CN112334663B - 用于吸收离心泵的轴向推力的组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于吸收离心泵的残余轴向推力的组件。该组件具有卸荷机构和轴向轴承（9）。为轴向轴承（9）配设有一个环（10、14、15）。环（10）被划分成部段（28）。

Description

用于吸收离心泵的轴向推力的组件

技术领域

本发明涉及一种用于吸收离心泵的轴向推力的组件，其具有卸荷机构和轴向轴承，其中，为轴向轴承配设有环。

背景技术

轴向推力是所有作用到泵转子上的轴向力的合力。为了吸收轴向推力，例如在多级离心泵中基本上有三种类型的卸荷机构：卸荷盘、卸荷活塞和多级活塞。后者在主要使用的形式中构造为双活塞。

所有三种实施方案共同的是在间隙上引导的卸荷流。大多返回到离心泵的入口的卸荷流是泄漏损失，人们试图通过尽可能小的间隙宽度来最小化该泄漏损失。但是在此要注意的是，在所有运行条件下避免运动的部件在离心泵的静止部件处刮擦。泵转子在壳体处的刮擦可导致离心泵的失灵。

为了在离心泵中进行故障及早识别，可使用如下传感器，所述传感器检测与标准有偏差的振动、发热、噪声或其它可测量的参量且将其传输给监控单元。这种传感器大多布置在泵壳体的外侧上。

当轴承磨损时或者当卸荷机构仅仅不充分地工作时，在离心泵的内部中产生显著的故障。这种故障可能缓慢地进行。因此，这种故障在其开始时还可能保持没有在离心泵的外壳处可觉察的症状并且在进入显著的损坏和离心泵可能失灵之后才实际上由传感器检测到。

已知的是，借助于轴向接触的传感器（也被称为动力传感器）来进行轴向力的确定。但是，从结构的角度来看，这种动力传感器不能持久地使用。

在EP 1 422 424 A2 中描述了一种用于在配备有卸荷机构的离心泵中进行故障及早识别的方法和装置。在此使用构造为万向环的弹簧元件。该环如此尺寸设计，使得该环通过残余轴向力而变形。

由EP 1 185 795 B1 已知一种配备有所提及的元件的卸荷机构。其中描述了一种用于吸收带有卸荷机构的多级离心泵的轴向推力的机构。如此设计卸荷机构，使得在所有运行状态下产生如下残余推力，所述残余推力朝着泵的抽吸侧的方向起作用。使用万向环，该万向环如此设计，使得该万向环通过残余推力而弹性地变形。万向环的弹簧常数具有这样的特性，即，轴向间隙从泵的静止状态下的最大间隙宽度起在运行条件下关闭直到最小宽度，在该最小宽度下刚好还避免与限定轴向间隙的面的接触。

在传统的用于吸收轴向推力的组件中使用的测量机构需要相对大的结构高度。为了测量机械力，必须尽可能巧妙地将力引导通过测量部位。该力引起测量部位的变形。在合适的几何结构的情况下，测量部位的变形与所施加的力成比例。

借助于传感器、例如应变仪，能够测量和评估变形。测量本体必须如此设计，使得引起的变形仍位于测量本体材料的弹性范围内。在现有技术中，已知被构造为环的测量本体几何结构，该环在端侧上具有用于导入或导出力的突出部。测量本体高度对于环的刚度而言是决定性的因素。测量本体高度以三次方计入面惯性矩。测量本体的刚度对于最大有待传递的力又是决定性的。如果泵的结构空间在高度上受限并且所测量的力较大，则不能使用传统的测量机构。例如被构造为环的机构将会过载。

发明内容

本发明的任务在于提供一种用于吸收离心泵的轴向推力的组件，通过该组件能够可靠地并且及早地检测可能的故障。在此，该组件应当以尽可能小的结构空间就足够，从而紧凑的构型是可行的。该组件的突出之处在于在吸收轴向推力时的高可靠性并且在此产生尽可能小的泄漏损失，使得卸荷流尽可能小。此外，该结构的特性在于长的使用寿命和尽可能低的制造成本。此外，该组件应当对于维护工作而言尽可能容易接近。此外，该组件应易于装配并且确保尽可能廉价的制造方式。

