB>3</SUB>, M<SUB>4</SUB> an einem der Gleitringe, insbesondere dem drehgesicherten Gleitring (3), indem man die momentanen Temperaturen an den ausgewählten Messstellen erfasst und aus den erfassten Temperaturen zur weiteren Auswertung den momentanen Temperaturgradienten zwischen den ausgewählten Messstellen bestimmt. Die momentanen Temperaturgradienten zeigen an, aufgrund welcher Umstände an den Messstellen eine Temperaturänderung, z. B. infolge Trockenlaufs an der Gleitfläche (4) oder Änderung der Temperatur des abzudichtenden Mediums, zustande gekommen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung des momentanen Betriebszustandes einer Gleitringdichtung mit wenigstens einem Paar zusammenwirkender Gleitringe mit einander gegenüberliegenden Gleitflächen, die zwischen sich einen Dichtspalt begrenzen, wobei einer der Gleitringe zur gemeinsamen Drehung mit einem rotierenden Bauteil und der andere an einem stationären Bauteil gegen eine Drehung mit dem rotierenden Bauteil drehgesichert vorgesehen ist.
Bei Betrieb bildet sich im Dichtspalt zwischen den Gleitflächen der Gleitringe ein Schmiermittelfilm aus dem abzudichtenden Medium aus, wodurch eine direkte Berührung der Gleitflächen verbunden mit einem entsprechenden hohen Verschleiss, verhindert wird. Die Praxis hat jedoch gezeigt, dass die Schmiermittelfilmbildung aus verschiedenen Gründen nicht immer zuverlässig erfolgt oder sich im Laufe der Betriebszeit ändern kann, so dass erhöhte Reibkräfte auftreten. Je grösser der Anteil an Festkörperreibung ist, umso stärker ist die Wärmeentwicklung im Dichtspalt. Die momentan herrschenden Temperaturen geben daher einen Aufschluss über das Vorliegen von reiner Fluidreibung, wie sie bei einem ordnungsgemässen Schmiermittelfilm vorliegt, bzw. Festkörperreibung bei fehlendem oder unzureichendem Schmiermittelfilm.
Es wurden schon verschiedene Massnahmen vorgeschlagen, um Gleitringdichtungen während des Betriebes zu überwachen. In der DE 34 26 539 A wird für die Überwachung des Abriebs der Gleitflächen eine Sonde vorgeschlagen, die in Verbindung mit einem elektrisch leitfähigen stationären Gleitring wirkt und die Stärke eines im Gleitring induzierten Magnetfeldes erfassen kann, wobei durch Abrieb der Abstand zwischen der Sonde und einer konischen Gegenfläche am Gleitring geändert wird. In der DE 197 24 308 A wird vorgeschlagen, zur Ermittlung der Ausfallwahrscheinlichkeit einer Gleitringdichtung den Druck des abzudichtenden Mediums und andere Parameter zu erfassen und mit Bezugswerten für einen standardisierten Normalzustand zu vergleichen, um auf diese Weise eine Aussage über den Betriebszustand der Gleitringdichtung treffen zu können. In der DE 42 25 642 C wird vorgeschlagen, eine Drucküberwachung insbesondere der Leckage vorzunehmen. Schliesslich wird in der DE 20200700122 U vorgeschlagen, die auf den drehgesicherten Gleitring momentan ausgeübten drehsichernden Kräfte zur Überwachung der tribologischen Verhältnisse der Gleitflächen zu erfassen.
