JP2019508633A - スライドリングシールの監視 - Google Patents

Abstract

本発明は、軸封装置及び軸封を監視するための方法に関する。装置は、回転スライドリング（７）及び静止スライドリング（６）を備える。スライドリング（６，７）間に、潤滑膜を有するシール間隙（１０）が配置されている。装置は、少なくとも１つのスライドリング（６，７）内に音響波を励起させるための少なくとも１つの音響トランスデューサ（１１，１２）を備える。音響トランスデューサ（１１，１２）の信号は、ユニットによって評価される。本発明によれば、音響トランスデューサ（１１，１２）は、ラム−レイリー波を生成し、及び／又は受信するように設計されている。

Description

本発明は、回転スライドリング及び静止スライドリングであって、それらの間に潤滑膜のためのシール間隙が介在する、回転スライドリング及び静止スライドリングと、音響波を少なくとも１つのスライドリング内及び／又は上に励起するための少なくとも1つの音響トランスデューサとを有する軸封装置であって、音響トランスデューサの信号を評価するためのユニットを有する、軸封装置に関する。

軸シールは、固定ポンプケーシングからの回転するポンプシャフトの導出部において遠心ポンプを密封するシールであって、外部から浸透する空気を介する漏れ損失を最小限に抑え、密封面の摩耗を可能な限り低減させる、シールである。

メカニカルシールは、シャフト軸と直交するシール間隙を有している。この種の軸シールは、軸方向メカニカルシール又は流体力学的メカニカルシール（ＧＬＲＤ）として知られている。このようなメカニカルシールは、他の密封システムよりも小さい設置空間及び低頻度の保守しか必要としない。

メカニカルシールは、密封時の圧力及び周速度が高い場合及び低い場合の両方において効果的であることが分かっている。

運転中、互いに対して摺動する２つのシール面は、流体力又は機械力によって互いに対して押圧される。略液状潤滑膜を含むシール間隙が、これらの２つの正確に機械加工されたスライド面間に位置する。

メカニカルシールの場合、極めて少量の漏れが蒸気漏れ及び乾燥漏れ（dry leakage）として大気に流出する。

空運転は、メカニカルシール、特に遠心ポンプのメカニカルシールの故障の基本的な原因の１つである。スライド面の温度が上昇し、潤滑膜の蒸発温度を超えると、潤滑膜が蒸発し、局部的な空運転が生じる。摩耗が増大し、摩擦熱が生じると、シールが熱的に劣化する。その結果、スライドリングが破損する可能性がある。シール効果の消失に加え、破片がシールをもたらす流体内に入るという弊害も生じる。

特許文献１は、潤滑膜を送達するための送達装置が一体化されたメカニカルシールを記載している。シール間隙内又はその近くのセンサが、メカニカルシールの運転パラメータを検出する。

特許文献２は、摩擦監視装置を備えるメカニカルシールを記載している、この装置は、メカニカルシールの運転状態を監視するためのものである。監視装置は、センサ要素を有するバーを備え、センサ要素がバーの曲げを検出するようになっている。バーは、静止スライドリングの凹部内に配置されている。

特許文献３は、力測定装置を有する監視装置を備えるメカニカルシールを記載している。力測定装置は、瞬間的な反回転力を検出し、これを表す出力信号を生成する。力測定装置は、力伝達要素によって回転可能に固定されたスライドリングに直接接続可能になっている。

特許文献４は、送信機と受信機との間で点／点接触検出を行うようになっているメカニカルシールを記載している。この例では、せん断波（横波）が送信機から生成される。トランスデューサは、固定面と回転面との間の界面に超音波せん断波を生成する。正常な運転中、超音波せん断波は、主にこの界面によって反射する。第１のトランスデューサが超音波せん断波を生成し、このせん断波が、固定面と回転面との間の界面を通過した後、第２のトランスデューサによって検出される。第２のトランスデューサは、界面の液体膜が破断した時、測定可能な強力な超音波せん断波を識別する。

欧州特許出願公開第２３６２１２２Ａ２号明細書 国際特許出願公開第２０１０／１４２３６７Ａ１号パンフレット 国際特許出願公開第２００８／０８９８００Ａ１号パンフレット 米国特許第６，３６０，６１０Ｂ１号明細書

本発明の目的は、確実に作動し、空運転しないように保護される軸封装置を特定することにある。この場合、メカニカルシールを監視するための方法が用いられる。この方法は、運転を妨げることなく又は著しく機能を損なうことなく、運転中に生じ得る摩耗及び損傷を識別する。さらに、この装置は、可能な限り経済的かつ長寿命の構造であるという点においても、極めてすぐれている。

