CN108603600B - 滑环密封件的监测 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于轴密封的装置以及用于监测密封的方法。所述装置包括旋转滑环（6）和固定滑环（7）。在所述滑环（6,7）之间设置有具有润滑膜的密封间隙（10）。该装置包括用于激励在至少一个滑环（6,7）中的声波的至少一个声换能器（11,12）。声换能器（11,12）的信号借助于单元来评估。根据本发明，声换能器（11,12）被设计用于产生和/或接收兰姆瑞利波。

Description

滑环密封件的监测
技术领域
本发明涉及用于轴密封的装置，所述装置具有旋转滑环和固定滑环，在所述旋转滑环和固定滑环之间设置有用于润滑膜的密封间隙，所述装置还具有用于激励在所述至少一个滑环中和/或上的声波的至少一个声换能器，其中所述装置具有用于评估所述声换能器的信号的单元。
背景技术
轴密封件是这样的密封件，其在旋转的泵轴的导通部（Durchführung）处将离心泵相对于固定的泵壳体密封，使得经由从外部渗透空气的泄漏损失被减小至最小量，并且密封表面的任何磨损尽可能低。
机械密封件具有密封间隙，该密封间隙相对于轴的轴线呈直角。这种类型的轴密封件也被公知为轴向或流体动力学机械密封件（GLRD）。这种机械密封件比其他密封系统需要更少的空间和更低的维护。
机械密封件已经被证实在如下情形中是有效的，其中将要发生密封所在的压力和周向速度两者都是低的和高的。
在操作期间，两个密封表面抵靠彼此滑动，所述密封表面通过液压力和机械力被压靠到彼此。具有大致液体润滑膜的密封间隙被定位在这两个精密机加工的滑动表面之间。
在机械密封件的情形中非常小量的泄漏会作为蒸汽泄漏和干燥泄漏而进入到大气中。
无润滑运行是导致机械密封件的失效的其中根本原因之一，特别是在用于离心泵的机械密封件的情形中。由于在滑动表面处的温度增加，超过了润滑膜的蒸发温度，这导致润滑膜的蒸发以及局部无润滑运行。由于增加的磨损以及所产生的摩擦热量，密封件热失效。这有可能导致滑环破坏。除了密封效果的损失之外，还有害的是可能将任何碎片冲刷到流体中，密封是针对该冲刷来提供的。
EP 2 362 122 A2描述了一种机械密封件，其中集成有用于输送润滑流体的输送设备。在密封间隙中或密封间隙附近的传感器检测机械密封件的操作参数。
WO 2010/142367 A1描述了一种具有摩擦监测设备的机械密封件。这用于监测机械密封件的操作状态。监测设备包括具有传感器元件的杆，该传感器元件用于检测杆的弯曲。该杆被设置在固定滑环的凹槽中。
WO 2008/089800A1描述了一种机械密封件，其包括具有力测量设备的监测设备。该力测量设备检测瞬时防旋转力并且产生代表该瞬时防旋转力的输出信号。力测量设备可通过力传递元件被直接连接到可旋转地固定的滑环。
US 6 360 610 B1描述了一种机械密封件，其具有在发射器和接收器之间的点对点接触检测。在该情形中，由发射器产生剪切波（横波）。换能器在固定表面与旋转表面之间的界面处产生超声剪切波。在正常操作期间，超声剪切波主要由界面反射。第一换能器产生超声剪切波，在该超声剪切波传送通过固定表面和旋转表面的界面之后，该超声剪切波由第二换能器检测到。当界面中的液体膜破坏时，第二换能器识别到可测量地更强的超声剪切波。
发明内容
本发明的目的在于指定用于轴密封的装置，其可靠地操作并且被保护免受无润滑运行。在该情形中，应当使用方法以监测机械密封件，其在操作期间识别到可能的磨损和损伤的发生，而不会因此干扰或显著地损害该操作。此外，该装置应当具有尽可能经济的构造以及长使用寿命的特征。
根据本发明，该目的通过具有本发明的特征的装置以及具有本发明的特征的方法来实现。优选的变型在优选实施例、说明书和附图中被揭示。
根据本发明，声换能器被设计用于产生和/或接收兰姆瑞利波。与被用于根据现有技术的装置中的横波或剪切波的常规应用相比，兰姆瑞利波实现完整地监测在整个区域上润滑膜的间隙区域。根据本发明，兰姆瑞利波以被引导的方式沿通过滑环来实现的圆形路径运动。
兰姆瑞利波在滑环中传播。在该情形中，该传播优选地发生在滑环的表面层中。因此，该波指代表面波。已经被示出特别有利的是，声换能器被设计用于使得声波在声波被馈入的滑环的表面以及在与润滑膜接触的相对表面两者上的滑环材料的表面层中传播。