Die Erfindung geht demgegenüber davon aus, dass bei einem gefährlichen Trockenlauf infolge Ausfall eines Schmiermittelfilmes oder bei ungenügendem Schmiermittelfilm die Temperatur im Dichtspalt zwischen den Gleitringen deutlich und schnell ansteigen wird. Es wurde jedoch festgestellt, dass eine einfache Temperaturüberwachung häufig Anlass für fehlerhafte Rückschlüsse auf die Verhältnisse im Dichtspalt geben könnte, indem die erfasste Temperatur ausser durch tribologische Einflüsse seitens der Gleitflächen durch eine Vielzahl anderer Umstände beeinflusst werden kann, z. B. Temperatur des abzudichtenden Mediums, Aussentemperatur, Wärmeleitfähigkeit der verwendeten Materialien, Wärmeübergangskoeffizienten, Konfiguration der Gleitringe etc.. Ausserdem liefert die Kenntnis eventuell sich ändernder Temperaturen an Stellen im Umfeld der Gleitringdichtung, z. B. eine Temperaturänderung des abzudichtenden Mediums, wertvolle Hinweise auf den Betrieb von mit der Gleitringdichtung verknüpften Gerätschaften.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art mit verbesserter Überwachungsfunktion an einem oder mehreren thermisch interessierenden Bereichen einer Gleitringdichtung, insbesondere im Dichtspalt zwischen den zusammenwirkenden Gleitringen, zu schaffen, wobei eventu elle Einflüsse von anderen thermischen Quellen auf die Verhältnisse am interessierenden Bereich erkennbar und kompensierbar sein sollen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale der Patentansprüche 1 bzw. 6 gelöst. Bei der Erfindung wird demzufolge für eine Aussage über den Betriebszustand der Gleitringdichtung nicht die am interessierenden Bereich gemessene Temperatur an sich herangezogen, sondern es wird der Wärmestrom zwischen wenigstens zwei voneinander beabstandeten ausgewählten Messstellen an einem der Gleitringe, insbesondere dem drehgesicherten Gleitring, ermittelt, indem man die momentanen Temperaturen an den ausgewählten Messstellen erfasst und aus den erfassten Temperaturen zur weiteren Auswertung den momentanen Temperaturgradienten zwischen den ausgewählten Messstellen bestimmt. Es kann auf diese Weise der tribologische Zustand der Gleitflächen ermittelt werden, da eine Änderung der Reibleistung erhöhte Temperatur im Dichtspalt bedeutet, die sich in einer Änderung des Wärmestromes zwischen den Messstellen äussert, wobei Einflüsse anderer Art wie z. B. eine durch andere Umstände verursachte Erhöhung der Temperatur des abzudichtenden Mediums anhand des Temperaturgradientenverlaufes zwischen den Messstellen erkennbar sind. Obschon diese Möglichkeit schon bei nur einem Paar Messstellen grundsätzlich gegeben ist, wird zur Verbesserung der Unterscheidbarkeit der Einflüsse von verschiedenen thermischen Quellen gemäss einer Weiterbildung der Erfindung bevorzugt, dass eine Temperaturmessung an wenigstens einer weiteren Messstelle des Gleitringes, die von den ausgewählten Messstellen verschieden ist, vorgenommen wird, und dass die Temperaturgradienten zwischen der weiteren Messstelle und einer der ausgewählten Messstellen und/oder der weiteren Messstelle und der anderen ausgewählten Messstelle ermittelt wird. Schliesslich kann gemäss einer anderen Weiterbildung vorgesehen sein, dass die Auswertung anhand eines Vergleiches zwischen dem momentanen Temperaturgradienten und einem Referenztemperaturgradienten zwischen den Messstellen vorgenommen wird, um bei Überschreiten bestimmter vorgegebener Grenzwerte ein Alarmsignal auszulösen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung und Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:
1 in längsgeschnittener Ansicht eine Gleitringdichtung zur Veranschaulichung von deren grundsätzlichen Aufbau,
2 eine geschnittene Ansicht eines Details A der Gleitringdichtung mit einem erfindungsgemäss ausgebildeten Gleitring, und
3A–3C Beispiele für Temperaturgradienten zwischen verschiedenen Messstellen bei unterschiedlichen Betriebszuständen der Gleitringdichtung.
Der grundsätzliche Aufbau einer Gleitringdichtung ist dem Fachmann bekannt und erfordert daher an dieser Stelle keine nähere Erläuterung. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung reicht es aus, darauf hinzuweisen, dass die Gleitringdichtung ein Paar zusammenwirkende Gleitringe 2, 3 umfasst, die einander gegenüberliegende Gleitflächen 4, 5 aufweisen. Einer der Gleitringe, nämlich der Gleitring 2, ist auf einer Welle 1 aufgesetzt und so montiert, so dass sich der Gleitring 2 zusammen mit der Welle 1 drehen kann.
Eine Vorspannfeder 6 ist vorgesehen, um den Gleitring 2 axial in Richtung auf den anderen Gleitring 3 mit einer Vorspannkraft zu beaufschlagen und dadurch die Gleitflächen 4, 5 in dichtendem Eingriff miteinander zu drücken.
Der andere Gleitring 3 ist gegen eine Drehung mit der Welle 1 gehindert und dazu an einem Dichtungsgehäuse 7 drehgesichert gehalten, das an einer nicht gezeigten Gerätschaft, z. B. einer Pumpe, befestigt werden kann.
