DE3323632A1

DE3323632A1 - Viskositaetsmesser

Info

Publication number: DE3323632A1
Application number: DE3323632A
Authority: DE
Inventors: Judson S. 90023 Los Angeles Calif. Swearingen
Original assignee: Rotoflow Inc
Current assignee: GE Oil and Gas Operations LLC
Priority date: 1982-07-12
Filing date: 1983-06-30
Publication date: 1984-01-12
Anticipated expiration: 2003-07-01
Also published as: DE3323632C2; US4442704A

Description

Viskositätsmesser

Die Erfindung betrifft Viskositätsmesser und insbesondere kontinuierlich überwachende Meßgeräte in dieser Art, die zur überwachung von Schmiermitteln, insbesondere Schmierflüssigkeiten, dienen.

Die weitverbreitete Benutzung von Druckschmiersystemen für Lager und dergleichen erfordert eine kontinuierliche, genaue überwachung der Schmierungs- bzw. Schmiermittel bedingungen. Dieses Erfordernis ist seit langem bekannt. Die Effizienz einer Schmierung wird durch eine Vielzahl von Bedingungen beeinflußt, die wiederum, falls sie nicht unverzüglich korrigiert werden, außerordentlich nachteilige Folgen haben können. So kann die Schmiermittel viskosität durch die Umqebunq, in der das Schmiermittel verwendet wird, stark beeinträchtigt werden. Bei vielen herkömmlichen Schmiermitteln kann der Wärmestau in der Vorrichtung und insbesondere im Schmiermittel selbst zu einer erheblichen Verringerung ihrer Viskosität führen. Auch eine Verschmutzung kann die Viskosität des Schmiermittels beeinträchtigen, insbesondere dann, wenn große Schmutzmengen in das Schmierungssystem gelangen. Höhere Viskositäten können von einer partiellen Verdampfung der Schmiermittel herrühren, während chemische Wirkungen in jeder Hinsicht zu Veränderungen führen.können. Somit kann eine Vielzahl von Bedingungen und Zuständen, die betriebliche Viskosität eines Schmiermittels bei seiner Verwendung beeinträchtigen.

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Die Wirkungen von Veränderungen der Schmiermittel viskosität auf den Betrieb von Lagern u. dgl. können für die Leistungsfähigkeit des Schmierungssystems sehr schädlich sein und, zu einem teuren und Zerreißprobe bedeutenden mechanischen Versagen führen. Dies gilt insbesondere bei abnormal niedrigen Schmiermittel Viskositäten. Mit abnehmender Viskosität kann der Mechanismus, in dem das Schmiermittel Verwendung findet, seine Fähigkeit verlieren, das Schmiermittel schnell genug den Lageroberflächen zuzuführen, um den erforderlichen Schmierfilm sicherzustellen. Auch eine Verkleinerung von Ölfilm-Resonanzfrequenzen kann einen hohen Lagerverschleiß bewirken. Somit können unabhängig von der Ursache des Viskositätswechsels Veränderungen der Schmiermittelviskositat erheblich nachteilige Auswirkungen auf die Lebensdauer von Lager und Maschinenteilen haben.

Ein weiterer Faktor, der die Schmiermittelbeschaffenheit direkt beeinflußt, ist der Druck, mit dem das Schmiermittel den Lageroberf lachen* zugeführt wird. Je höher die Drücke sind, die zur Anwendung gelangen, desto besser kann sich das Schmiermittel in sonst schmiermittelarme Zonen hineinbewegen und sich selbst in ausreichendem Maße erneuern, um in Hochlastbereichen kühl zu bleiben und höhere Ölfilm-Resonanzfrequenzen in den geschmierten Mechanismen zu erzeugen. Somit läßt sich die Leistungsfähigkeit eines Schmiermittels abnormal geringer Viskosität dadurch verbessern, daß es zusätzlich mit Druck beaufschlagt wird.

Bei der normalen Verwendung von Schmiermitteln kann man es mit einem weiten Viskositätsbereich zu tun haben. Während der Kaltstartphase kann die Viskosität ziemlich hoch sein. Während des späteren stetigen Betriebszustands kann die Viskosität sich einem Bereich nähern, der sehr nahe an einem kritischen Punkt liegt. Demzufolge ist eine Viskositätsüberwachungseinrichtung notwendig, die genauestens zwischen sicheren und unsicheren Bedingungen während des stetigen Betriebs oder Laufs unterscheiden kann und trotzdem unter

außerordentlich unterschiedlichen Bedingungen arbeiten kann, wie sie beispielsweise in der Kaltstartphase vorliegen.

