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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gleitringdichtungsanordnung mit einer Detektion von Verschmutzungen mit Partikeln und/oder Aerosolen bei einer gasgeschmierten Gleitringdichtung.
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Gleitringdichtungsanordnungen sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Gasgeschmierte Gleitringdichtungen werden beispielsweise bei Kompressoren und Turbinenanwendungen verwendet. Hierbei muss dauerhaft eine Versorgung mit trockenem, sauberem Gas erfolgen, welches in einen Dichtspalt zwischen einem rotierenden Gleitring und einem stationären Gleitring der Gleitringdichtung zugeführt wird. Hierbei werden teils sehr aufwendige und teure Gasversorgungssysteme eingesetzt. Weiterhin muss hierbei beispielsweise bei Verdichtern in Gaspipelines oder dgl. eine Betriebsdauer von in der Regel ca. 5 Jahren zwischen zwei Service-Intervallen sichergestellt werden. Dabei ist einer der wichtigsten Gründe für ein Nichterreichen dieser langen Service-Zeiträume eine Verschmutzung der Gleitringdichtung mit Partikeln und/oder Aerosolen. Derartige Verschmutzungen stammen üblicherweise aus den Gasversorgungssystemen der Gleitringdichtung oder gegebenenfalls aus dem zu transportierenden Gas. Um einen Totalausfall der Gleitringdichtung zu vermeiden, wäre es hier wünschenswert, vorzeitig Informationen hinsichtlich eines Verschmutzungsgrades der Gleitringdichtung zu haben, um einen Totalausfall der Gleitringdichtung zu verhindern.
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In der
EP 2 687 762 A2 wird ein Dichtungsüberwachungssystem und Steuersystem für Gleitringdichtungen beschrieben, welches optische Sensoren zur Erkennung ungewöhnlicher Betriebsbedingungen umfasst.
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Die
JP 2012-197907 A offenbart eine externe Vorrichtung zur Erfassung von Abrieb von Gleitringen einer Gleitringdichtung. Hierbei umfasst die Konzentrationsmessvorrichtung eine Lichtquelle und eine Lichtempfangseinheit, welche durch flüssigen Fluidstrom hindurchgeführt ist.Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gleitringdichtungsanordnung mit einer gasgeschmierten Gleitringdichtung bereitzustellen, welche bei einfachem Aufbau und kostengünstiger Herstellbarkeit eine einfache und kostengünstige Erfassung von Verschmutzungen ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch eine Gleitringdichtungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Die erfindungsgemäße Gleitringdichtungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass Verschmutzungen frühzeitig erkannt werden und es somit möglich ist, dass frühzeitig eine Gegenmaßnahme, beispielsweise eine Verkürzung eines Wartungsintervalls, getroffen werden kann, um einen Totalausfall der Gleitringdichtungsanordnung zu vermeiden. Die Gleitringdichtungsanordnung umfasst dabei eine gasgeschmierte Gleitringdichtung mit einem rotierenden und einem stationären Gleitring, welche zwischen ihren Gleitflächen einen Dichtspalt definieren. Ferner umfasst die Gleitringdichtungsanordnung eine optische Sensorvorrichtung zur Verschmutzungserfassung, welche einen Lichtleiter und eine Auswerteeinheit umfasst. Die Auswerteeinheit ist eingerichtet, basierend auf einer Intensität einer Absorption eines Lichtstrahls, der aus dem Lichtleiter austritt, auf eine Verschmutzung der Gleitringdichtung zu schließen. Dabei kann die optische Sensorvorrichtung sehr einfach und kostengünstig bereitgestellt werden. Auch ist ein Einbau der optischen Sensorvorrichtung in die Gleitringdichtungsanordnung, beispielsweise in ein Gehäuse, auf einfache Weise möglich. Auch sind Nachrüstungen von schon im Betrieb befindlichen Gleitringdichtungsanordnungen möglich. Weiter umfasst die Gleitringdichtungsanordnung ein Gasversorgungssystem, welches ein Versorgungsgas in einen Raum am Dichtspalt der Gleitringdichtung durch eine Zufuhrleitung zuführt, wobei eine zweite optische Sensorvorrichtung an der Zuleitung angeordnet ist. Die zweite optische Sensorvorrichtung kann eine faseroptische Vibrationsmesseinrichtung umfassen und/oder eine faseroptische Temperaturmesseinrichtung umfassen. Durch die Anordnung dieser zweiten Sensorvorrichtung an der Zufuhrleitung des Versorgungsgases kann eine mögliche Verschmutzung des Versorgungsgases mit Partikel und/oder Aerosolen direkt erfasst werden. Sollte eine Verschmutzung des Versorgungsgases auftreten, können beispielsweise entsprechende Gegenmaßnahmen an dem Gasversorgungssystem der Gleitringdichtung vorgenommen werden.
