EP1422424B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Störungsfrüherkennung bei Kreiselpumpen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Störungsfrüherkennung bei Kreiselpumpen Download PDF

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EP1422424B1
EP1422424B1 EP03021880.4A EP03021880A EP1422424B1 EP 1422424 B1 EP1422424 B1 EP 1422424B1 EP 03021880 A EP03021880 A EP 03021880A EP 1422424 B1 EP1422424 B1 EP 1422424B1
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EP
European Patent Office
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centrifugal pump
spring element
fault detection
early fault
axial
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EP03021880.4A
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Heinz-Dieter Prof. Dr. Hellmann
Christian Trautmann
Falk Schäfer
Jürgen Schill
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KSB AG
Original Assignee
KSB AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D15/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or systems
    • F04D15/0088—Testing machines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/04—Shafts or bearings, or assemblies thereof
    • F04D29/041—Axial thrust balancing
    • F04D29/0413—Axial thrust balancing hydrostatic; hydrodynamic thrust bearings

Definitions

  • the invention relates to a method and apparatus for early fault detection in a centrifugal pump equipped with a relief device, wherein the relief device has an axial gap and optionally one or more radial gaps over which a discharge current is passed, further wherein the relief device in the sense of lifting is provided by the axial gap acting on spring element.
  • sensors For the early detection of disturbances in centrifugal pumps, sensors have hitherto been used which detected vibrations deviating from one standard, heating, noise or other measurable variables and transmitted them to a monitoring unit.
  • a plurality of the sensors were arranged for this purpose on the outside of the pump housing. A direct connection with the place of a fault formation thus did not exist.
  • the signals obtained from the sensors were not always clear and unambiguous, so that false reports could not be ruled out. Above all, there was a danger that such reports would come late, so that damage had already occurred.
  • centrifugal pump A significant disturbance inside the centrifugal pump results when bearings wear out or when a relief device only works insufficiently. Such a disturbance can occur creepingly. Thus, in its beginnings, it may still remain without symptoms on the outside of the centrifugal pump and become manifest only after the occurrence of considerable damage and possible failure of the centrifugal pump.
  • load cell can not be used permanently from a design point of view.
  • the EP 0 971 212 A1 discloses a method for determining the pressure loss and flow of a liquid into or through a centrifugal pump. During operation of the centrifugal pump, axial forces acting on the pump rotor are used to determine the pressure and / or the flow. That in the EP 0 971 212 A1 described method requires a magnet-mounted pump rotor and is not applicable to a centrifugal pump of the type mentioned.
  • the invention has for its object to provide a method and apparatus for early fault detection in centrifugal pumps of the type mentioned, which provide a reliable statement about impending disturbances with extensive use of existing elements.
  • the stated object is achieved in that measured during operation of the centrifugal pump, starting from the pump characteristic of the centrifugal pump and the spring constant of the spring element, the deformation of the spring element and a conclusion is drawn to the current operating point of the centrifugal pump.
  • a particularly advantageous apparatus for carrying out the method according to the invention is obtained when a cardanic ring is used as the spring element, which is dimensioned so that it is deformed by a predetermined residual axial force given by the design of the relief device for setting a likewise predetermined axial gap.
  • a provided with said elements discharge device is known by the WO 00/77405 A1 ,
  • the inventive method and its device come with a minimum of sensors. Their direct connection to the relief device results in a very early and reliable reactive fault detection.
  • the elastic behavior of the gimbals used in the device considered to be particularly advantageous device can be stabilized otherwise the rotor dynamic behavior of the centrifugal pump.
  • a shaft 2 is mounted in the housing 1 of a centrifugal pump, which carries a plurality of wheels 3. In the drawing, only two of the wheels 3 can be seen.
  • the double piston 4 of a relief device is attached on the shaft 2, moreover, the double piston 4 of a relief device according to the invention is attached.
  • the double piston 4 is surrounded by a housing part 5, with which it forms two radial gaps 6 and 7. Between the radial gaps 6 and 7 there is an axial gap 8.
  • the axial gap 8 has a variable width s.
  • the in the Fig. 2 shown axial force measuring device is how the device of Fig. 1 Mounted on the pressure-side bearing support 12 of a high-pressure column pump.
  • the individual components of the measuring device are received by a cylindrical housing 13.
  • the adaptation design provides for the use of two gimbals 14, 15, thereby enabling the measurement of axial forces in both directions of action.
  • the gimbals 14, 15 can be biased. This is done at the suction-side ring 14 via a spacer ring 16, the pressure-side ring 15 via a spacer bushing 17th
  • the introduction of force into the device takes place starting from the pump rotor via an axial bearing plate 18, which is non-rotatably connected to the shaft 2.