Gegenwärtig sind die vielfältigsten ViskositätsUberwachungsvorrichtungen erhältlich. Diese Vorrichtungen erfordern häufig Energiezufuhr, äußere Instrumentierung oder beides. Darüber hinaus ist die verlangte Instrumentierung oftmals teuer, weil ein hoher Auflösungsgrad sowie ein breiter Meßbereich benötigt wird, um die Ermittlung von zerstörerischen Schmiermittel bedingungen mit der erforderlichen Genauigkeit sicherzustellen.

Eine übliche Ausführungsform des Viskosimeters verwendet ein Kapillarrohr, in dem der Druck gemessen wird. Beispiele für derartige Viskosimeter zeigen die US-Patente 3 375 704, 3 548 638, 3 930 402 und 4 165 632. Das US-Patent 3 375 704 betrifft auch noch einen anderen Typ eines Viskosimeters, bei dem ein Druckverlust in einer Öffnung als

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Mittel zur Bestimmung von Viskositätsänderungen dient.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Viskometer zu schaffen, das sich zur kontinuierlichen überwachung der Wirksamkeit bzw. des Wirkungsgrades eines Schmierungssystems an einem geschmierten Einzelteil eignet, wobei die Viskosität des Schmiermittels innerhalb eines gegebenen Bereiches mit einer größeren Empfindlichkeit gemessen werden soll und das Viskosimeter so beschaffen ist, daß während der überwachung der Viskositätswerte die Temperatur im wesentlichen beibehalten wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Viskositätsmesser oder Viskosimeter gelöst, der so gebaut ist, daß im

unteren Teil des Viskositätsbereiches, in dem sich die gewählte Flüssigkeit erwartungsgemäß befinden wird, eine vergrößerte Auflösung erhalten wird. ⁷U diesem Zweck werden eine Öffnung oder Mündung und eine HauptkapiHare in Reihe mit einer zugehörigen Nebenschluß- oder Beipaßkapillare über

der Hauptkapillare verwendet. Ein Manometer dient zur Messung des Druckverlustes über der Hauptkapillare, um dadurch die Viskositätsschwankungen der durchströmenden Flüssigkeit widerzugeben. Die Kapillaren können so angeordnet sein, daß die Beipaßkapillare konzentrisch um die Hauptkapillare liegt, um dadurch in der Flüssigkeit, die sich in der Hauptkapillare befindet, enthaltene Wärme besser zurückhalten zu können. Dazu kommt, daß um das ganze System ein Strömungsmittel- oder Flüssigkeitsmantel angeordnet sein kann, der ebenfalls die Aufgabe hat, die Temperatur der in der Vorrichtung befindlichen Flüssigkeit zu halten.

Um eine größere Empfindlichkeit bei niedrigeren Viskositäten zu erhalten, wird das Beipaßsystem bei einem bestimmten Druck geöffnet. Durch Verwendung eines solchen Beipaßsystems läßt sich der erwartete Druckbereich als Maß für einen erwarteten Viskositätsbereich verkleinern. In dem tieferen Viskositätsbereich, in dem die Anlage oder Vorrichtung der größten Gefahr ausgesetzt ist,'kann ein höheres Maß an Druckempfindlichkeit erhalten werden. In dem Bereich höherer Viskosität,

in dem die Ablesungen weniger kritisch sind und Beschädigungen weniger wahrscheinlich, läßt sich die Druckempfindlichkeit durch Verwendung der Nebenschluß- oder Beipaßkapillare reduzieren. Auf diese Weise kann der gesamte Meßbereich, der für ein Differentialmanometer benötigt wird, verkleinert werden. Damit läßt sich in den Bereichen größter Gefahr eine empfindlichere Reaktion des Systems erzielen.

Da das System Differentialdruckelemente niedrigen Durchflusses benutzt, ist es im wesentlichen passiver Natur. Das heißt, es wird keine äußere Energie- oder Kraftquelle benötigt, um das System in Betrieb zu halten oder auf die Flüssigkeit einzuwirken. Die minimale erforderliche Energie wird durch den Druckverlust der verhältnismäßig kleinen Flüssigkeitsmenge, die das Meßgerät durchströmt, geliefert.

Darüber hinaus läßt sich jede Vorrichtung an die Strömungsgeschwindigkeit bzw. Strömungsmenge der durch die zugehörigen Mechanismen hindurchlaufenden Flüssigkeit anpassen, so daß deren Auswirkungen auf die Fähigkeit der Vorrichtung, die gewünschte Leistung zu erbringen, vernachlässigbar ist. Dennoch läßt sich eine Leistungsabgabe erreichen, um dadurch das Auflösungsvermögen des Systems in dem kritischen Bereich der Viskosität zu verbessern.