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Vorzugsweise ist der Lichtleiter der optischen Sensorvorrichtung auf einen Gleitring oder ein mit dem Gleitring verbundenes Bauteil gerichtet. Besonders bevorzugt ist der Lichtleiter dabei auf den stationären Gleitring gerichtet und insbesondere auf eine Rückseite des stationären Gleitrings gerichtet. Dadurch kann durch Bestimmung der Verschmutzung im Bereich des stationären Gleitrings auf eine Gesamtverschmutzung der Gleitringdichtungsanordnung geschlossen werden.
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Weiter bevorzugt umfasst die Gleitringdichtung ferner einen Druckring, über welchen eine Vorspannkraft auf einen Gleitring ausgeübt wird. Dabei ist bevorzugt der Lichtleiter auf den Druckring gerichtet.
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Weiter bevorzugt ist der Lichtleiter eine faseroptische Leitung, insbesondere eine Glasfaser. Der Lichtleiter ist weiter bevorzugt in einem Gehäuse der Gleitringdichtungsanordnung angeordnet. Der Lichtleiter endet dabei an einer Wand des Gehäuses, so dass das Licht aus dem Ende des Lichtleiters austreten kann und die Reflexion des Lichts wieder in den Lichtleiter eintreten kann und zur Auswerteeinheit geführt wird. Bei einer Verschmutzung, z.B. einer Ablagerung an der Austrittsfläche des Lichtleiters, ändert sich die Lichtintensität, da ein Teil des Lichtes absorbiert wird. Dies kann unmittelbar durch die Auswerteeinheit erfasst werden.
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Die optische Sensorvorrichtung ist dabei besonders bevorzugt eine faseroptische Vibrationsmesseinrichtung. Die Vibrationsmesseinrichtung ist dabei eingerichtet, auf optische Weise eine Vibration eines Bauteils der Gleitringdichtung zu erfassen. Gleichzeitig ist es mit der faseroptischen Vibrationsmesseinrichtung möglich, auch Verschmutzungen zu erfassen. Die optische Vibrationsmesseinrichtung strahlt dabei von einer Seite eines Faserbündels Licht auf das Bauteil der Gleitringdichtung aus. Das vom Bauteil reflektierte Licht wird von einem anderen Faserbündel aufgenommen und zur Auswerteeinheit übertragen. Die Auswerteeinheit ist eingerichtet, eine Änderung der Lichtintensität zu erfassen. Durch eine Vibration des Bauteils ändert sich der Abstand zwischen dem Bauteil und der Austrittsfläche des Lichtleiters, so dass daraus auf eine Vibration geschlossen werden kann. Sollte nun Verschmutzung an der Austrittsfläche des Lichts auftreten oder Partikel oder Aerosole im Raum zwischen der Austrittsfläche des Lichtleiters und dem Bauteil auftreten, ändert sich die Lichtintensität des reflektierten Lichts. Somit ist die Vibrationsmesseinrichtung in der Lage, neben einer Vibration des Bauteils auch entweder durch Ablagerungen auftretende Verschmutzungen oder im Zwischenbereich zwischen dem Bauteil und dem Lichtleiter vorhandene Partikel/Aerosole zu erfassen und daraus auf eine Verschmutzung zu schließen.
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Weiter bevorzugt umfasst die Sensorvorrichtung eine faseroptische Temperaturmesseinrichtung. Durch Verschmutzung an der Austrittsfläche des Lichts, beispielsweise Ablagerungen von Partikeln, ergibt sich eine Änderung der Lichtintensität, welche durch die Temperaturmesseinrichtung erfassbar ist. In der Auswerteeinheit kann dann basierend auf einem Wert der Lichtintensität auf einen Verschmutzungsgrad der Gleitringdichtung geschlossen werden.