  • the axial bearing plate 18 transmits the force to one of two axial ball bearings 19, 20, which are coupled directly to the gimbals 14, 15.
  • the gimbals 14, 15 are subjected to deflection and thus represent spring elements in a traction chain. Unbalanced residual forces are forwarded through the spacer ring 16 or the spacer 17 into the housing.
  • the gimbals 14, 15 are secured against rotation. Via lines 22 and 23 of the deformation state of a device for signal processing is transmitted.
  • FIG. 3 the signal processing of the measuring signals recorded via the gimbals 14, 15 on a high-pressure column pump 24 is shown schematically.
  • First member of the Axialkraftmeßkette are the - not shown - strain gauges (DMS) applied gimbal rings 14, 15. As already stated, one ring 14 or 15 per load direction is provided. On each ring 14, 15 are two - not shown - DMS full bridges installed whose input and output signals are connected in parallel. By supplying it with a constant voltage across a sense amplifier and with identical characteristics of the strain gages used in the bridges, the circuit forms the electrical average of the two bridge output signals. As a result, caused by any eccentric force in the rings uneven stress distributions are compensated.
  • DMS strain gauges
  • the output signal is forwarded via a strain gauge amplifier 25 to a transducer 26. This converts the signal into an output voltage of 0-10V. Subsequently, the signal is passed to a Meßwerter kickesungs passport a computer 27, whereby a representation and further processing of the recorded measurement data is possible.
  • Fig. 3 shown device is to be regarded as a test setup.
  • the elements used can for the most part be integrated into the centrifugal pump 24.
  • Individual elements can also be dispensed with in practice, for example, on the pressure-side ring 15.
  • a hydrodynamic axial bearing can also be used.

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Description

  • Gegenstand der Erfindung sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Störungsfrüherkennung bei einer mit einer Entlastungseinrichtung ausgestatteten Kreiselpumpe, wobei die Entlastungseinrichtung einen axialen Spalt und gegebenenfalls einen oder mehrere radiale Spalte besitzt, über welche ein Entlastungsstrom geführt wird, wobei ferner ein die Entlastungseinrichtung im Sinne eines Abhebens von dem axialen Spalt beaufschlagendes Federelement vorhanden ist.
  • Zur Störungsfrüherkennung bei Kreiselpumpen wurden bisher Sensoren eingesetzt, welche von einer Norm abweichende Schwingungen, Erwärmungen, Geräusche oder andere meßbare Größen feststellten und einer Überwachungseinheit übermittelten. Eine Vielzahl der Sensoren war zu diesem Zweck an der Außenseite des Pumpengehäuses angeordnet. Eine direkte Verbindung mit dem Ort einer Störungsentstehung bestand somit nicht. Die von den Sensoren bezogenen Signale waren nicht immer klar und eindeutig, so daß Fehlmeldungen nicht ausgeschlossen werden konnten. Vor allem bestand die Gefahr, daß solche Meldungen erst spät erfolgten, ein Schaden also bereits eingetreten war.
  • Eine wesentliche Störung im Inneren der Kreiselpumpe ergibt sich, wenn Lager verschleißen oder wenn eine Entlastungseinrichtung nur noch unzureichend arbeitet. Eine solche Störung kann schleichend erfolgen. So mag sie in ihren Anfängen noch ohne außen an der Kreiselpumpe feststellbare Symptome bleiben und erst nach Eintritt eines erheblichen Schadens und einem möglichen Ausfall der Kreiselpumpe manifest werden.
  • Es kann zwar auch eine Bestimmung von Axialkräften mit Hilfe eines axial berührenden Sensors, einer Kraftmeßdose, vorgenommen werden. Eine solche Kraftmeßdose kann aber aus konstruktiven Gesichtspunkten nicht dauerhaft eingesetzt werden.
  • Die EP 0 971 212 A1 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung des Druckverlustes und des Durchflusses einer Flüssigkeit in beziehungsweise durch eine Kreiselpumpe. Beim Betrieb der Kreiselpumpe werden auf den Pumpenrotor wirkende Axialkräfte zur Bestimmung des Drucks und/oder des Durchflusses herangezogen. Das in der EP 0 971 212 A1 beschriebene Verfahren bedingt einen magnetgelagerten Pumpenrotor und ist bei einer Kreiselpumpe der eingangs genannten Art nicht anwendbar.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Störungsfrüherkennung bei Kreiselpumpen der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bei weitgehender Nutzung bereits vorhandener Elemente eine zuverlässige Aussage über sich anbahnende Störungen erbringen.
  • Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß während des Betriebes der Kreiselpumpe, ausgehend von der Pumpenkennlinie der Kreiselpumpe und der Federkonstanten des Federelementes, die Verformung des Federelementes gemessen und ein Rückschluß auf den aktuellen Betriebspunkt der Kreiselpumpe gezogen wird.
  • In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß jeweils für den mittels der Störungsfrüherkennung zu überwachenden Kreiselpumpentyp und das zu fördernde Medium Basismessungen vorgenommen werden, die die Axialkraft, die Entlastungskraft und die Druckverteilung im Radseitenraum mit Betriebspunkten auf der Kennlinie der Kreiselpumpe ins Verhältnis setzt.
  • Außerdem wird vorgeschlagen, daß eine die Frequenzspektren des Federelementes ermittelnde dynamische Messung zur Feststellung von Frequenzbändern, welche dem Förderstrom zugeordnet werden und damit einen Hinweis auf mögliche Störungen in der Kreiselpumpe geben, vorgenommen wird.
  • In besonders gelagerten Fällen, insbesondere bei einer grundsätzlichen Untersuchung der auf die Welle einer Kreiselpumpe einwirkenden Axialkräfte, kann es von Vorteil sein, mit Hilfe eines zweiten Federelementes, welches in Gegenrichtung zum ersten Federelement angeordnet ist, auch eine Kontrolle auf einen in Richtung der Druckseite der Kreiselpumpe erfolgenden Axialschub und gegebenenfalls eine Messung dieses Axialschubes vorzunehmen. Ein solcher Axialschub kann bei extremer Überlast und einer daraus resultierenden Schubumkehr auftreten.
  • Eine besonders vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich, wenn als Federelement ein kardanischer Ring verwendet wird, der so dimensioniert ist, daß er durch eine aufgrund der Auslegung der Entlastungseinrichtung vorgegebene definierte Rest-Axialkraft zur Einstellung eines ebenfalls vorgegebenen Axialspaltes verformt wird. Eine mit den genannten Elementen ausgestattete Entlastungseinrichtung ist bekannt durch die WO 00/77405 A1 .
  • Der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens und der dieses Verfahren nutzenden Vorrichtung empfiehlt sich insbesondere für die Erkennung eines beginnenden Lagerverschleißes oder unzulässiger hydraulischer Vorgänge sowie zur Vermeidung eines Anlaufens des Rotors am Gehäuse der Kreiselpumpe.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren und seine Vorrichtung kommen mit einem Minimum an Sensoren aus. Durch ihre unmittelbare Anbindung an die Entlastungseinrichtung ergibt sich eine sehr frühzeitig und zuverlässig reagierende Störungserkennung. Durch das elastische Verhalten des in der als besonders vorteilhaft angesehenen Vorrichtung verwendeten Kardanringes kann im übrigen das rotordynamische Verhalten der Kreiselpumpe stabilisiert werden.
  • Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt In
    • Fig.1
    einen Ausschnitt aus einer im Schnitt dargestellten mehrstufigen Kreiselpumpe mit einem saugseitig angeordneten kardanischen Ring, der sowohl zur Einstellung eines vorgegebenen Axialspaltes an einer Entlastungseinrichtung als auch als Element einer AxialkraftMeßeinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient;
    Fig. 2
    einen Ausschnitt aus einer im wesentlichen der Ausführung der Fig. 1 entsprechenden Kreiselpumpe mit einem saugseitig und einem druckseitig angeordneten kardanischen Ring zur Schaffung einer in beiden Schubrichtungen wirkenden Axialkraft-Meßvorrichtung;
    Fig. 3
    eine schematische Darstellung einer Kreiselpumpe mit einer Einrichtung zur Verarbeitung der von der Axialkraft-Meßvorrichtung aufgenommenen Signale.
  • Wie In der Fig. 1 dargestellt, ist in dem Gehäuse 1 einer Kreiselpumpe eine Welle 2 gelagert, die mehrere Laufräder 3 trägt. In der Zeichnung sind nur zwei der Laufräder 3 erkennbar.
  • Auf der Welle 2 ist im übrigen der Doppelkolben 4 einer erfindungsgemäßen Entlastungseinrichtung befestigt. Der Doppelkolben 4 wird umgeben von einem Gehäuseteil 5, mit dem er zwei radiale Spalte 6 und 7 bildet. Zwischen den radialen Spalten 6 und 7 befindet sich ein axialer Spalt 8. Der axiale Spalt 8 hat eine veränderliche Weite s.