この目的は、本発明によれば、請求項１の特徴を有する装置及び請求項１３の特徴を有する方法によって達成される。好ましい変更形態は、従属請求項、詳細な説明、及び図面によって明らかにされる。

本発明によれば、音響トランスデューサは、ラム−レイリー波を生成し、及び／又は受信するように設計されている。先行技術による装置に用いられる従来の横波又はせん断波の印加と対照的に、ラム−レイリー波は、領域の全体にわたって潤滑膜の間隙区域を完全に監視することができる。本発明によれば、ラムーレイリー波は、スライドリングによって画定される円経路に沿ってガイド波として移動する。

ラム−レイリー波は、スライドリング内を伝搬する。この場合、この伝播は、好ましくは、スライドリングの表面層内に生じる。従って、これは、表面波と呼ばれる。もし音響トランスデューサが、音響波が音響波の供給されるスライドリングの表面及び潤滑膜に接触する反対側の面の両方においてスライドリング材料の表面層内を伝搬するように、設計されたなら、特に好ましいことが分かっている。

従来の装置では、直線に沿ってしか伝搬しない横波が生成されるので、点−点検出しか行うことができない。

驚くことに、ラム−レイリー波の生成及び検出がスライドリングの全周囲に沿って音響波の伝搬を生じさせ、シール間隙の全体、従って、潤滑膜の全体を監視することができることが実証されている。

このようにして、メカニカルシールの空運転の信頼性の高い識別が確実になる。これは、極めて効率的な漏れ監視を構成する。また、メカニカルシールの摩耗又は損傷を早期にかつ確実に検出することもできる。これは、予測保守の基本である。

本発明のシール間隙の全体的な監視の結果、例えば、不正確な位置合わせによるシャフトの不均衡に関する評価も可能である。回転速度を決定することもできる。

本発明による装置は、段階的な劣化の早期の検出及び生じ得る故障のリスクの予測を行うことができる。

本発明の特に好ましい実施形態では、音響トランスデューサは、波長がスライドリングの幅と略対応する音響を生成し、又は受信するように設計されている。これによって、ラム−レイリー波は、音響波が結合するスライドリングの前端面及び潤滑膜に面するスライドリングの後端面の両方に生じることになる。

もしスライドリングの幅に対する波長の比率がλ／ｂ＜１００、好ましくは、λ／ｂ＜１０、特に、λ／ｂ＜５であったなら、好ましいことが分かっている。驚くことに、もしスライドリングの幅に対する波長がλ／ｂ＞０．０１、好ましくは、λ／ｂ＞０．１、特に、λ／ｂ＞０．２であったなら、ラム−レイリー波がスライドリング内に形成されることが確証されている。

本発明によれば、少なくとも１つの音響トランスデューサは、ラム−レイリー波として形成される音響表面波を生成する。ラム−レイリー波は、範囲が定められた幅を有する少なくとも１つのスライドリング内において伝搬する。これらの波は、縦波及び横波が重畳することによって生じる。

従って、種々の伝搬可能なモードがスライドリング内に生じ、その速度は、周波数とスライドリング幅との積に依存する。

スライドリングの端面が潤滑膜に接触しているので、波エネルギーの一部が潤滑膜内に入り込む。

スライドリングの周囲に沿って伝搬する波は、好ましくは、スライドリング内において１つの音響トランスデューサに結合される。従って、先行技術による従来の装置と対照的に、送信機と受信機との間の点−点接触検出が生じず、むしろ、領域の全体にわたって潤滑膜の間隙区域の完全な監視が達成される。

本発明の特に好ましい変更形態では、少なくとも２つの音響トランスデューサが用いられる。これらは、好ましくは、スライドリング上に角度を隔てて配置される。この場合、もしこれらの音響トランスデューサがスライドリングの端面に配置され、２つの音響トランスデューサ間のずれた角度が好ましくは、３０°よりも大きく、特に、６０°よりも大きい設定がされていたなら、有利であることが分かっている。

この場合、１つの音響トランスデューサが受信機として機能し、他の音響トランスデューサが受信機として機能する。代替的に、複数の送信機及び／又は受信機が用いられてもよい。１つのトランスデューサが送信機及び受信機として用いられてもよい。

音響表面波の本発明の構成の結果として、ラム−レイリー波は、スライドリングの両側に伝搬することができる。従って、音響トランスデューサを回転スライドリング及び／又は静止スライドリングの外面上に取り付けることができる。従って、これらの外面において音響トランスデューサの好ましい設置条件が得られることになる。