在常规装置中，由于产生仅线性传播的横波，所以仅发生点对点检测。
现在已经出乎意料地发现，兰姆瑞利波的产生和检测实现了声波沿滑环的整个周缘的传播，因此可监测整个密封间隙以及因此整个润滑膜。
因此确保了机械密封件的无润滑运行的可靠识别。因此这构成非常有效的泄漏监测。还可以早期地且可靠地检测机械密封件的磨损或损伤。这是预测性维护的基础。
由于密封间隙的创新性全面监测，此外还可能得到与轴的不平衡有关的表述，所述不平衡例如是由错误的对齐引起。还可能确定旋转速度。
根据本发明的装置实现逐渐的劣化的早期检测以及任何可能的失效风险的预测。
在本发明的特别有利的实施例中，声换能器被设计用于产生或接收声波，其波长大致对应于滑环的宽度。因此在滑环的前端面（声波被耦合到其中）以及还在滑环的朝向润滑膜的后端面两者处产生兰姆瑞利波。
已经证实有利的是，波长与滑环宽度的比率是
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，优选
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，特别是
Figure DEST_PATH_IMAGE003
。已经出乎意料地发现，如果波长与滑环宽度的比率
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，优选
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，特别是
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，则兰姆瑞利波也在滑环中形成。
根据本发明，至少一个声换能器产生被形成为兰姆瑞利波的声表面波。兰姆瑞利波在至少一个滑环中传播，所述滑环具有界定的宽度。所述兰姆瑞利波通过纵波和横波的叠加而产生。
因此，在滑环中产生各种可传播的模式，其传播速度取决于频率与滑环宽度的乘积。
由于滑环的端面与润滑膜接触，因此波能中的一些传送到润滑膜中。
沿滑环的周缘传播的波优选地通过声换能器耦合到滑环中。因此，相比于根据现有技术的常规装置，不发生发射器和接收器之间的点对点接触，而是实现在整个区域上润滑膜的间隙区域的完整检测。
在本发明的特别有利的变型中，使用至少两个声换能器。所述声换能器优选地设置成在滑环上以一定角度偏置。在该情形中，已经被证实有利的是，声换能器被设置在滑环的端面处，其中两个换能器之间的角度偏置优选地大于30°，特别是大于60°。
在该情形中，一个声换能器用作发射器而另一个用作接收器。替代性地，还可使用多个发射器和/或接收器。换能器还可作为发射器和作为接收器两者来操作。
由于声表面波的创新性构造，兰姆瑞利波能够在滑环的两侧上传播。因此声换能器可被安装在旋转和/或固定滑环的外表面上。这产生声换能器在外表面处的有利安装状况。
已经被证实特别有利的是，至少一个声换能器被安装在旋转滑环和/或固定滑环的外边缘处。因此已经出乎意料地发现，这引起特别精确的测量。
在本发明的特别有利的实施例中，声换能器和滑环的耦合点不处于平面接触。为此，声换能器可具有倒圆设计和/或滑环的端面可设置有倒圆部分，以用于耦合和/或解耦声波。这种倒圆部分已经出乎意料地被证实比两个平面状表面显著地更有利，这是因为它们引起被限定的声耦合。
发射器和接收器两者都可设计有倒圆部分。替代性地，还可能的是，发射器和接收器中的仅一者设计有倒圆部分。
此外或替代性地，声换能器和/或滑环的端面可具有凸起部以用于耦合或解耦声波。声换能器和/或滑环的端面还可具有斜切部分以用于耦合或解耦声波。
附图说明
本发明的其他特征和优势在参考附图的示例性实施例的描述中以及在附图本身中被揭示。
附图示出了：
图1示出了具有用于轴密封的装置的离心泵；
图2是机械密封装置的透视截面图；
图3是被安装在机械密封件上的发射器和接收器的示意图；
图4是兰姆波的模式转换的示意图；
图5a是机械密封装置的示意图（部分地以截面图示出）；
图5b是根据图5a的视图的滑环的端面的视图；
图6示出了具有端面的滑环，所述端面具有凸起部；