  • Am druckseitigen Ende der Kreiselpumpe wird die Welle 2 durch ein hydrodynamisches Axiallager 9 aufgenommen. Dem Axiallager 9 ist ein kardanischer Ring 10 zugeordnet. Der kardanische Ring 10 dient zunächst in bekannter Weise dem Ausgleich von Fluchtungsfehlern, die bei der Montage einer mehrstufigen Kreiselpumpe unvermeidlich sind. Im übrigen ist der kardanische Ring 10 so dimensioniert, daß er durch den in der Kreiselpumpe auftretenden, zur Saugseite hin gerichteten Restschub elastisch verformt wird. Dabei ist die Federkonstante des kardanischen Ringes 10 an die übrigen Gegebenheiten der Entlastungseinrichtung angepaßt:
    • Die Entlastungseinrichtung ist so ausgelegt, daß sich in allen Betriebszuständen der Kreiselpumpe ein Restschub ergibt, der in Richtung der Saugseite wirkt. Ausgehend von einer maximalen Weite s des axialen Spaltes 8 im Ruhezustand der Kreiselpumpe wird nun durch eine elastische Verformung des kardanischen Ringes 10 der Spalt 8 unter Betriebsbedingungen bis auf eine vorgegebene Minimalweite geschlossen, bei welcher eine Berührung der den Spalt 8 begrenzenden Flächen des Doppelkolbens 4 und des Gehäuseteils 5 noch vermieden wird. Dabei kommt der Entlastungseinrichtung zustatten, daß der axiale Spalt 8 eine selbstregelnde Funktion besitzt.
  • Durch die Integration des kardanischen Ringes 10 in eine geeignete Meßvorrichtung werden frühzeitig solche Kräfte erkennbar, die auf unzulässige hydraulische Zustände oder einen einsetzenden Lagerverschleiß hindeuten. Die während des Pumpenbetriebes erfolgende Verformung des kardanischen Ringes 10 wird durch ein geeignetes Mittel, beispielsweise einen - nicht dargestellten - Dehnungsmeßstreifen bekannter Art, festgestellt und als Signal über eine Leitung 11 zu einer Einrichtung zur Signalverarbeitung übermittelt. Die direkte mechanische Ankopplung des als Axialkraftaufnehmer wirkenden kardanischen Ringes 10 an das Meßsystem ermöglicht die Messung von Signalen ohne den dämpfenden Einfluß eines Fluidfilms, welcher sich bei berührungslosen Aufnehmern stets zwischen Sensor und Bauteil befindet.
  • Die in der Fig. 2 dargestellte Axialkraft-Meßvorrichtung ist, wie die Vorrichtung der Fig. 1, am druckseitigen Lagerträger 12 einer Hochdruck-Gliederpumpe angebracht. Die einzelnen Komponenten der Meßvorrichtung werden von einem zylindrischen Gehäuse 13 aufgenommen. Die Anpassungskonstruktion sieht den Einsatz von zwei kardanischen Ringen 14, 15 vor, wodurch die Messung von Axialkräften in beiden Wirkungsrichtungen ermöglicht wird. Zur Stabilisierung des rotordynamischen Verhaltens können die kardanischen Ringe 14, 15 vorgespannt werden. Dies geschieht beim saugseitigen Ring 14 über einen Distanzring 16, beim druckseitigen Ring 15 über eine Distanzbuchse 17.
  • Die Krafteinleitung in die Vorrichtung erfolgt ausgehend vom Pumpenrotor über einen Axiallagerteller 18, welcher drehfest mit der Welle 2 verbunden ist. Der Axiallagerteller 18 überträgt je nach Wirkungsrichtung des Axialschubs die Kraft auf eines von zwei Axialrillenkugellagern 19, 20, welche direkt an die kardanischen Ringe 14, 15 gekoppelt sind. Die kardanischen Ringe 14, 15 werden auf Durchbiegung beansprucht und stellen somit Federelemente in einer Kraftschlusskette dar. Unausgeglichene Restkräfte werden über den Distanzring 16 oder die Distanzbuchse 17 in das Gehäuse weitergeleitet. Durch jeweils einen Zylinderstift 21 werden die kardanischen Ringe 14, 15 gegen ein Verdrehen gesichert. Über Leitungen 22 und 23 wird der Verformungszustand einer Einrichtung zur Signalverarbeitung übermittelt.
