DE1183316B

DE1183316B - Vorrichtung zum UEberwachen von Lagern

Info

Publication number: DE1183316B
Application number: DEA40547A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Yuean-Heng Dschen
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1962-05-22
Filing date: 1962-06-28
Publication date: 1964-12-10
Also published as: GB995470A; FR1356821A; JPS4830906B1; US3176286A; CH399963A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: F 06 c

Deutsche Kl.: 47b-4

Nummer: 1183 316

Aktenzeichen: A 40547 XII/47 b

Anmeldetag: 28. Juni 1962

Auslegetag: 10. Dezember 1964

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Überwachen von Lagern, insbesondere von Gaslagern, wie diese beispielsweise in der Reaktortechnik zur Anwendung kommen.

Bei den Entwicklungsarbeiten von gasgeschmierten Lagern und für den Betrieb von mit Gaslagern ausgerüsteten Maschinen erweisen sich Vorrichtungen zum Nachweisen und Anzeigen von metallischer Berührung zwischen Welle und Lager als notwendig, da eine solche unmittelbar zu Maschinenschäden führen kann. Die bisher bekannten Vorrichtungen zum Nachweisen von metallischer Berührung in Lagern arbeiten nach dem Prinzip des Durchflusses galvanischer Ströme durch Welle und Lager, wobei das bei metallischer Berührung auftretende Aufleuchten eines Lämpchens oder der an einem Widerstand auftretende Spannungsabfall als Anzeige des kritischen Zustandes dient. Die Zufuhr elektrischer Ströme zur Welle erfordert jedoch Kontaktstellen mit dieser, z.B. Bürsten aus Spezial-Kupfergraphit in Verbindung mit einer zentrisch auf der Welle angebrachten Nadel. Diese Methode erweist sich aber wegen der unvermeidlichen Materialabnutzüng und den nicht immer konstanten Übergangswiderständen als ungenügend. Bei gekapselten Maschinen ist sie zudem nicht oder nur schwer anwendbar.

Man hat auch schon versucht, die Größe 'der Schmierspaltänderung zwischen Welle und Lager durch kapazitive Meßgeber festzustellen. Diese Methode kann jedoch nur in Spezialfällen als Berührungsanzeige benutzt werden, nämlich nur dann, wenn der Meßgeber auf der gleichen Höhe wie die Lagerlauffläche steht und die Welle gerade an dieser Stelle das Lager berührt, was nicht der Fall zu sein braucht. Es ist ferner eine Anordnung zur kapazitiven Messung der Oberflächengestalt und des Spieles eines umlaufenden Körpers mit Hilfe von zwei raumfesten Elektroden bekannt. Bei dieser Anordnung sind die beiden raumfesten Elektroden gegeneinander abgeschirmt, wobei der einen Elektrode eine Wechselspannung konstanter Amplitude und Frequenz zugeführt wird und die Spannung, die infolge der vom umlaufenden Körper beeinflußten kapazitiven Koppelung an der zweiten Elektrode entsteht, nach Verstärkung einem Anzeigeinstrument zugeführt wird.

Diese Anordnung erlaubt wohl die Bestimmung des Abstandes einer Welle von zwei Elektroden, ermöglicht aber das Überwachen von Lagern im erfindungsgemäßen Sinne nicht. Es ist ferner ein kapazitives Meßverfahren bekanntgeworden, bei dem eine feststehende Elektrode verwendet wird, während als Vorrichtung zum Überwachen von Lagern

Anmelder:

Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Vertreter: ,

Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt, München 23, Duhantstr. 6

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Ing. Yüah-Heng¹ Dscfren, Baden (Schweiz)

Beanspruchte Priorität:

Schweiz vom 22, Mai 1962 (6144) -

Gegenelektrode' die Oberfläche des umlaufenden Körpers dient. Zur Abstabdsbestimmung wird hierbei die für den wechselnden Abstand sich ändernde Kapazität zwischen der feststehenden Elektrode imd dem als Gegenelektrode umlaufenden Körper benutzt. Nachteilig ist bei diesem bekannten Verfahren, daß es zur Messung eine Stromzuführung zum umlaufenden Körper' erfordert, was bisher mit Kontaktstellen, z. B.'Bürsten, verbunden war. Auch dieses Meßverfahren vermag die vorliegende Aufgabe nicht im gewünschten einfachen Rahmen zu lösen.

Es wurde ferner versucht, die Wellenexzentrizität mit der totalen Kapazität zwischen Welle und Lager in Zusammenhang zu bringen. Auch diese Methode fand jedoch keinen Eingang in die Praxis.