Mit dem Bezugszeichen 8 in 1 ist ein Raum oder Bereich der Gleitringdichtung angedeutet, in dem bei Betrieb das abzudichtende Medium ansteht. Das Bezugszeichen 9 deutet dagegen auf einen Raum oder Bereich hin, der sich zur Umgebung öffnet, z. B. der Atmosphäre.
Mit Bezug auf 2 werden nachfolgend Temperaturmessstellen M₁ bis M₄ erläutert, die längs der Querschnittsumfangsoberfläche des stationären Gleitringes 3 vorgesehen sind und mit deren Hilfe die dort jeweilig herrschenden Temperaturen zur weiteren Auswertung im Rahmen der vorliegenden Erfindung erfasst werden können. An den Messstellen M₁ bis M₄ können Temperatursensoren, wie beispielsweise durch Kleben befestigte oder in der zu erfassenden Oberfläche integrierte Thermoelemente, oder andere geeignete berührende oder nicht berührende Temperaturfühler vorgesehen sein. Derartige Temperatursensoren sind dem Fachmann bekannt und erfordern daher keine nähere Erläuterung. Wegen des bei manchen Materialien, aus denen der Gleitring 3 gebildet sein kann, hohen Wärmleitungswiderstandes können die Wärmeströme im Material zwischen den Messstellen M₁ bis M₄ schwach sein und sich daher nur verhältnismässig schwache Temperaturunterschiede einstellen. An die Genauigkeit und Empfindlichkeit der Temperatursensoren werden daher entsprechend hohe Anforderungen gestellt.
Obschon vorzugsweise eine der Messstellen, nämlich die Messstelle M₁ unmittelbar an der Gleitfläche 4 des Gleitringes 3 vorgesehen sein sollte, um die Temperatur direkt im Dichtspalt zwischen den Gleitflächen 4, 5 erfassen zu können, ist eine derartige Temperaturerfassung in der Praxis mit einem erheblichen baulichen Aufwand verbunden. Auch könnte sich eine solche Messstelle M₁ auf das Betriebsverhalten der Gleitringdichtung ungünstig auswirken. In der Praxis wird daher statt einer unmittelbaren Temperaturmessung an der Gleitfläche 4 eine Temperaturmessung an einer Stelle M₃ am inneren Umfang 10 des Gleitringes 3 vorgenommen. Die Messstelle M₃ befindet sich nahe der Gleitfläche 4 und ist dem Raum 9 ausgesetzt, d. h. bei Betrieb nicht dem abzudichtenden Medium. Die Verlagerung von einer gleitflächenseitigen zu einer gleitflächennahen Messstelle M₃ hat keinen nennenswerten Einfluss auf die weitere Auswertung der Temperaturmessung, da es bei der Erfindung nicht auf den absoluten Betrag der Tempera turen an den Messstellen M₁ bis M₄, sondern auf die Temperaturgradienten zwischen zwei oder mehreren dieser Messstellen ankommt.
Eine weitere Messstelle M₂ ist an einer von der Gleitfläche 4 ausreichend beabstandeten Stelle des äusseren Umfangs 11 des Gleitringes 3 vorgesehen und damit dem abzudichtenden Medium im Raum 8 bei Betrieb ausgesetzt.
Ferner ist eine Messstelle M₄ an einer Stirnfläche 12 des Gleitringes 3 vorgesehen, die der Atmosphäre zugewandt liegt und in einem ausreichend grossen Abstand von der Messstelle M₃ angeordnet sein sollte, damit sich die thermischen Verhältnisse an den Messstellen M₃ und M₄ so wenig wie möglich gegenseitig beeinflussen.
Infolge davon wird an der Messstelle M₃ eine Temperatur, überwiegend beeinflusst durch die Temperatur an der Gleitfläche 4, an der Messstelle M₂ eine Temperatur, überwiegend beeinflusst durch das abzudichtende Medium im Raum 8, und an der Messstelle M₃ eine Temperatur gemessen, die überwiegend von der Atmosphärenseite beeinflusst ist.
Es versteht sich, dass zwischen den Messstellen Wechselwirkungen durch Wärmefluss längs des Querschnittes des Gleitringes 3 auftreten können. Da diese Wechselwirkungen einerseits erst nach längerer Betriebszeit zu stationären Verhältnissen führen und andererseits nicht so sind, dass an sämtlichen Messstellen dadurch nach einiger Zeit die gleichen Temperaturen herrschen, haben die Wärmeströme zwischen den einzelnen Messstellen für die erfindungsgemässen Auswertungen keinen oder einen nur vernachlässigbar geringen Einfluss.