もし少なくとも１つの音響トランスデューサが回転スライドリング及び／又は静止スライドリングの外縁に取り付けられたなら、特に好ましいことが分かっている。驚くことに、これによって特に正確な測定値が得られることが確証されている。

本発明の特に好ましい実施形態では、音響トランスデューサとスライドリングの結合点とは、互いに平面接触しないようになっている。この目的を達成するために、音響トランスデューサが丸型設計されてもよいし、及び／又はスライドリングの端面が音響波と結合及び／又は脱結合するための丸型部分を備えてもよい。このような丸型部分は、驚くことに、輪郭が明確な結合を生じることによって、２つの平面よりも著しく好ましいことが分かっている。

送信機及び受信機の両方が、丸型部分を有するように設計されてもよい。代替的に、２つの内の１つのみが丸型部分を有するように設計されてもよい。

付加的又は代替的に、音響トランスデューサ及び／又はスライドリングの端面は、音響波を結合又は脱結合するための突起を有することができる。音響トランスデューサ及び／又はスライドリングの端面は、音響波を結合又は脱結合するための面取り部分を有していてもよい。

本発明のさらなる特徴及び利点は、図面に基づく例示的な実施形態の詳細な説明及び図面そのものに示されている。

軸封装置を備える遠心ポンプを示す図である。 メカニカルシール装置の断面斜視図である。 メカニカルシールに取り付けられた送信機及び受信機の概略図である。 ラム波のモード変換の概略図である。 図５ａは、メカニカルシール装置の（一部を断面で示す）概略図である。図５ｂは、図５ａにおけるスライドリングの端面を示す図である。 突起を有する端面を備えるスライドリングを示す図である。 面取り部分を有するスライドリングを示す図である。

図１は、回転シャフト２、インペラ３、及び固定ケーシング４を備える遠心ポプ１を示している。メカニカルシール５は、第１の軸方向固定スライドリング６及び第２の軸方向可動スライドリング７を有している。軸方向可動スライドリング７は、予圧要素８，ここでは、圧力バネによって、圧力リング９を介して第１のスライドリング６の方向に押圧され、これによって、第１及び第２のスライドリング６，７の互いに向き合った面が密封状態で協働し、それらの間にシール間隙１０を形成している。第１のスライドリング６は、ケーシング４内に静止して配置されている。バネ付勢されたスライドリング７は、遠心ポンプ１のシャフト２に共回転可能に固定されて接続されている。

図２は、乾燥領域に配置された音響トランスデューサ１１を有するメカニカルシール装置の一設置例を断面斜視図で示している。音響トランスデューサ１１は、音響表面波を静止スライドリング６の端面に結合している。静止スライドリング６の反対側の端面において、シール間隙が、静止スライドリグ６と可動スライドリング７との間に位置している。シール間隙１０は、潤滑膜によって充填されている。

図３は、送信機として設計された第１の音響トランスデューサ１１及び受信機として設計された第２の音響トランスデューサ１２の概略図である。送信機１１及び受信機１２は、いずれも静止スライドリング６の端面に配置されている。本発明によれば、送信機１１は、ラム−レイリー波として形成される音響表面波を生成する。

静止スライドリング６は、範囲が定められた幅ｂを有している。本発明によれば、静止スライドリング６に結合された音響表面波の波長は、スライドリングの幅ｂに略対応し、好ましくは、そのずれは、＋／−３０％、特に＋／−１０％である。従って、ラム波は、２つのレイリー波、すなわち、スライドリング６の前端面におけるレイリー波及びスライドリング６の後端面におけるレイリー波が重畳されたものである。

従って、速度が周波数とスライドリングの幅との積に依存する種々の伝搬モードがスライドリング６内に生じる。スライドリング６の（図の左側に示される）反対側の端面は、潤滑膜で満たされるシール間隙１０に接触している。波エネルギーの一部がこの潤滑膜内に入る。軸封装置において、スライドリング６は、伝搬基板として機能する。ラム−レイリー波は、送信機１１によって、このスライドリング６に生じる。これらのラム−レイリー波は、両表面に沿って伝搬し、受信機１２によって再び受信される。