图7示出了具有斜切部分的滑环。
具体实施方式
图1示出了离心泵1，其具有旋转轴2、叶轮3和固定壳体4。机械密封件5具有第一轴向固定滑环6和第二轴向可动滑环7。轴向可动滑环7借助于预加应力元件8（在此处是压力弹簧）并且经由压力环9沿第一滑环6的方向被挤压，使得第一滑环6和第二滑环7的彼此相对的表面以密封的方式协作并且在它们之间形成密封间隙10。第一滑环6被固定地设置在壳体4中。弹簧加载的滑环7以旋转固定的方式连接到离心泵1的轴2。
图2以透视截面图示出了具有声换能器11的机械密封装置的变型装置，所述声换能器被设置在干燥区域中。声换能器11将声表面波耦合到固定滑环6的端面中。在固定滑环6的相对的端面处，密封间隙位于固定滑环6和可动滑环7之间。密封间隙10填充有润滑膜。
图3示出了具有被设计为发射器的第一声换能器11以及被设计为接收器的第二声换能器12的示意图。发射器11和接收器12两者都被设置在固定滑环6的端面处。根据本发明，发射器11产生声表面波，其形成为兰姆瑞利波。
固定滑环6具有界定的宽度b。根据本发明，耦合在固定滑环6中的声表面波的波长大致对应于滑环的宽度b，优选地具有+/- 30%的偏差，尤其具有+/- 10%的偏差。因此，兰姆波用于叠加两个瑞利波，一个瑞利波在滑环6的前端面处，一个瑞利波在滑环6的后端面处。
因此在滑环6中产生各种可传播模式，其传播速度取决于频率与滑环宽度的乘积。滑环6的相对的端面（如附图中左侧所看到的）与密封间隙10接触，该密封间隙填充有润滑膜。波能中的一些传送到润滑膜中。在用于轴密封的装置中，滑环6用作传播基质。兰姆瑞利波借助于发射器11被产生在滑环6上。所述兰姆瑞利波在所述表面处传播，并且由接收器12再次接收。
在声信号的传输期间，该声信号受基质的声属性影响。如果表面的粘性液体层被所夹带的润滑膜改变，则这些影响被反映在表面波的调整的传播速度和衰减上，这继而对于接收幅值和波传播时间的测量具有影响。从所发射和接收的信号，有可能借助于信号分析来得出与润滑间隙的厚度或润滑膜的稠度有关的结论。因此可以早检测到例如可能的无润滑运行或部分润滑的问题。这是预测性维护的基础。至少一个滑环6、7优选地包括碳化硅材料（SiC-SiC）。然而，在原理上，其他材料也是可能的，例如碳。材料“越软”，则兰姆瑞利波在传输路径上的衰减越大。压电材料和非压电材料两者都是用于兰姆瑞利波的可能的传播介质。
信号的评估经由这样的单元来进行，该单元优选地设计为控制和/或评估单元。在该情形中，时域中的初步评估被证实是有利的，其中特别地分析了幅值、传播时间、能量、信号的形状和轮廓。
根据本发明产生的兰姆瑞利波的传播速度取决于密封间隙10的宽度。原理上，这因此实现与密封间隙10的状态的质量有关的连续表述。利用如在现有技术中所使用的常规横波，将仅可能实现二进制的是/否表述。因此，这仅仅实现关于密封间隙10是否填充有润滑膜的表述。其原因在于，横波无法穿透到润滑膜中。
图4再次清楚地示出了兰姆瑞利波的传播。兰姆瑞利波与密封间隙10的润滑膜相互作用，如在根据图4的图中所看到的，其被设置在滑环6的上方，其中滑环6形成用于兰姆瑞利波的传播的基质。
图5a以局部剖视图示出了具有固定滑环6和可轴向移位的滑环7的图。发射器11和接收器12被设置在固定滑环6的干燥区域中的端面处。在图5b中，可以看出，发射器11和接收器12被设置在滑环6的端面处，使得它们沿周缘以角度α彼此偏置。角度α可以在1和180°之间。在根据图5b中的图的示例性实施例中，角度α是90°。
发射器11产生兰姆瑞利波，其在机械密封件的固定环6的两侧上沿两个方向（向左和向右流动）传播。兰姆瑞利波与密封间隙10中的润滑膜相互作用。取决于在发射器11和接收器12之间的角度偏置α，向左和向右流动的波在不同的时间点撞击接收器12，并因此能够被单独地评估。从所接收信号的信号属性，有可能得出与具有润滑膜的密封间隙10的状态有关的结论。还有可能评估波的多个流。这引起测量效果和所评估范围的增加。替代性地，声换能器11、12还可同时用作发射器和接收器（多路传输）。