Die von den Temperatursensoren an den Messstellen M₂, M₃ und M₄ gelieferten, für die erfassten Temperaturen kennzeichnenden elektrischen Signale S₂ (ggf. altnernativ dazu S₁), S₃, S₄ werden einer Auswertungseinrichtung 13, z. B. in Gestalt einer Rechnereinheit, zugeführt, die aus den erfassten Signalen die Temperaturgradienten zwischen den Messstellen ermittelt. Insbesondere wird der Temperaturgradient zwischen den Messstellenkombinationen M₃ und M₂, bzw. M₃ und M₄ bzw. M₂ und M₄ ermittelt.
Beispiele für die ermittelten momentanen Temperaturgradienten zwischen den vorgenannten Messstellen sind in 3A bis 3C gezeigt. Anhand von 3A, 3B und 3C wird das erfindungsgemässe Verfahren zur Ermittlung des momentanen Betriebszustandes einer Gleitringdichtung näher erläutert.
In 3A ist der Verlauf der Temperaturgradienten für die Messstellenkombinationen gezeigt, wie er bei einem Normalbetrieb vorzufinden ist. In 3B ist gezeigt, wie die Temperaturgradienten sich ändern, wenn an der Messstelle M₃ aufgrund von Trockenlauf ein erhöhter Verschleiss an der Gleitfläche 4 aufgetreten ist und dies im Dichtspalt durch Reibungsverluste eine Temperaturerhöhung zur Folge hatte. Man erkennt, dass der Temperaturgradient zwischen den Messstellen M₃ und M₂ bei einer derartigen Temperaturerhöhung im Dichtspalt nur wenig ansteigt, während ein deutlicher Anstieg bei den Temperaturgradienten zwischen den übrigen Messstellen M₂ und M₄ bzw. M₃ und M₄ zu verzeichnen ist, da die Verhältnisse im Dichtspalt keine oder eine nur zeitverzögerte Auswirkung auf die Temperatur an der Messstelle M₄ haben. In 3C sind die Verhältnisse gezeigt, wie sie sich einstellen, wenn sich die Temperatur des abzudichtenden Mediums ändert. Hinzuweisen ist hier insbesondere auf den leichten Abfall des Temperaturgradienten zwischen den Messstellen M₃ und M₂, da das abzudichtende Medium mit erhöhter Temperatur sowohl an der Messstelle M₂ als auch im Dichtspalt ansteht.
Die geschilderten Verläufe der Temperaturgradienten geben daher einen Aufschluss über die Ursache dieser Änderungen, d. h. ob diese durch einen Temperaturanstieg im Dichtspalt aufgrund erhöhtem Verschleiss an den Gleitflächen 4, 5 oder durch eine Änderung der Temperatur des abzudichtenden Mediums oder ggf. durch beide Umstände bedingt sind, da sich in jedem Fall charakterische Änderungen der jeweiligen Temperaturgradienten einstellen werden.
Wenn erwünscht, können die Temperaturgradienten zwischen den Messstellen M₂, M₃ und M₄ mit in die Auswerteeinheit 13 eingegebenen Referenztemperaturgradienten für die Messstellenkombinationen verglichen werden, um bei Überschreitung einer vorgegebenen Abweichung von einem oder mehreren der ermittelten Temperaturgradienten von den betreffenden Referenztemperaturgradienten ein Alarmsignal auszulösen.
Eine vereinfachte Auswertung kann darin bestehen, dass man nur die Verhältnisse zwischen den Messstellen M₃ und M₂ überwacht. Ausgehend von einem normalen Betriebszustand mit einem zugehörigen Temperaturgradienten würde sich bei einer Erhöhung der Temperatur an der Messstelle M₃ der Temperaturgradient in anderer Weise als bei einer Erhöhung der Temperatur des abzudichtenden Mediums ändern. Zwar wird bei einer Erhöhung der Temperatur an der Messstelle M₃ durch Wärmefluss auch die Temperatur an der Messstelle M₂ zeitlich verzögert beeinflusst, jedoch in einem geringeren Mass als durch eine Temperaturänderung im abzudichtenden Medium. Für die Überwachung der Gleitringdichtung gegen Trockenlauf würde daher bei machen Anwendungfällen eine Temperaturerfassung an den Messstellen M₃ und M₂ ausreichen, zumal sich damit der Einfluss des abzudichtenden Mediums auf die Temperatur im Dichtspalt anhand der ermittelten momentanen Temparaturgradienten zwischen den Messstellen abschätzen lässt.