Viskosimeter der erfindungsgemäßen Art eignen sich insbesondere zum Einsatz für den Schutz von Lagern von Rotationsmaschinen, die eine kontinuierliche und konstante SchmiermitteldruckquelIe erfordern. Eine solche Anlage läßt sich kontinuierlich überwachen, ohne daß zusätzliche Energie oder eine zu starke Ablenkung oder Umleitung des Schmiermittels notwendig ist. Die Konstanz des Druckes über bzv/. quer zur Durchgangsöffnung oder dem Durchströmungskanal ist für genaue Viskositätswerte wesentlich. Durch Druckanomalien'hervorgerufene Fehler fördern allerdings eher den allgemeinen Wert des Maßsystems, d. h. den Schutz der geschmierten Einrichtung, als daß sie ihn mindern. Abnormal hohe Drücke wirken sich in dem Meßsystem dahingehend aus, daß höhere als die tatsächlichen Werte angegeben werden, während abnormal tiefe Drücke das Gegenteil bewirken. Diese Abhängigkeit entspricht in vorteilhafter Weise dem Einfluß des Schmiermittel druckes auf den Wirkungsgrad des Schmiersystems. So wurden beispielsweise abnormal tiefe Schmiersystemdrücke sich in Meßsystemen der erfindungsgemäßen Art als geringe Viskositätswerte niederschlagen, die einen gefährlichen Betriebszustand widerspiegeln, der auch tatsächlich existieren könnte, obgleich die Viskosität normal sein kann. Somit ist das Meßsystem der erfindungsgemäßen Art in der Lage, sich anzupassen und in der richtigen Weise auf eine Veränderung kritischer Bedingungen, Drücke, Temperaturen und Viskositäten zu reagieren

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schema ti sehe Darstellung einer Viskositätsüberwachungsvorrichtung der erfindungsgemäßen Art,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Viskositätsüberwachungsvorrichtung und

Fig. 3 ein typisches Diagramm, das die Abhängigkeit der Druckdifferenz von der Viskosität in Form einer Kurve zeigt, wie sie bei dem erfindungsgemäßen Gerät Verwendung findet.

Das erfindungsgemäße Viskosimeter ist unter anderem so gebaut, daß es die Möglichkeit einer kontinuierlichen Überwachung der Viskosität in einem 'strömungsmittel - oder Flüssigkeitsstrom bietet. Diesem Viskosimeter ist eine ,höhere Auflösung in kritischen Viskositätsbereichen zu eigen, und dennoch kann es für weite Meßbereiche verwendet werden. Zur Realisierung dieser funktionellen Ergebnisse lassen sich eine Anzahl Ausführungsformen und Abweichungen von einem allgemeinen Bautyp einsetzen, um dadurch die für jedes Meßproblem am besten geeignete Konstruktion zur Verfügung zu haben.

Fig. 1 zeigt schemati s..ch ein erstes System der erfindungsgemäßen Art. Die tatsächliche Konstruktion dieser Vorrichtung kann aus irgendeinem geeigneten, leicht zu bearbeitenden Material, bei spiels v/eise Kunstharz oder Plastik, bestehen. Dabei sind die zu erwartenden Flüssigkeitstemperaturen und die Lösungsmitteleigenschaften der gemessenen Flüssigkeiten bei der Auswahl des geeigneten Materials zu berücksichtigen.

Eine bevorzugte Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich in Verbindung mit unter Druck stehenden Schmiersystemen für Lager oder andere geschmierte Komponenten, wobei

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in der Zeichnung ein System gezeigt ist, bei dem das Schmiermittel durch einen Kanal 10 unmittelbar vor die Lager gefördert wird, an denen das Schmiermittel überwacht werden soll. _; Auf diese Weise besitzt das Schmiermittel innerhalb des Meßgerätes im wesentlichen dieselbe Temperatur und Viskosität wie beim Eintreten in die Lager. Darüber hinaus soll das Schmiersystem im allgemeinen so beschaffen sein, daß es in dem Kanal 10 einen konstanten Druck beibehält, wie dies im allgemeinen bei mit hohen Drehzahlen laufenden Turbomaschinen der Fall ist. Der von dem Lager kommende Rückf'Jhrkanal 12 mündet normalerweise in ein Schmiermittelreservoir. Somit läßt sich das erfindungsgemäße Meßgerät in höchst einfacher Weise in strömungstechnischer Hinsicht parallel zu der geschrnierten Komponente und in körperlicher Hinsicht neben dieser Komponenten anordnen.