根据本发明，该任务通过具有权利要求1的特性的组件来解决。优选的变型方案可以从说明书的从属权利要求中和附图中获知。

根据本发明，配设给轴向轴承的环具有多个部段。在此，所述环被划分为至少两个部段，优选三个部段和尤其多于三个部段。被证明特别有利的是，所述环被划分成少于九个部段，优选少于七个部段，特别是少于六个部段。在本发明的一种特别有利的实施方式中，所述环被划分成五个部段。环可以被划分成偶数个或奇数个部段。已证明将环划分为奇数个部段，即例如划分为三个、五个或七个部段是特别有利的。

环的各个部段相互连接。在此证明特别有利的是，所述部段通过接片连接。接片具有比其余环部段更小的厚度。

通过万向环的根据本发明的分段，待检测的力通过多个测量部位引导通过测量本体。因此，待测量的力被划分。如果环例如被划分成五个部段，这些部段分别通过接片相互连接，则力划分到五个测量元件上。因此，每个测量元件也仅须吸收合力的五分之一。在此，所述环可以机械地视为五个弹簧的并联。通过测量部位的数量可以影响最大可传递的力。

优选地，环具有多个传感器。在此，传感器优选布置在各个部段之间的连接部位处。在本发明的一种特别有利的实施方式中使用应变传感器。例如，可以使用应变仪。所述应变仪在微小变形时已经改变其电阻。这些应变仪例如可以用特殊粘接剂施加到接片上。接片在负荷下变形。这种变形而后导致应变仪的电阻变化。也可以使用具有由电阻丝构成的测量格栅薄膜的薄膜应变仪。

为了导入力，环优选具有突出部。这些突出部例如可以构造为凸起。凸起相对于彼此错开特定的间距。待测量的力通过凸起导入到测量本体中或从测量本体中导出。优选地，这些突出部布置在所述环的前端侧和/或后端侧上。在此证明特别有利的是，突出部放置在相应的部段的始端和末端。

待测量的力通过突出部导入到环中。这引起接片的贯穿形成（Durchbildung），在该接片上施加传感器、例如应变仪。通过选择突出部之间的间距，可以影响特征值，即例如影响最大有待传递的力。此外，特征值、例如最大有待传递的力可通过引入不同深度和宽度的槽来改变。优选地，槽被引入到环的端侧上。它们可以被放置在力导入侧和/或力导出侧上。通过接片高度也能够影响特征值、例如最大有待传递的力。这导致在恒定的结构高度的情况下可以实现不同的特征值和由此不同的测量范围。

为了评估传感器的、例如应变仪的信号，能够使用单元、例如控制和调节单元或评估单元。评估单元也可以是指用于应变仪全桥的评估单元。根据本发明的结构的特性在于极其小的结构高度。因此，可以实现仅需要很小的结构空间的紧凑的离心泵。此外，根据本发明的设计方案可靠地检测可能出现的所有故障，并且同时确保对于轴向推力的最佳补偿。其中，主轴向推力由卸荷机构予以吸收，并且残余轴向推力通过环形体引导到轴向轴承上。

此外，根据本发明的结构允许测量范围的大的变化，并且这在恒定的结构高度下实现。可以以不同的方式进行变化。例如通过测量部位的数量来实现。此外，通过突出部的间距、在部段之间的连接部之间的接片高度可以影响测量范围。大的间距或者小的接片高度有利于检测小的力。突出部之间的小间距或者说大的接片高度尤其适合于测量大的力。此外，能够引入槽。在环的至少一个端侧上引入槽对于检测小的力是有利的。如果要吸收大的力，则也可以放弃槽。