Die Erfindung bezweckt die Schaffung einer zuverlässigen, genau anzeigenden Vorrichtung zum Überwachen von Lagern. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß zwecks Feststellung von Berührungen zwischen Lager und Welle mindestens zwei in Serie geschaltete Kondensatoren angeordnet sind und daß von jedem Kondensator je ein Teil mit der Welle rotiert und von mindestens einem Kondensator der andere Teil als Lager ausgebildet ist, das Ganze derart, daß bei Berührung von Welle und Lager ein Kondensator kurzgeschlossen wird.

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Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden anschließend an Hand von Figuren erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch ein Gehäuse mit zwei Trag- und einem Kammlager in schematischer Darstellung,

F i g. 2 das elektrische Schaltbild zu F i g. 1,

F i g. 3 eine schematische Darstellung einer Welle mit zwei Traglagern, die parallel geschaltete Kondensatoren bilden, ·

F i g. 4 das elektrische Schaltbild zu F i g. 3,

F i g. 5 eine der F i g. 3 entsprechende Anordnung mit anderer Schaltung,

F i g. 6 das elektrische Schaltbild zu F i g. 5.

In F i g. 1 ist eine gekapselte, gasgelagerte Turbomaschine veranschaulicht, mit einer hochtourigen Welle 1, welche bezüglich Berührung mit einem Kammlager 2 und Traglagern 3 und 4 überwacht werden soll. Zu diesem Zweck umschließt ein aus elektrisch nicht leitendem Material bestehender Ring 6 mit einer an seiner Innenfläche angebrachten Metallschicht 5 die Welle 1. Der Luftspalt zwischen dem Ring 6 und der Welle 1 sowie die Breite des Ringes 6 richten sich insbesondere nach der gewünschten elektrischen Kapazität. Ein isolierter Draht 7 ist mit der Ring-Innenfläche 5 verbunden und durch das Gehäuse 9 nach außen geführt. Die Lager 2, 3 und 4 sind alle metallisch mit dem Gehäuse 9 verbunden und geerdet. Sie stellen daher zusammen mit der Welle 1 drei parallel geschaltete Kondensatoren dar.

Es ist ferner ein an den Klemmen 8 angeschlossenes (nicht dargestelltes) Kontrollinstrument vorgesehen. Beim einwandfreien Betriebszustand der Maschine schwimmt die Welle 1 in den Lagern 3 und 4 bzw. auf dem Lager 2. Damit isoliert sich die Welle 1 durch das elektrisch nichtleitende Schmiermittel von den Lagern. Die Dielektrizitätskonstante des Schmiermittels und die Geometrie des Lagers bestimmen die Kapazität zwischen Welle und Lager.

In F i g. 2 ist diese Kapazität der Lager 2, 3 und 4 mit C_w bezeichnet. Der durch den Ring 5 und die Welle gebildete Seriekondensator besitzt die Kapazität C₅. Die zwischen dem Isolierring 5 und dem Maschinengehäuse 9 sich ergebende, an den Klemmen 8 meßbare Kapazität setzt sich daher aus zwei in Serie geschalteten Kapazitäten C_s und C_w zusammen. Beim Kurzschließen der Welle mit einem der Lager 2, 3 oder 4 ändert sich die resultierende Kapazität der in Serie geschalteten Kondensatoren, was das an den Klemmen 8 angeschlossene Kontrollinstrument anzeigt.

Die Kapazität C_s ist so zu dimensionieren, daß die relative Kapazitätsänderung im Anzeigebereich des benutzten, z. B. elektronischen Kontrollinstrumentes liegt. Diese Kapazitätsänderung wird durch ein entsprechendes Meßinstrument in eine Spannungsänderung umgewandelt, die ihrerseits ein empfindliches Relais und damit ein optisches oder akustisches Signal auslösen kann.

Sofern bei auftretender metallischer Berührung in den Lagern bestimmt werden muß, in welchem der Lager diese Berührung erfolgt ist, wird vorteilhafterweise eine Schaltung gemäß F i g. 3 verwendet.

Es ist hier das Kammlager 2 an das geerdete Maschinengehäuse 9 angeschlossen und sind die Traglager 3 und 4 vom Gehäuse 9 isoliert. Es wird dann entweder die Kapazität zwischen dem Lager 3 und dem Maschinengehäuse 9 gemessen oder durch Umschalten eines Schalters 11 die Kapazität zwischen dem Lager 4 und dem Maschinengehäuse 9. Die resultierende Kapazität setzt sich ebenfalls aus zwei in Serie geschalteten Kapazitäten, nämlich- derjenigen des Lagers 3 und der Welle 1 bzw. des Lagers 4-und der Welle 1 (mit C₃ bzw. C₄ bezeichnet) sowie der Welle 1 und dem Lager 2 (mit C₂ bezeichnet) zusammen.