Das Viskometer weist eine Flüssigkeitsleitung mit einem Haupteintritt 14, einer öffnung oder Blende 16, einer Hauptkapillar. 18 und einem Hauptaultritt 20 auf. Die Blende 16 und die Hauptkapillare 18 sind so gewählt, daß etwa 90 % des Druckverlustes im Meßgerät an der Blende 16 auftreten.

Um die Viskosität in Einheiten des Druckverlustes zu messen, ist ein Differenzdruckmesser 22 so angeordnet, daß er den Druc· über der Hauptkapillare 18 mißt. Zu diesem Zweck befindet r.ich der Hochdruckanschluß 24 an die Flüssigkeitsleitung zwischen der Blende 16 und dem Eintritt zur Hauptkapillaren 18. Der Niederdruckanschluß 26 steht mit der Rückführleitung 12 in Verbindung. Der Differenzdruckmesser 22 läßt sich in vorteilhafter Weise direkt in Viskositätseinheiten eichen anstatt in Druckeinheiten.

Parallel zu der Hauptkapi11aren 18 ist eine Nebenschlußleitung angeordnet. Die Nebenscn.ußleitung weist einen Nebenschlußeintritt 28, einen Nebenschlußaustritt 30, eine Nebenschiußkapi1Ie 32 und ein Differenzdruckentspannungsventi 1 34 auf. Der Nebenschlußeintritt 28 steht mit der Hauptflüssigkeitsleitung ab-

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stromseitig der Blende 16 und zustromsei tig der Hauptkapillaren 18 in Verbindung. Der Nebenschlußaustritt 30 steht mit der Hauptflüssigkeitsleitung, die durch den Kanal 12 verkörpert sein kann, abstromseitig der Hauptkapillaren 18 in Verbindung.

Die Anordnung der Nebenschlußleitung ermöglicht einen Durchfluß parallel zur Hauptkapillaren 18, der von dem Differenzdruckentspannungsventil 34 gesteuert wird. Das Differenzdruckentspannungsventi1 34 bildet eine Möglichkeit der Kontrolle oder Steuerung des Durchflusses durch die Nebenschlußleitung in Abhängigkeit von dem in bzw. über aer Hauptkapillaren herrschenden Druck. Es versteht sich, daß das Differenzdruckentspannungsventi1 34 so ausgewählt wird, daß es sich bei Drücken öffnet, die Viskositäten entsprechen, welche weit im sicheren Bereich des geschützten Lagers liegen.

Die Nebenschi ußkapi l.lare 32 ist außerdem konzentrisch um die Hauptkapillare 18 angeordnet. Da ,Schmiermittel bei Temperaturänderung oftmals Viskositätsänderungen erleiden, wirkt die konzentrische Anordnung der Nebenschlußkapillare wie eine Isolierung für die Hauptkapillare 18 gegen die diese umqebende Atmosphäre. Dies ist insbesondere während der ersten Aufwärmung des Schmiermittels der Fall, wenn die Viskositäten hoch sind. Darüber hinaus wird durch diese Anordnung das System sehr kompakt ausgebildet.

In der Fig. 2 entsprechen die Bezugszeichen bezüglich ihrer Bedeutung denjenigen von Fig. 1. Bei der Ausführungsforn von Fig. 2 ist rund um die Hauptkapi11 are 18 und auch die Nebenschl'ußkapi 11 are 32 ein Strömungsmittelmantel 36 angeordnet. Dieser Strömungsmittelmantel zieht die Flüssigkeit direkt aus der Hauptkapillare 18, abstromseitig des Kapillaraustritts, durch den Kanal 38 ab und trägt diese Flüssigkeit durch den Hauptaustritt 20 aus. Der Strömungsmittelmantel

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nimmt dadurch kontinuierlich .Flüssigkeit auf, da er mit der Hauptkapillare 18 in Reihe geschaltet ist. Auf diese Weise wird um die Hauptkapillare 18 herum sowie um die Nebenschluß kapillare 32 während der gesamten Betriebszeit'eine Isolierung geschaffen.

Durch geeignete Auswahl des Differenzdruckentspannungsventils 3·1 ergibt sich ein System, das in einem kritischen Bereich außerordentlich genau arbeitet und über einen großen Viskositätsbereich genaue Messungen ermöglicht. Die Viskosität in niedrigen Viskositätsbereichen wird mit Hilfe des Differenzdruckes über der Hauptkapillaren 18 durch den Differenzdruckmesser 22 gemessen. Dieses Meßgerät mißt den Gesamtdurchfluß durch das Viskosimeter. Auf diese Weise wird eine erste Empfindlichkeit realisiert. Bei höheren Viskositäten werden größere Drücke erzeugt. Bei den höheren, im Meßgerät über der Hauptkapillare 18 auftretenden Drücken wird das Differenzdruckentspannungsventil 34 geöffnet, u'nd der Differenzdruck über den beiden Kapillaren 18 und 32 vergrößert sich ,mit der Viskosität langsamer. Auf diese Weise wird eine verminderte Empfindlichkeit im Bereich hoher Viskosität erzielt.