部段之间的连接元件、即接片能够实现基于相当均匀的应力场的精确测量，这有利于利用应变仪所进行的精确测量。

优选地，组件的卸荷机构如此设计，使得在所有运行状态下产生如下残余推力，这种残余推力在离心泵的抽吸侧的方向上起作用。在此，优选圆形地构造的环如此尺寸设计，使得所述环通过残余推力弹性地变形。被证明特别有利的是，环的弹簧常数具有这样的特性，即，从在离心泵的静止状态下的最大间隙宽度出发，轴向间隙在运行条件下关闭到最小宽度，在该最小宽度下还避免接触限定轴向间隙的面。根据本发明的结构例如可以在具有双活塞或多级活塞的卸荷机构中使用。然而，这种结构同样可以应用于卸荷盘。当使用液力轴承时，这被证明为是特别有利的。本发明的其它特征和优点从借助于附图对实施例的描述中并且从附图本身中获知。

附图说明

图1示出了在截面中示出的多级离心泵的截取部分，

图2示出了离心泵的截取部分，其带有布置在抽吸侧和压力侧的万向环，

图3示出了离心泵的示意图，该离心泵具有用于处理信号的机构，

图4示出了根据本发明的环的透视图，

图5示出了根据本发明的环的侧视图。

具体实施方式

图1示出了离心泵，其中轴2支承在壳体1中。轴2承载多个工作轮（Laufrad）3。在根据图1的附图中示例性地示出两个工作轮3。

卸荷机构的双活塞4固定在轴2上。双活塞4被壳体部分5包围。在双活塞4与壳体部分5之间构造有两个径向间隙6和7。轴向间隙8位于径向间隙6和7之间。轴向间隙8具有可变的宽度s。

在离心泵的压力侧的端部处，轴2通过液力轴向轴承9来容纳。环10配设给轴向轴承9。环10构造为万向环。环10例如用于补偿在装配多级离心泵时出现的同心度误差。环10优选地如此尺寸设计，使得其通过在离心泵中出现的、指向抽吸侧的残余推力而弹性地变形。在此，环10的弹簧常数匹配于卸荷机构的情况。

如此设计卸荷机构，使得在离心泵的所有运行状态下产生如下残余推力，该残余推力在抽吸侧的方向上起作用。从在离心泵的静止状态下的轴向间隙8的最大宽度s出发，通过万向环10的弹性变形，间隙8在运行条件下关闭直至最小宽度，在该最小宽度下，还避免双活塞4的和壳体部分5的限定间隙8的面的接触。轴向间隙8具有用于卸荷机构的自调节的功能。

通过将环10集成到合适的测量装置中，可以及早识别到表明不允许的液压状态或轴承磨损的力。在泵运行期间进行的环10的变形借助于传感器予以检测并且作为信号经由线路11传输给用于信号处理的机构。作为轴向力吸收器起作用的环10到测量系统上的直接机械耦合能够实现对于在无接触式吸收器中始终位于传感器和构件之间的流体膜没有衰减影响的情况下测量信号。

在图2中示例性地示出了轴向力测量装置的变型方案。这种装置例如可以安装在高压多段式水泵的压力侧的轴承座12上。测量装置的各个部件由圆柱形的壳体13容纳。在图2所示的变型方案中使用两个环14、15。

在本发明的该变型方案中，能够测量在两个作用方向上的轴向力。为了稳定转子动力学特性，必要时可以预紧万向环14、15。这在抽吸侧的环14中通过间隔环16实现，在压力侧的环15中通过间隔衬套17实现。

力从泵转子出发经由轴向盘片18导入到装置中，所述轴向盘片抗扭转地与轴2连接。轴向盘片18根据轴向推力的作用方向将力传递到两个轴向深沟球轴承19、20中的一个上，所述轴向深沟球轴承直接耦合到万向环14、15上。万向环14、15受到弯曲负荷并且因此是力锁合链中的弹簧元件。不平衡的残余力通过间隔环16或间隔衬套17传递到壳体中。通过各一个圆柱销21防止万向环14、15旋转。通过线路22和23在用于信号处理的机构中传输变形状态。