根据图5a的图示出了，固定滑环6和可轴向移位的滑环7两者都不被设计为纯中空柱体。因此，固定滑环6具有例如第一部分，其为在附图中看到的右侧部分，该第一部分比在附图中看到的左侧部分具有更小的外径。该凸起部用于将密封元件14紧固在滑环6和固定壳体4之间。在示例性实施例中，该密封元件14被设计为O形环。
在图5a中的轴向固定滑环6或轴向可动滑环7中形成的这种偏置可在声表面波的传播期间带来困难。
图6示出了变型，其中滑环6的端面（在附图中看到的右侧端面）具有凸起部，使得发射器11和/或接收器12不是以平面的方式耦合到滑环，而是仅沿凸起部的线耦合到滑环。
图7示出了用于实现在滑环6中存在的偏置问题的解决方案的变型。即便滑环6具有偏置，利用该构造也可能实现声表面波的有利传播。在该变型中，滑环6的端面被斜切，使得到滑环6中的耦合不是完全沿轴向方向实现，而是具有角度β。

Claims (30)

1.一种用于轴密封的装置，所述装置具有至少一个旋转滑环（6）和固定滑环（7），在所述旋转滑环和所述固定滑环之间设置有用于润滑膜的密封间隙（10），所述装置具有用于激励在至少一个滑环（6, 7）中和/或上的声波的至少一个声换能器（11, 12），其中，所述装置包括用于评估所述声换能器（11, 12）的信号的单元，其特征在于，
所述声换能器（11, 12）被设计用于产生和/或接收兰姆瑞利波；
其中，所述滑环（6, 7）的端面具有凸起部以用于借助于所述声换能器（11, 12）来耦合和/或解耦兰姆瑞利波。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述滑环（6, 7）的端面具有倒圆部分以用于借助于所述声换能器（11, 12）来耦合和/或解耦兰姆瑞利波。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述声换能器（11, 12）和/或滑环（6, 7）的端面具有斜切部分以用于耦合和/或解耦兰姆瑞利波。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于，所述声换能器（11, 12）用于产生和/或接收兰姆瑞利波，所述兰姆瑞利波所具有的波长（λ）与所述滑环（6, 7）的宽度（b）的比率小于100。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于，所述声换能器（11, 12）被设计用于产生和/或接收兰姆瑞利波，所述兰姆瑞利波所具有的波长（λ）与所述滑环（6, 7）的宽度（b）的比率大于0.01。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于，所述声换能器（11, 12）被设计用于产生和/或接收沿所述滑环（6, 7）的周缘传播的兰姆瑞利波。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于，所述声换能器（11, 12）被设计用于产生和/或接收在所述滑环（6, 7）的前端面处和/或在所述滑环（6, 7）的后端面处传播的兰姆瑞利波。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于，至少两个声换能器（11, 12）被设置成在所述滑环（6, 7）上以角度（α）偏置。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于，至少一个声换能器（11, 12）被设置在滑环（6, 7）的端面处。
10.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于，所述声换能器（11, 12）和所述滑环（6, 7）的耦合点并非平面接触。
11.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述声换能器（11, 12）具有倒圆部分以用于耦合和/或解耦兰姆瑞利波。
12.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于，所述声换能器（11, 12）被设置在所述滑环（6, 7）的外边缘处。
