DE3323632C2 - Viskosimeter für eine unter Druck stehende Flüssigkeit, insbesondere für ein Schmiermittel einer Turbomaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Viskosimeter für eine unter Druck stehende Flüssigkeit, insbesondere für ein Schmiermittel einer Turbomaschine.

Druckschmiersysteme beispielsweise für Lager oder dergleichen erfordern eine kontinuierliche, genaue Überwachung der Schmiermittelbedingungen, von denen die Wirksamkeit der Schmierung abhängt. Beispielsweise kann ein Wärmestau in der Maschine zu erheblichen Verringerungen der Viskosität des Schmiermittels führen. Auch eine Verschmutzung des Schmiermittels kann dessen Viskosität beeinträchtigen.

Überaus niedrige Viskositäten des Schmiermittels können zu einer Beeinträchtigung der Leistungsfähigkeit und zu einer Zerstörung der betreffenden Maschine führen. Mit abnehmender Viskosität kann die betreffende Maschine beispielsweise ihre Fähigkeit verlieren, das Schmiermittel schnell genug den benötigten Stellen, zum Beispiel den Lageroberflächen, zuzuführen, um den erforderlichen Schmierfilm sicherzustellen.

Ein weiterer, die Eigenschaften des Schmiermittels direkt beeinflussender Faktor ist der Druck, mit dem das Schmiermittel den Lageroberflächen zugeführt wird. Je höher die verwendeten Drücke sind, desto besser kann sich das Schmiermittel in die schmiermittelarme Zone hineinbewegen. Die Leistungsfähigkeit eines Schmiermittels mit überaus geringer Viskosität läßt sich somit dadurch verbessern, daß es zusätzlich mit Druck beaufschlagt wird.

Die Viskosität kann während der Kaltstartphase einer Maschine hoch sein und sich unter Betriebsbedingungen einem kritischen Bereich nähern. Demzufolge ist eine Überwachungseinrichtung für die Viskosität des Schmiermittels erforderlich, die exakt zwischen sicheren und unsicheren Betriebsbedingungen unterscheiden und trotzdem unter außerordentlich unterschiedlichen Bedingungen arbeiten kann.

Aus der US-A-3 610 026 ist ein Viskosimeter bekannt, bei dem der hydraulische Widerstand mittels geeigneter Betätigungselemente für den Fall, daß der Meßbereich auf Grund besonders niedriger oder hoher Druckdifferenzwerte nicht ausreicht, so weit verändert wird, bis wieder Druckdifferenzwerte innerhalb des Meßbereichs erhalten werden. Dabei wird der Differenzdruck über das gesamte Viskosimeter ermittelt. Aus der DE-A2-12 37 809 ist eine Anordnung zur kontinuierlichen Messung der Konsistenz einer Flüssigkeit von nicht-Newtonschem Charakter bekannt. Bei dieser Anordnung ist ein Differenzdruckmesser vorgesehen, der über Leitungen an das Eintrittsende der Hauptkapillare und an das Eintrittsende der Nebenschlußkapillare angeschlossen ist. Bei dieser Anordnung wird also die zwischen den Kapillaren herrschende Druckdifferenz ermittelt. Bei einer anderen Ausführungsform dieser Anordnung sind Haupt- und Nebenschlußkapillare in Reihe geschaltet. Mit dem Differenzdruckmesser kann die Druckdifferenz über der Haupt- und über der Nebenschlußkapillare ermittelt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Viskosimeter zu schaffen, das sich zur kontinuierlichen Überwachung der Flüssigkeit besser eignet und dessen Meßgenauigkeit bzw. Empfindlichkeit insbesondere im unteren Teil des Viskositätsbereichs der Flüssigkeit erhöht ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Viskosimeter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Um eine größere Empfindlichkeit bei niedrigeren Viskositäten zu erhalten, wird die Nebenschlußleitung bei einem bestimmten Druck geöffnet. Dadurch läßt sich der erwartete Druckbereich als Maß für einen erwarteten Viskositätsbereich verkleinern. In dem tieferen Viskositäts­ bereich, in dem die Anlage, Vorrichtung oder Maschine der größten Ge­ fahr ausgesetzt ist, kann ein höheres Maß an Druckempfind­ lichkeit erhalten werden. In dem Bereich höherer Viskosität, in dem die Ablesungen weniger kritisch und Beschädi­ gungen weniger wahrscheinlich sind, läßt sich die Druckempfind­ lichkeit durch Verwendung der Nebenschluß­ kapillare reduzieren. Auf diese Weise kann der gesamte Meß­ bereich, der für einen Differenzdruckmesser benötigt wird, verkleinert werden. Damit läßt sich in den Bereichen größter Gefahr eine empfindlichere Reaktion des Systems erzielen.