在图3中示意性地示出通过万向环14、15在高压多段式水泵24上采集的测量信号的信号处理。轴向力测量链的第一环节是用（未在图3中示出的）应变仪（DMS）施加的万向环14、15。如已经说明的那样，针对每个加荷方向设置有各一个环14或15。在每个环14、15上安装有两个（在图3中未示出的） DMS全桥，其输入信号和输出信号并联连接。通过经由测量放大器馈送恒定电压并且在电桥中使用的DMS的特征值相同的情况下，该电路形成两个电桥输出信号的电平均值。由此，通过可能的偏心的力导入到环中引起的不均匀的应力分布得到补偿。

输出信号通过DMS放大器25进一步传导到测量值转换器26上。该测量值转换器将信号转换成0-10V的输出电压。接着将该信号传输到计算机27的测量值记录卡上，由此可以显示和进一步处理所采集的测量数据。

在图3中示出的装置被视为试验结构。对于实际的运行，所使用的元件可大部分集成到离心泵24中。在实际应用中，如果需要，必要时也可以省去元件中的单个元件，例如省去压力侧的环15。代替两个轴向深沟球轴承19、20也可以使用液力轴向轴承。

图4示例性地示出例如在图1中作为环10使用的或者在图2中作为环14、15使用的环。环被划分成总共五个部段28。五个圆部段28与如下元件29相连接，所述元件在该实施例中构造为接片。接片29的高度明显小于圆部段28的高度。每个圆部段在两个端侧上都具有突出部30。在一侧，各个部段28由突出部30限界。在一个相对而置的端侧上，突出部30略微缩进地布置到各个部段中。

图5示出环的侧视图。在一个端侧和一个相对而置的端侧之间，突出部30以间距L彼此错开地布置。此外，在根据图5的图示中可以看到，环的部段28设有槽31。在连接圆部段30的元件29上布置有如下传感器32，所述传感器在本实施例中构造为应变仪。

Claims (11)

1.一种用于吸收离心泵的轴向推力的组件，具有卸荷机构和轴向轴承(9)，其中，为所述轴向轴承(9)配设有环(10、14、15)，其中所述环具有传感器和弹性特性，其特征在于，所述环(10、14、15)被划分成部段(28)，其中所述环(10、14、15)具有突出部(30)，其中所述突出部(30)布置在所述环(10、14、15)的相应部段(28)的始端和末端上，其中在所述部段(28)的始端处，在两个彼此对置的端侧的所述突出部(30)相对于彼此错开特定的间距(L)，并且在所述部段(28)的末端处，在两个彼此对置的端侧的所述突出部(30)相对于彼此错开特定的间距(L)。

2.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述部段(28)与元件(29)连接，所述元件构造为接片。

3.根据权利要求1或2所述的组件，其特征在于，所述传感器(32)构造为应变仪。

4.根据权利要求1或2所述的组件，其特征在于，所述环(10、14、15)设有槽(31)。

5.根据权利要求1或2所述的组件，其特征在于，所述卸荷机构如此设计，使得在所有运行状态下产生残余推力，所述残余推力在离心泵的抽吸侧的方向上起作用。

6.根据权利要求1或2所述的组件，其特征在于，所述环(10、14、15)被如此尺寸设计，使得所述环通过残余推力弹性地变形。

7.根据权利要求1或2所述的组件，其特征在于，所述环具有这样的特性，即，从在离心泵的静止状态下的最大间隙宽度(s)出发，轴向间隙(8)在运行条件下关闭直至最小宽度，在该最小宽度下还避免与限定轴向间隙(8)的面的接触。

8.根据权利要求1或2所述的组件，其特征在于，所述轴向轴承(9)被构造为液力轴承。

9.根据权利要求1或2所述的组件，其特征在于，所述卸荷机构通过双活塞(4)形成。

10.根据权利要求1或2所述的组件，其特征在于，所述卸荷机构通过多级活塞形成。

11.根据权利要求1或2所述的组件，其特征在于，所述卸荷机构由卸荷盘形成。