13.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述声换能器（11, 12）用于产生和/或接收兰姆瑞利波，所述兰姆瑞利波所具有的波长（λ）与所述滑环（6, 7）的宽度（b）的比率小于10。
14.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述声换能器（11, 12）用于产生和/或接收兰姆瑞利波，所述兰姆瑞利波所具有的波长（λ）与所述滑环（6, 7）的宽度（b）的比率小于5。
15.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于，所述声换能器（11, 12）被设计用于产生和/或接收兰姆瑞利波，所述兰姆瑞利波所具有的波长（λ）与所述滑环（6, 7）的宽度（b）的比率大于0.1。
16.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于，所述声换能器（11, 12）被设计用于产生和/或接收兰姆瑞利波，所述兰姆瑞利波所具有的波长（λ）与所述滑环（6, 7）的宽度（b）的比率大于0.2。
17.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述角度（α）大于30°。
18.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述角度（α）大于60°。
19.一种用于监测机械密封件（5）的方法，所述机械密封件具有至少一个旋转滑环（7）和至少一个固定滑环（6），其特征在于，利用声换能器（11, 12）在至少一个滑环（6, 7）中和/或上产生和/或检测兰姆瑞利波；
其中，所述滑环（6, 7）的端面具有凸起部以用于借助于所述声换能器（11, 12）来耦合和/或解耦兰姆瑞利波。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，滑环（6, 7）的端面具有倒圆部分以用于借助于所述声换能器（11, 12）来耦合和/或解耦兰姆瑞利波。
21.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述声换能器（11, 12）和/或滑环（6,7）的端面具有斜切部分以用于耦合和/或解耦兰姆瑞利波。
22.根据权利要求19-21中任一项所述的方法，其特征在于，在至少一个滑环（6, 7）中产生和检测沿滑环（6, 7）的周缘传播的兰姆瑞利波。
23.根据权利要求19-21中任一项所述的方法，其特征在于，在至少一个滑环（6, 7）中产生兰姆瑞利波，所述兰姆瑞利波的波长（λ）与所述滑环（6, 7）的宽度（b）的比率小于100。
24.根据权利要求19-21中任一项所述的方法，其特征在于，在至少一个滑环（6, 7）中产生兰姆瑞利波，所述兰姆瑞利波的波长（λ）与所述滑环（6, 7）的宽度（b）的比率大于0.01。
25.根据权利要求19-21中任一项所述的方法，其特征在于，所述兰姆瑞利波沿所述滑环（6, 7）的周缘传播。
26.根据权利要求19-21中任一项所述的方法，其特征在于，所述兰姆瑞利波在所述滑环（6, 7）的前端面处和/或在所述滑环（6, 7）的后端面处传播。
27.根据权利要求19-21中任一项所述的方法，其特征在于，在至少一个滑环（6, 7）中产生兰姆瑞利波，所述兰姆瑞利波的波长（λ）与所述滑环（6, 7）的宽度（b）的比率小于10。
28.根据权利要求19-21中任一项所述的方法，其特征在于，在至少一个滑环（6, 7）中产生兰姆瑞利波，所述兰姆瑞利波的波长（λ）与所述滑环（6, 7）的宽度（b）的比率小于5。
29.根据权利要求19-21中任一项所述的方法，其特征在于，在至少一个滑环（6, 7）中产生兰姆瑞利波，所述兰姆瑞利波的波长（λ）与所述滑环（6, 7）的宽度（b）的比率大于0.1。
30.根据权利要求19-21中任一项所述的方法，其特征在于，在至少一个滑环（6, 7）中产生兰姆瑞利波，所述兰姆瑞利波的波长（λ）与所述滑环（6, 7）的宽度（b）的比率大于0.2。
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