Fig. 3 zeigt die Änderung der Empfindlichkeit, gemessen als Viskosität in Abhängigkeit von dem im Meßgerät 22 festgestellten Differenzdruck. Hohe Empfindlichkeit wird im Bereich des Punktes 40 und geringe Empfindlichkeit im Bereich des Punktes 42 erreicht. Im Bereich des Punktes ist natürlich eine Übergangszone anzutreffen, die durch Eichung des Viskosimeters an jeden erwarteten Schmiermittelsystemdruck angepaßt wird.

So wird ein einfaches, kontinuierlich arbeitendes Viskosimeter zur Messung von Schmierriiittel η in einem mit konstantem Druck arbeitenden Schmiersystem geschaffen. Dazu kommt, daß auch ein Schutz vor Umgebungstemperaturen erreicht wird.

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Claims

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Albort-Rosshaupter-Strassa 65 D 6000 München 70 ■ Telefon (069) 76OSS2O Telex 05-212284 patad Telegramme Kernpalenl Munch

Swea-7093

Patentansprüche

/ 1./ Viskosimeter, gekennzeichnet durch eine Flüssigkeitsleitung (10) mit einem Haupteintritt (14), einer Blende (16) abstromseitig des Haupteintrittes (14), einer Hauptkapillare (18) abstromseitig der Blende, einem Hauptaustritt (20) abstromseitig der Hauptkapillare (18), ferner mit einer Ne6enschlußleitung über der Hauptkapillare (18), die einen Nebenschlußeintritt £28) aus der Flüssigkeitsleitung (10), abstromseitig der Blende (16), ferner einen Nebenschlußaustritt (30) zum Hauptaustritt, eine Nebenschlußkapillare (32) zwischen dem Nebenschlußeintritt (28) und dem Nebenschlußaustritt (30) und eine Vorrichtung (34) zur Steuerung des Durchflusses durch die Nebenschlußleitung in Abhängigkeit von dem über der Hauptkapillaren (18) herrschenden Druck aufweist, und mit einem Differenzdruckmesser (22) über der Hauptkapillaren (18).
2. Viskosimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (34) zur Steuerung des Durchflusses durch die Nebenschlußleitung ein Differenzdruckentspannungsventi1 ist, das sich zwischen dem Nebenschlußeintritt (18) u<u dem Nebenschlußaustritt (30) befindet.

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3. Viskosimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebenschlußkapillare (32) konzentrisch um die Hauptkapillare (18) angeordnet ist.
4. Viskosimeter nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Strömungsmittelmantel (36). um die Nebenschiußkapillare (32), der abstromseitig der Hauptkapillare (18) und zustromseitig des Austritts (20) angeordnet ist.
5. Viskosimeter für das Schmiermittel von Turbomaschinen, mit einer konstanten Quelle unter Druck stehenden Schmiermittels, gekennzeichnet durch eine Flüssigkeitsleitung (10), die einen Haupteintritt (14) aufweist, welcher mit der konstanten Quelle in Verbindung steht, ferner durch eine Blende (16) abstromseitig des Haupteintritts (14), eine Hauptkapillare (18) abstromseitig der Blende (16),einem Hauptaustritt (20) abstromseitig der Hauptkapillare (18), einer Nebenschlußleitung über der Hauptkapillare (18), die einen Nebenächlußeintritt (28) aus der Flüssigkeitsleitung abstromseitig der Blende (16) aufweist, ferner einen Nebenschiußaustritt (30) zum Hauptaustritt (12), eine Nebenschlußkapillare (32) zwischen dem Nebenschlußeintritt (28) und dem Nebenschlußaustritt (30), ein Differenzdruckentspannungsventil (34) zwischen dem Nebenschlußeintritt und dem Nebenschlußaustritt und durch einen Differenzdruckmesser (22) über der Hauptkapi11oren (18).
6. Viskosimeter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebenschiußkapillare (32) konzentrisch um die Hauptkapillare (18) angeordnet ist.
7. Viskosimeter nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Strömungsmittelmantel (36), der die Nebenschlußkapillare (32) umgibt und abstromseitig der Hauptkapillaren (18) sowie zustromseitig des Austritts (20) liegt.