Da das System Differentialdruckelemente niedrigen Durch­ flusses 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 Δp der verhältnismäßig kleinen Flüssigkeitsmenge, die das Meßgerät durchströmt, geliefert.

Darüber hinaus läßt sich jede Vorrichtung an die Strö­ mungsgeschwindigkeit bzw. Strömungsmenge der durch die zugehörigen Teile hindurchlaufenden Flüssigkeit anpassen, so daß deren Auswirkungen auf die Fähigkeit des Viskosimeters, die gewünschte Leistung zu erbringen, ver­ nachlässigbar 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 insbe­ sondere zum Einsatz für den Schutz von Lagern von Rota­ tions- oder Turbomaschinen, die eine kontinuierliche und konstante Schmiermitteldruckquelle 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 bzw. quer zur Durchgangsöffnung oder dem Durchströ­ mungskanal ist für genaue Viskositätswerte wesentlich. Durch Druckanomalien hervorgerufene Fehler fördern aller­ dings eher den allgemeinen Wert des Meßsystems, d. h. den Schutz der geschmierten Einrichtung, als daß sie ihn mindern. Abnormal hohe Drücke wirken sich in dem Meß­ system dahingehend aus, daß höhere als die tatsächlichen Werte angegeben werden, während abnormal tiefe Drücke das Gegenteil bewirken. Diese Abhängigkeit entspricht in vor­ teilhafter Weise dem Einfluß des Schmiermitteldruckes auf den Wirkungsgrad des Schmiersystems. So würden beispielsweise abnormal tiefe Schmiersystemdrücke sich in Viskosimetern der erfindungsgemäßen Art als geringe Viskositätswerte nieder­ schlagen, die einen gefährlichen Betriebszustand wider­ spiegeln, der auch tatsächlich existieren könnte, obgleich die Viskosität normal sein kann. Somit ist das Viskosimeter der erfindungsgemäßen Art in der Lage, sich anzupassen und in der richtigen Weise auf eine Veränderung kritischer Be­ dingungen, wie z. B. Drücke, Temperaturen und Viskositäten, zu reagieren.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Viskosimeters;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer anderen Aus­ führungsform des Viskosimeters; und

Fig. 3 ein typisches Diagramm, das die Abhängigkeit der Druckdifferenz von der Viskosität in Form einer Kurve zeigt, wie sie bei dem erfindungsgemäßen Viskosimeter Ver­ wendung 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 Aus­ führungsformen und Abweichungen von einem allgemeinen Bautyp einsetzen, um dadurch die für jedes Meßproblem am besten ge­ eignete Konstruktion zur Verfügung zu haben.

Fig. 1 zeigt schematisch ein erstes System der erfindungsge­ mäßen Art. Die tatsächliche Konstruktion dieses Viskosimeters kann aus irgendeinem geeigneten, leicht zu bearbeitenden Material, beispielsweise 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 des erfindungsgemäßen Viskosimeters ergibt sich in Verbindung mit unter Druck stehenden Schmier­ systemen für Lager oder andere geschmierte Komponenten, wobei in der Zeichnung ein System gezeigt ist, bei dem das Schmier­ mittel durch einen Kanal 10 unmittelbar vor die Lager geför­ dert wird, an denen das Schmiermittel überwacht werden soll. Auf diese Weise besitzt das Schmiermittel innerhalb des Meß­ gerätes 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 Turboma­ schinen der Fall ist. Der von dem Lager kommende Rückführ­ kanal 12 mündet normalerweise in ein Schmiermittelreservoir. Somit läßt sich das erfindungsgemäße Meßgerät in höchst ein­ facher Weise in strömungstechnischer Hinsicht parallel zu der geschmierten Komponente und in körperlicher Hinsicht neben dieser Komponenten anordnen.

Das Viskosimeter weist eine Flüssigkeitsleitung mit einer Haupt­ eintrittsleitung 14, einer Meßblende 16, einer Hauptkapillaren 18 und einer Hauptaustrittsleitung 20 auf. Die Meßblende 16 und die Hauptkapillare 18 sind so gewählt, daß etwa 90% des Druck­ verlustes im Meßgerät an der Meßblende 16 auftritt.

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

Parallel zu der Hauptkapillaren 18 ist eine Nebenschlußleitung angeordnet. Die Nebenschlußleitung weist eine Nebenschlußein­ trittsleitung 28, eine Nebenschlußaustrittsleitung 30, eine Nebenschlußkapillare 32 und eine Vorrichtung 34 zur Steuerung des Durchflusses durch die Nebenschlußkapillare 32, z. B. ein Differenzdruckentspannungsventil, auf. Der Nebenschlußeintrittsleitung 28 steht mit der Hauptflüssigkeitsleitung ab­ stromseitig der Meßblende 16 und zustromseitig der Haupt­ kapillaren 18 in Verbindung. Die Nebenschlußaustrittsleitung 30 steht mit der Hauptflüssigkeitsleitung, die durch den Rückführkanal 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 (Vorrichtung 34) gesteuert wird. Das Differenzdruckentspannungsventil bildet eine Möglich­ keit der Kontrolle oder Steuerung des Durchflusses durch die Nebenschlußleitung in Abhängigkeit von dem in bzw. über der Hauptkapillaren herrschenden Druckdifferenz Δp. Es versteht sich, daß das Differenzdruckentspannungsventil so ausgewählt wird, daß es sich bei Drücken öffnet, die Viskositäten ent­ sprechen, welche weit im sicheren Bereich des geschützten Lagers liegen.