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Die zweite optische Sensorvorrichtung ist dabei vorzugsweise senkrecht zu einer Strömungsrichtung in der Zuleitung angeordnet.
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Weiter bevorzugt umfasst die Gleitringdichtungsanordnung ferner eine weitere Temperaturmesseinrichtung, welche auf eine Fläche an einem der Gleitringe benachbart zum Dichtspalt der Gleitringdichtung gerichtet ist. Hierdurch ist es möglich, neben einer Temperaturerfassung auch eine Verschmutzungserfassung aufgrund von Ablagerungen durch Partikel/Aerosole am Gleitring in der Nähe des Dichtspalts zu erfassen und entsprechend auf eine Verschmutzung der Gleitringdichtungsanordnung, basierend auf der Intensität des absorbierten Lichtstrahles, zu schließen.
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Vorzugsweise werden optische Sensorvorrichtungen mit einer vorbestimmten Abtastfrequenz verwendet. Die Messung der Verschmutzung durch die optische Sensorvorrichtung kann dabei kontinuierlich während des Betriebes in einer vorbestimmten Frequenz durchgeführt werden. Weiter bevorzugt kann eine Steuereinheit vorgesehen sein, welche basierend auf den jeweiligen Werten, beispielsweise den Vibrationswerten und/oder den Temperaturwerten, eingerichtet ist, eine Trendanalyse durchzuführen, um eine in Zukunft zu erwartende Verschmutzung der Gleitringdichtung zu bestimmen. Dadurch kann beispielsweise ein Wartungstermin in der Zukunft bestimmt werden und somit die Gleitringdichtungsanordnung vor einem Totalausfall aufgrund von Verschmutzung gewartet werden.
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Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Schnittansicht einer Gleitringdichtungsanordnung mit einer gasgeschmierten Gleitringdichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine schematische, vergrößerte Teilschnittansicht der Gleitringdichtungsanordnung von 1 zur Verdeutlichung des Wirkungsprinzips,
- 3 ein Diagramm einer Intensität des reflektierten Lichtes über der Zeit bei einem unverschmutzten Bauteil,
- 4 ein Diagramm einer Intensität des reflektierten Lichtes über der Zeit bei einem verschmutzten Bauteil,
- 5 eine schematische Teilschnittansicht der Gleitringdichtungsanordnung, welche die Erfassung eines Partikels/Aerosols im Raum schematisch darstellt, und
- 6 eine schematische Darstellung eines Diagramms einer Intensität des reflektierten Lichts über die Zeit bei Erfassung eines Partikels/Aerosols, wie in 5 gezeigt.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 eine Gleitringdichtungsanordnung 1 sowie eine optische Verschmutzungsdetektion gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst die Gleitringdichtungsanordnung 1 eine gasgeschmierte Gleitringdichtung 2 mit einem rotierenden Gleitring 20 und einem stationären Gleitring 21. Der rotierende Gleitring 20 weist eine erste Gleitfläche 20a auf und der stationäre Gleitring 21 weist eine zweite Gleitfläche 21a auf. Zwischen den beiden Gleitflächen 20a, 21a ist ein Dichtspalt 22 definiert.
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Die gasgeschmierte Gleitringdichtung 2 dichtet dabei einen Produktraum 12 von einer Atmosphäre 13 ab.
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Wie weiter aus 1 ersichtlich ist, ist an einer Rückseite 21 b des stationären Gleitrings 21 ein Druckring 6 und eine Vorspanneinrichtung 7 vorgesehen, welche den stationären Gleitring 21 in Axialrichtung X-X der Gleitringdichtungsanordnung vorspannt. Die Vorspanneinrichtung 7 kann beispielsweise eine Vielzahl von Zylinderfedern umfassen, welche entlang des Umfangs der Gleitringdichtung angeordnet sind und jeweils in einem Gehäuse 8 gelagert sind.
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Am rotierenden Gleitring 20 ist ferner ein Gleitringhalter 9 vorgesehen, welcher an einer Hülse 10, die auf einer Welle 11 fixiert ist, angeordnet ist bzw. einteilig mit der Hülse gebildet ist.