音響信号の伝達中、この音響信号は、基板の音響特性によって影響される。もし表面の粘性液体層が混入潤滑膜によって変化したなら、これらの変化が伝搬速度の変調及び表面波の減衰に反映され、これが受信振幅及び波伝搬時間の測定値に影響を与える。送信信号及び受信信号の信号解析によって、潤滑間隙の厚み又は潤滑膜の稠度に関する結果を導くことが可能になる。これによって、生じ得る空運転又は部分潤滑のような課題を早期に検出することができる。これは、予測保守の基本である。少なくとも１つのスライドリング６，７は、好ましくは、炭化珪素（ＳｉＣ−ＳｉＣ）からなっている。しかし、原理的に、他の材料、例えば、炭素も可能である。材料が「軟質」であるほど、伝達経路におけるラム−レイリー波の減衰が大きくなる。ラム−レイリー波のための伝搬媒体として、圧電材料及び非圧電材料のいずれも可能である。

信号の評価は、好ましくは、制御ユニット及び／又は評価ユニットとして設計されたユニットによって行われる。この場合、時間領域内の当初の評価、特に振幅、伝搬時間、エネルギー、信号の形状、輪郭の解析による評価が有利であることが分かっている。

本発明によって生成されたラム−レイリー波の伝搬速度は、シール間隙１０の幅に依存する。従って、原理的に、これによってシール間隙１０の状態の品質に関する評価を連続的に行うことができる。先行技術として用いられている従来の横波によれば、二元的なイエス／ノーの評価しか行うことができない。従って、これは、シール間隙１０が潤滑膜によって充填されているか否かに関する評価しか行うことができない。この理由は、横波が潤滑膜内に浸透することができないからである。

図４は、ラム−レイリー波の伝搬を明瞭に示している。ラム−レイリー波は、図４に示されるように、スライドリング６の上方に位置するシール間隙１０の潤滑膜と相互作用する。ここでは、スライドリング６は、ラム−レイリー波を伝搬させる基板をなすことになる。

図５ａは、静止スライドリング６及び軸方向変位可能なスライドリング７を部分断面図で示す図である。送信機１１及び受信機１２は、静止スライドリング６の乾燥領域の端面に配置されている。図５ｂにおいて、送信機１１及び受信機１２がスライドリング６の端面の周囲に沿って角度αを隔てて配置されていることが分かるだろう。角度αは、１°から１８０°の間とすることができる。図５ｂに示される例示的な実施形態では、角度αは、９０°である。

送信機１１は、ラム−レイリー波を生成する。このラム−レイリー波は、メカニカルシールの固定リング６の両側において両方向に伝搬する（すなわち、左右に流れる）。ラム−レイリー波は、シール間隙１０において潤滑膜と相互作用する。送信機１１と受信機１２との間のずれた角度αに依存して、左右に流れる波は、時間内に受信機１２の種々の点に衝突し、これによって、個別に評価可能である。受信した信号の信号特性から、潤滑膜を含むシール間隙１０の状態に関する結果を導くことができる。また、複数の波の流れを評価することもできる。これによって、測定効果及び評価範囲を高めることができる。代替的に、音響トランスデューサ１２，１３は、送信機及び受信機として同時に機能するようになっていてもよい（多重化）。

図５ａは、固定スライドリング６及び軸方向変位可能なスライドリング７のいずれもが完全な円筒体として設計されていないことを示している。従って、固定スライドリング６は、例えば、図の左部分の外径よりも小さい外径を有する右部分である第１の部分を有している。この突出部は、スライドリング６と固定ケーシング４との間にシール要素１４を固定するように機能する。このシール要素１４は、例示的な実施形態では、Ｏリングとして設計されている。

図５ａにおける軸方向固定スライドリング６又は軸方向可動スライドリング７に形成されたこのようなずれは、音響表面波の伝搬中に難点をもたらす可能性がある。

図６は、スライドリング６の端面、具体的には、図示される右端面が突起を有する変更例を示している。この変更例では、送信機１１及び／又は受信機１２がスライドリングに平面的に結合されず、突起の線に沿ってのみ結合される。

図７は、スライドリング６におけるずれの課題を解決することができる変更例を示している。スライドリング６は、ずれを有しているが、この構成によって、音響表面波の好ましい伝搬が可能である。この変更例では、スライドリング６の端面は、面取りされており、これによって、スライドリング６への結合が、完全な軸方向において行われず、角度βの方向において行われることになる。

Claims (20)