Erfolgt eine Berührung zwischen der Welle 1 und dem Lager 2, wird nur die Kapazität C₃ bzw. entsprechend der Stellung des Schalters 11 die Kapazität C₄ gemessen und bei Berührung im Lager 3 bzw. 4 nur die Kapazität C₂. Das Kontrollinstrument zeigt dann die den einzelnen Fällen entsprechenden, unterschiedlichen Kapazitätsänderungen.

Bei der Ausführung gemäß F i g. 5 sind das Kammlager 2 und das Traglager 3 parallel geschaltet und geerdet, während das Traglager 4 mit den beiden anderen Lagern 2 und 3 in Serie geschaltet ist. Da in der Praxis die Kapazitäten C₂, C₃ und C₄ der drei Kondensatoren 1, 2; 1, 3; 1, 4 von gleicher Größenordnung sind, so entsteht bei Kurzschließung eines Lagers eine massive Änderung· der resultierenden Kapazität, welche die Benutzung relativ einfacher, robuster und billiger Instrumente zum Anzeigen des Lagerkontaktes mit der Welle 1 ermöglicht.

Bei Gaslagern wird beim Anfahren und Abstellen Druckgas zugeführt, um die Welle schon im Stillstand und bei tiefen Drehzahlen von den Lagern abzuheben. Dazu sind die Lager mit entsprechenden öffnungen und Druckgasanschlüssen versehen. Versuche haben gezeigt, daß beim Abheben mit Druckgas während des An- und Auslaufes und auch bei Drehzahländerungen kurzzeitig Berührungen auftreten können, die keinen Lagerschaden nach sich ziehen. Falls das Kontrollinstrument als Steuerorgan benutzt wird, kann dieses als Zähler der Impulse pro Zeiteinheit ausgebildet werden. Dieser Zähler spricht nur an, wenn in einem einstellbaren Zeitabschnitt mindestens eine vorbestimmte Anzahl Berührungen auftreten.

Die beschriebene Vorrichtung zum Nachweis metallischer Berührung zwischen rotierender Welle und Lager weist folgende Vorteile auf:

Sie benötigt keine Kontaktstelle auf der rotierenden Welle, sondern eine die Welle ringförmig umschließende Kondensatorfläche, deren Kapazität im Gegensatz zu den üblichen, bei kapazitiven Messungen verwendeten Elektroden eine außergwöhnliche Größe annehmen darf.

Das Vorhandensein metallischer Berührung zwischen Welle und Lager ist nicht am Durchgang galvanischer Ströme zwischen Welle und Lager, sondern an der Kapazitätsänderung von in Serie geschalteten Kondensatoren zu erkennen.

Im praktischen Betrieb ist die Änderung der Kapazität des einzelnen Kondensators infolge Lagerspieländerung im betreffenden Lager derart klein im Vergleich zur Änderung der Kapazität beim Kurzschließen dieses Kondensators, daß das Kontrollinstrument eindeutig metallische Berührung zwischen Welle und Lager oder Gehäuse anzeigt.

Die Anwendung der entwickelten Vorrichtung beschränkt sich nicht nur auf mit Gaslagern ausgerüstete Turbomaschinen, sondern kann auch bei anderen Lagerarten Verwendung finden, sofern das verwendete Schmiermittel elektrisch nicht leitend ist und eine konstante Dielektrizitätskonstante aufweist.

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Überwachen von Lagern, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Feststellung von Berührungen zwischen Lager (2, 3, 4) und Welle (1) mindestens zwei in Serie geschaltete Kondensatoren (1, S; 1,2; 1, 3; 1,4) angeordnet sind und daß von jedem Kondensator je ein Teil (1) mit der Welle (1) rotiert und von mindestens einem Kondensator (z. B. 1, 2) der andere Teil als Lager (2) ausgebildet ist, das Ganze derart, daß bei Berührung von Welle (1) und Lager (2) ein Kondensator (1, 2) kurzgeschlossen wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die rotierenden Teile der Welle (1) angehören.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein feststehender Teil (5) eines Kondensators (1, 5) als die Welle (1) umfassender Ring (5) ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mehrere parallel geschaltete, der Kontrolle verschiedener Lager dienende Kondensatoren (1, 2; 1, 3; 1, 4), sowie durch einen Schalter (11) zum wahlweisen Anschließen jedes Kondensators an das Kontrollorgan.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontrollorgan als Lichtsignal ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontrollorgan als Zählwerk ausgebildet ist.

ίο

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontrollorgan als Steuerorgan dient.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Lager (2, 3 bzw. 2, 4) mit der Welle (1) als in Serie geschaltete Kondensatoren dienen (F i g. 3, 4).

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kammlager (2) und ein Traglager (3) mit der Welle (1) zwei in Serie ge-

ao schaltete Kondensatoren bilden.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Lager (4) bezüglich des Gehäuses (9) isoliert ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

409 7S7/179 12.64 Q Bundesdruckerei Berlin