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Die Gleitringdichtungsanordnung 1 umfasst ferner ein Gasversorgungssystem 14, um ein möglichst reines Versorgungsgas 16 in den Produktraum 12 in der Nähe des Dichtspalts 22 zuzuführen. Ein Versorgungsgas 16, was schematisch in 1 durch den Pfeil angedeutet ist, wird vom Gasversorgungssystem durch eine Zufuhrleitung 15 in den Produktraum 12 zugeführt.
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Die Gleitringdichtungsanordnung 1 umfasst ferner eine optische Sensorvorrichtung 5, welche eine Vielzahl von unterschiedlichen faseroptischen Messeinrichtungen umfasst. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die optische Sensorvorrichtung 5 faseroptische Vibrationsmesseinrichtungen 3 und faseroptische Temperaturmesseinrichtungen 4. Jede faseroptische Vibrationsmesseinrichtung 3 umfasst einen Lichtleiter 30 und eine Auswerteeinheit 31. Jede faseroptische Temperaturmesseinrichtung 4 umfasst einen Lichtleiter 40 und eine Auswerteeinheit 41. Insgesamt sind, wie aus 1 ersichtlich ist, drei faseroptische Temperaturmesseinrichtungen 4 und zwei faseroptische Vibrationsmesseinrichtungen 3 vorgesehen.
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Genauer, wie in 1 gezeigt, sind eine faseroptische Vibrationsmesseinrichtung 3 und eine faseroptische Temperaturmesseinrichtung 4 an der Zufuhrleitung 15 vorgesehen. Weiterhin sind eine faseroptische Vibrationsmesseinrichtung 3 und eine faseroptische Temperaturmesseinrichtung 4 im Gehäuse 8 angeordnet, wobei die faseroptische Vibrationsmesseinrichtung 3 auf die Rückseite 21b des stationären Gleitrings 21 gerichtet ist und die faseroptische Temperaturmesseinrichtung 4 auf eine Rückseite des Druckrings 6 gerichtet ist.
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Eine weitere faseroptische Temperaturmesseinrichtung 4 ist auf eine Fläche 21c am stationären Gleitring 21 benachbart zum Dichtspalt 22 gerichtet.
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2 zeigt schematisch das Funktionsprinzip der optischen Sensorvorrichtung 5 zur Bestimmung eines Verschmutzungsgrades der Gleitringdichtungsanordnung beispielhaft anhand einer faseroptischen Vibrationsmesseinrichtung 3 zur Erfassung von Vibrationen Ader Gleitringdichtungsanordnung. Über den Lichtleiter 30 wird ein ausgesandter Lichtstrahl 18 in den Raum 12 in Richtung auf die Rückseite 21b des stationären Gleitrings 21 gesandt und ein reflektierter Lichtstrahl 19 vom Lichtleiter 21 aufgenommen und zur Auswerteeinheit 31 zugeführt. In 2 ist schematisch eine Ablagerung 50 an einer Austrittsfläche 30a des Lichtleiters 30 dargestellt. Die Ablagerung 50 an der Austrittsfläche 30a des Lichtleiters 30 kann sich im Laufe der Zeit bilden. Dadurch werden eine emittierte Lichtintensität und damit auch eine reflektierte Lichtintensität absolut geringer. Die Auswerteeinheit 31 kann anhand der Änderung der Lichtintensität auf eine Stärke der Verschmutzung schließen.
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3 zeigt beispielhaft die Lichtintensität I über der Zeit t bei einem unverschmutzten System, d.h., wenn keine Ablagerungen an der Austrittsfläche des Lichtleiters 30 vorhanden sind. 4 zeigt dagegen einen Kurvenverlauf der Lichtintensität I über der Zeit t, wenn mit zunehmender Zeit eine Verschmutzung auftritt. Die Verschmutzung behindert den Lichtstrahl aus der Vibrationsmesseinrichtung 3, so dass über die Betriebszeit der Gleitringdichtungsanordnung, beispielsweise durch Überwachung eines Mittelwerts des zurückreflektierten Lichts auf eine zunehmende Verschmutzung geschlossen werden kann. Dies ist schematisch im Diagramm von 4 dargestellt.