  • In der Fig. 3 ist die Signalverarbeitung der über die kardanischen Ringe 14, 15 an einer Hochdruck-Gliederpumpe 24 aufgenommenen Meßsignale schematisch dargestellt. Erstes Glied der Axialkraftmeßkette sind die mit - nicht dargestellten - Dehnungsmeßstreifen (DMS) applizierten kardanischen Ringe 14, 15. Wie bereits ausgeführt, ist je ein Ring 14 bzw. 15 pro Belastungsrichtung vorgesehen. Auf jedem Ring 14, 15 sind zwei - nicht dargestellte - DMS-Vollbrücken installiert, deren Ein- und Ausgangssignale parallel geschaltet werden. Durch Speisung mit einer konstanten Spannung über einen Meßverstärker und bei identischen Kennwerten der in den Brücken verwendeten DMS bildet die Schaltung den elektrischen Mittelwert der beiden Brückenausgangssignale. Hierdurch werden die durch eventuelle exzentrische Krafteinleitung in die Ringe verursachten ungleichmäßigen Spannungsverteilungen ausgeglichen.
  • Das Ausgangssignal wird über einen DMS-Verstärker 25 an einen Meßwertumformer 26 weitergeleitet. Dieser wandelt das Signal in eine Ausgangsspannung von 0-10V um. Anschliessend wird das Signal an eine Meßwerterfassungskarte eines Computers 27 geleitet, wodurch eine Darstellung und Weiterverarbeitung der aufgenommenen Meßdaten möglich ist.
  • Die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung ist als Versuchsaufbau zu betrachten. Für den praktischen Betrieb können die verwendeten Elemente zum großen Teil in die Kreiselpumpe 24 integriert werden. Auf einzelne der Elemente kann in der praktischen Anwendung auch verzichtet werden, so z.B. auf den druckseitigen Ring 15. Anstelle zweier Axialrillenkugellager 19, 20 kann auch ein hydrodynamisches Axiallager verwendet werden.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Störungsfrüherkennung bei einer mit einer Entlastungseinrichtung (4, 6, 7, 8) ausgestatteten Kreiselpumpe , wobei die Entlastungseinrichtung einen axialen Spalt (8) und gegebenenfalls einen oder mehrere radiale Spalte (6, 7) besitzt, über welche ein Entlastungsstrom geführt wird, wobei ferner ein die Entlastungseinrichtung im Sinne eines Abhebens von dem axialen Spalt beaufschlagendes Federelement (10, 14) vorhanden ist dadurch gekennzeichnet, daß während des Betriebes der Kreiselpumpe (24), ausgehend von der Pumpenkennlinie der Kreiselpumpe (24) und der Federkonstanten des Federelementes (10, 14), die Verformung des Federelementes (10, 14) gemessen und ein Rückschluß auf den aktuellen Betriebspunkt der Kreiselpumpe (24) gezogen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils für den mittels der Störungsfrüherkennung zu überwachenden Kreiselpumpentyp und das zu fördernde Medium Basismessungen vorgenommen werden, die die Axialkraft, die Entlastungskraft und die Druckverteilung im Radseitenraum mit Betriebspunkten auf der Kennlinie der Kreiselpumpe (24) ins Verhältnis setzt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils für den mittels der Störungsfrüherkennung zu überwachenden Kreiselpumpentyp und das zu fördernde Medium eine die Frequenzspektren des Federelementes (10, 14) ermittelnde dynamische Messung zur Feststellung von Frequenzbändern, welche dem Förderstrom zugeordnet werden und damit einen Hinweis auf mögliche Störungen in der Kreiselpumpe (24) geben, vorgenommen wird.
  4. Verfahren zur Störungsfrüherkennung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe eines zweiten Federelementes (15), welches in Gegenrichtung zum ersten Federelement (14) angeordnet ist, eine Kontrolle auf einen in Richtung der Druckseite der Kreiselpumpe (24) erfolgenden Axialschub und gegebenenfalls eine Messung dieses Axialschubes vorgenommen wird.
  5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Federelement ein kardanischer Ring (10, 14) verwendet wird, der so dimensioniert ist, daß er durch eine aufgrund der Auslegung der Entlastungseinrichtung vorgegebene definierte Rest-Axialkraft zur Einstellung eines ebenfalls vorgegebenen Axialspaltes verformt wird.
  6. Anwendung des Verfahren zur Störungsfrüherkennung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Erkennung eines beginnenden Lagerverschleißes.
  7. Anwendung des Verfahren zur Störungsfrüherkennung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Vermeidung eines Anlaufens des Rotors am Gehäuse der Kreiselpumpe.
  8. Anwendung des Verfahren zur Störungsfrüherkennung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Erkennung unzulässiger Kavitationszustände.
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