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

In Fig. 2 entstehen die Bezugszeichen bezüglich ihrer Bedeutung denjenigen von Fig. 1. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist rund um die Hauptkapillare 18 und auch die Nebenschlußkapillare 32 ein Strömungsmittelmantel 36 ange­ ordnet. Dieser Strömungsmittelmantel zieht die Flüssigkeit direkt aus der Hauptkapillare 18, abstromseitig des Kapillar­ austritts, durch den Kanal 38 ab und trägt diese Flüssigkeit durch die Hauptaustrittsleitung 20 aus. Der Strömungsmittelmantel nimmt dadurch kontinuierlich Flüssigkeit auf, da er mit der Hauptkapillare 18 in Reihe geschaltet ist. Auf diese Weise wird um die Hauptkapillare 18 sowie um die Neben­ schlußkapillare 32 während der gesamten Betriebszeit eine Isolierung geschaffen.

Durch geeignete Auswahl des Differenzdruckentspannungs­ ventils (Vorrichtung 34) 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 Δp über der Hauptkapillaren 18 durch den Differenzdruckmesser 22 gemessen. Dieses Meß­ gerät 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 Differenzdruckentspannungs­ ventil geöffnet und der Differenzdruck Δp über den beiden Kapillaren 18 und 32 vergrößert sich mit der Viskosität langsamer. Auf diese Weise wird eine verminderte Empfind­ lichkeit im Bereich hoher Viskosität erzielt.

Fig. 3 zeigt die Änderung der Empfindlichkeit, gemessen als Viskosität in Abhängigkeit von dem im Differenzdruckmesser 22 festgestellten Differenzdruck. Hohe Empfindlichkeit wird im Bereich des Punktes 40 und geringe Empfindlichkeit im Bereich des Punktes 42 erreicht. Im Bereich des Punktes 44 ist eine Übergangszone anzutreffen, die durch Eichung des Viskosimeters an jeden erwarteten Schmier­ mittelsystemdruck angepaßt wird.

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

Claims (6)

1. Viskosimeter für eine unter Druck stehende Flüssigkeit, insbesondere für ein Schmiermittel einer Turbomaschine,
mit einer Haupteintrittsleitung (14), einer damit verbundenen Hauptkapillare (18), einer Haupt­ austrittsleitung (20) abstromseitig der Hauptkapillare (18),
mit einem Differenzdruckmesser (22) zum Ermitteln der beim Durchströmen der Hauptkapillare (18) entstehenden Druckdifferenz (Δp),
mit einer strömungstechnisch parallel zur Hauptkapillare (18) geführten Nebenschlußleitung, die eine mit der Haupteintrittsleitung (14) verbundene Nebenschlußeintrittsleitung (28), eine mit der Hauptaustrittsleitung (20) verbundene Nebenschlußaustrittsleitung (30) und eine mit der Nebenschlußeintritts- und -austrittsleitung verbundene Nebenschlußkapillare (32) aufweist, mit einer Meßblende (16) und
mit einer Vorrichtung (34) zur Steuerung des Durchflusses durch die Nebenschlußkapillare (32) in Abhängigkeit der vom Differenzdruckmesser (22) ermittelten Druckdifferenz (Δp).

2. Viskosimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Vorrichtung (34) zur Steuerung des Durchflusses durch die Nebenschlußkapillare (32) bei höheren Viskositäten entsprechenden Differenzdrücken (Δp) öffnet.

3. Viskosimeter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (34) zur Steuerung des Durchflusses durch die Nebenschlußkapillare (32) ein Differenzdruckentspannungs­ ventil ist, das zwischen der Nebenschlußeintrittsleitung (28) und der Nebenschlußaustrittsleitung (30) angeordnet ist.

4. Viskosimeter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebenschlußkapillare (32) konzentrisch um die Hauptkapillare (18) angeordnet ist.

5. Viskosimeter nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Strömungsmittelmantel (36) um die Nebenschlußkapillare (32), der abstromseitig der Hauptkapillare (18) und zustromseitig der Hauptaustrittsleitung (20) angeordnet ist.

6. Viskosimeter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es in strömungstechnischer Hinsicht parallel zu dem Bauteil angeordnet ist, das die unter Druck stehende Flüssigkeit enthält.