1. 少なくとも１つの回転スライドリング（６）及び１つの静止スライドリング（７）であって、それらの間に潤滑膜のためのシール間隙（１０）が介在する、少なくとも１つの回転スライドリング（６）及び１つの静止スライドリング（７）と、少なくとも１つのスライドリング（６，７）内及び／又は上に音響波を励起させるための少なくとも１つの音響トランスデューサ（１１，１２）とを有する、軸封装置であって、前記音響トランスデューサ（１１，１２）の信号を評価するためのユニットを備える、軸封装置において、
   前記音響トランスデューサ（１１，１２）は、ラム−レイリー波を生成し、及び／又は受信するように設計されていることを特徴とする、軸封装置。
2. 前記音響トランスデューサ（１１．１２）は、前記スライドリング（６，７）の幅（ｂ）に対する波長（λ）の比率が１００よりも小さく、好ましくは、１０よりも小さく、特に、５よりも小さい音響表面波を生成し、及び／又は受信するように設計されていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記音響トランスデューサ（１１，１２）は、前記スライドリング（６，７）の幅（ｂ）に対する波長（λ）の比率が０．０1よりも大きく、好ましくは、０．１よりも大きく、特に、０．２よりも大きい音響表面波を生成し、及び／又は受信するように設計されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記音響トランスデューサ（１１，１２）は、前記スライドリング（６，７）の周囲に沿って伝搬する波を生成し、及び／又は受信するように設計されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１つに記載の装置
5. 前記音響トランスデューサ（１１，１２）は、前記スライドリング（６，７）の前端面及び／又は前記スライドリング（６，７）の後端面において伝搬する波を生成し、及び／又は受信するように設計されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１つに記載の装置。
6. 少なくとも２つの音響トランスデューサ（１１，１２）が、前記スライドリング（６，７）上に角度（α）を隔てて配置されており、前記角度（α）は、好ましくは、３０°よりも大きく、特に、６０°よりも大きいことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１つに記載の装置。
7. 少なくとも１つの音響トランスデューサ（１１，１２）は、スライドリング（６，７）の端面に配置されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１つに記載の装置。
8. 前記音響トランスデューサ（１１，１２）と前記スライドリング（６，７）の結合点とは、平面接触していないことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１つに記載の装置。
9. 前記音響トランスデューサ（１１，１２）は、音響波を結合及び／又は脱結合するための丸型部分を有することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１つに記載の装置。
10. 前記音響トランスデューサ（１１，１２）は、音響波を結合及び／又は脱結合するための突起を有することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１つに記載の装置。
11. スライドリング（６，７）の端面は、前記音響トランスデューサ（１１，１２）による音響波を結合及び／又は脱結合するための突起を有することを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１つに記載の装置。
12. スライドリング（６，７）の端面は、前記音響トランスデューサ（１１，１２）による音響波を結合及び／又は脱結合するための丸型部分を有することを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１つに記載の装置。
13. 音響トランスデューサ（１１，１２）及び／又はスライドリング（６，７）の端面は、音響波と結合及び／又は脱結合するための面取り部分を有することを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１つに記載の装置。
14. 音響トランスデューサ（１１，１２）は、スライドリング（６，７）の外縁に配置されている請求項１〜１３のいずれか１つに記載の装置。
15. 少なくとも１つの回転スライドリング（７）及び少なくとも１つの静止スライドリング（６）を有するメカニカルシール（５）を監視するための方法において、ラム−レイリー波が少なくとも１つのスライドリング（６，７）内及び／又は上に生成され、及び／又は検出されることを特徴とする、方法。
16. スライドリング（６，７）の周囲に沿って伝搬する音響波が、少なくとも１つのスライドリング（６，７）内に生成され、検出されることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
17. 前記スライドリング（６，７）の幅（ｂ）に対する波長（λ）の比率が１００よりも小さく、好ましくは、１０よりも小さく、特に、５よりも小さい音響波が、少なくとも１つのスライドリング（６，７）内に生成されることを特徴とする、請求項１５又は１６に記載の方法。
18. 前記スライドリング（６，７）の幅（ｂ）に対する波長（λ）の比率が０．０１よりも大きく、好ましくは、０．１よりも大きく、特に、０．２よりも大きい音響波が、少なくとも１つのスライドリング（６，７）内に生成されることを特徴とする、請求項１５〜１７のいずれか１つに記載の方法。
19. 前記波は、前記スライドリング（６，７）の周囲に沿って伝搬することを特徴とする、請求項１５〜１８のいずれか１つの記載の方法。
20. 前記波は、前記スライドリング（６，７）の前端面及び／又は前記スライドリング（６，７）の後端面（６，７）において伝搬することを特徴とする、請求項１５〜１９のいずれか１つに記載の方法、