Eine andere Modifikation sieht vor, dass anstelle des stationären Gleitrings 3 die Messstellen am rotierenden Gleitring 4 oder an beiden vorgesehen sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 3426539 A [0003]
- DE 19724308 A [0003]
- DE 4225642 C [0003]
- DE 20200700122 U [0003]

Claims

Verfahren zur Ermittlung des momentanen Betriebszustandes einer Gleitringdichtung mit wenigstens einem Paar zusammenwirkender Gleitringe mit einander gegenüberliegenden Gleitflächen, die zwischen sich einen Dichtspalt begrenzen, wobei einer der Gleitringe zur gemeinsamen Drehung mit einem rotierenden Bauteil und der andere an einem stationären Bauteil gegen eine Drehung mit dem rotierenden Bauteil drehgesichert vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass man den Wärmestrom zwischen wenigstens zwei voneinander beabstandeten ausgewählten Messstellen an einem der Gleitringe, insbesondere dem drehgesicherten Gleitring, ermittelt, indem man die momentanen Temperaturen an den ausgewählten Messstellen erfasst und aus den erfassten Temperaturen zur weiteren Auswertung den momentanen Temperaturgradienten zwischen den ausgewählten Messstellen bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Messtellen an oder nahe bei der Gleitfläche des Gleitringes und die andere Messstelle an einem Oberflächenbereich des Gleitringes vorgesehen wird, der einer ausgewählten Umgebungsbedingung des Gleitrings entfernt von der Gleitfläche, insbesondere dem abzudichtenden Medium, ausgesetzt ist, um eine Aussage über die momentane tribologische Beschaffenheit der Gleitfläche und/oder Temperaturänderung der ausgewählten Umgebungsbedingung zu treffen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung anhand eines Vergleiches zwischen dem momentanen Temperaturgradienten und einem Referenztemperaturgradienten zwischen den Messstellen vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperaturmessung an wenigstens einer weiteren Messstelle des Gleitringes, die von den ausgewählten Messstellen verschieden ist, vorgenommen wird, und dass die Tempe raturgradienten zwischen der weiteren Messstelle und einer der ausgewählten Messstellen und/oder der weiteren Messstelle und der anderen ausgewählten Messstelle ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten eines bestimmten momentanen Temperaturgradienten zwischen ausgewählten Messstellen ein Alarmsignal ausgelöst wird.
Vorrichtung zur Ermittlung des momentanen Betriebszustandes einer Gleitringdichtung mit wenigstens einem Paar zusammenwirkender Gleitringe (2, 3) mit einander gegenüberliegenden Gleitflächen (4, 5), die zwischen sich einen Dichtspalt begrenzen, wobei einer der Gleitringe zur gemeinsamen Drehung mit einem rotierenden Bauteil und der andere an einem stationären Bauteil gegen eine Drehung mit dem rotierenden Bauteil drehgesichert vorgesehen ist, gekennzeichnet durch Temperatursensoren an wenigstens zwei voneinander beabstandeten ausgewählten Messstellen (M₁, M₂, M₃, M₄) an einem der Gleitringe, insbesondere drehgesicherten Gleitring, und eine Einrichtung (13), an der für die von den Temperatursensoren erfassten Temperaturen kennzeichnende Signale anliegen, um einen Temperaturgradienten zwischen den erfassten Temperaturen zu ermitteln.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine der ausgewählten Messstellen (M₁, M₂, M₃, M₄) an oder nahe bei der Gleitfläche (4) des Gleitringes (3) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine andere der ausgewählten Messstellen (M₁, M₂, M₃, M₄) dem abzudichtenden Medium ausgesetzbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein weiterer Temperatursensor an einer von den ausgewählten Messstellen (M₁, M₂, M₃, M₄) verschiedenen Messstelle des Gleitringes (3) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die von den ausgewählten Messstellen (M₁, M₂, M₃, M₄) verschiedene Messstelle einer vom abzudichtenden Medium verschiedenen Umgebungsbedingung ausgesetzbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Messstellen (M₁, M₂, M₃, M₄) oberflächenseitig des Gleitringes (3) oder oberflächennah vorgesehen sind.