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In den 5 und 6 ist schematisch die Erfassung eines Partikels 17 im Produktraum 12 mittels der faseroptischen Vibrationseinrichtung 3 dargestellt. Durch das Vorhandensein des Partikels 17 im Lichtstrahl ergibt sich ein verkürzter Weg für den ausgesandten Lichtstrahl 18 und den reflektierten Lichtstrahl 19, was im Diagramm der Lichtintensität I über der Zeit t durch einen Peak P erfasst wird. Die Auswerteeinheit 31 der faseroptischen Vibrationsmesseinrichtung 3 kann somit feststellen, ob sich ein Partikel/Aerosol im Lichtstrahl befunden hat. Weiterhin kann die Auswerteeinheit 31 beispielsweise bei Auftreten einer Vielzahl von Peaks P eine Schlussfolgerung derart ziehen, dass eine stärkere Verschmutzung im Produktraum 12 vorliegt, welche eine Gefahr für die Funktion der Gleitringdichtung 2 sein könnte. Entsprechend kann beispielsweise ein Wartungsintervall verkürzt werden oder andere Gegenmaßnahmen getroffen werden, um einen Totalausfall der Gleitringdichtungsanordnung 1 zu verhindern.
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Somit ist es mittels der Erfindung möglich, durch Ausnutzung von faseroptischen Vibrationsmesseinrichtungen 3 und/oder faseroptischen Temperaturmesseinrichtungen 4 Verschmutzungen der Gleitringdichtungsanordnung 1 sowohl durch Ablagerungen 50 als auch unerwünschte schwebende Partikel 17 oder Aerosole zu erfassen. Die jeweiligen Auswerteeinheiten 31, 41 der Vibrationsmesseinrichtung 3 und der Temperaturmesseinrichtung 4 können somit eingerichtet sein, basierend auf den ausgesandten und reflektierten Lichtstrahlen bzw. einer Intensität der Absorption eines Lichtstrahles Verschmutzungen zu erfassen und daraus auf eine Gesamtverschmutzung der Gleitringdichtungsanordnung 1 zu schließen. Somit kann bei Gleitringdichtungen, welche eine Vibrationsüberwachung mittels einer faseroptischen Vibrationsmesseinrichtung 3 und eine Temperaturüberwachung mittels einer faseroptischen Temperaturmesseinrichtung 4 als Beiprodukt auch auf eine Verschmutzung der Gleitringdichtungsanordnung 1 durch Auswertung des abgesandten und reflektierten Lichtstrahls geschlossen werden. Wenn derartige faseroptische Messeinrichtungen an der Gleitringdichtungsanordnung 1 schon vorhanden sind, kann somit zusätzlich noch eine Verschmutzung durch Ablagerungen und/oder schwebende Aerosole/Partikel erfasst werden und auf einen Verschmutzungsgrad der Gleitringdichtungsanordnung geschlossen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gleitringdichtungsanordnung
- 2
- Gleitringdichtung
- 3
- faseroptische Vibrationsmesseinrichtung
- 4
- faseroptische Temperaturmesseinrichtung
- 5
- optische Sensorvorrichtung
- 6
- Druckring
- 7
- Vorspannelement
- 8
- Gehäuse
- 9
- Gleitringhalter
- 10
- Hülse
- 11
- Welle
- 12
- Produktraum
- 13
- Atmosphäre
- 14
- Gasversorgungssystem
- 15
- Zufuhrleitung
- 16
- Versorgungsgas
- 17
- Aerosol/Partikel
- 18
- ausgesandter Lichtstrahl
- 19
- reflektierter Lichtstrahl
- 20
- rotierender Gleitring
- 20a
- Gleitfläche des rotierenden Gleitrings
- 21
- stationärer Gleitring
- 21a
- Gleitfläche des stationären Gleitrings
- 21b
- Rückseite des stationären Gleitrings
- 21c
- Fläche am stationären Gleitring benachbart zum Dichtspalt
- 22
- Dichtspalt
- 30
- Lichtleiter
- 30a
- Austrittsfläche
- 31
- Auswerteeinheit
- 40
- Lichtleiter
- 41
- Auswerteeinheit
- 50
- Ablagerung
- A
- Vibration
- P
- Peak der Lichtintensität I
- X-X
- Axialrichtung
