Anordnung zur Aufnahme des Axialschubes einer Kreiselpumpe

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Aufnahme des Axialschubes einer Kreisel- pumpe, mit einer Entlastungseinrichtung und einem Axiallager, wobei dem Axiallager ein Ring zugeordnet ist

Der Axialschub ist die Resultierende aller auf den Pumpenläufer einwirkenden Axial- kräfte. Zur Aufnahme des Axialschubes gibt es beispielsweise bei mehrstufigen Kreiselpumpen im Wesentlichen drei Arten von Entlastungseinrichtungen: Entlastungsscheibe, Entlastungskolben und Stufenkolben. Letzterer ist in der überwiegend gebrauchten Form als Doppelkolben ausgebildet.

Allen drei Ausführungen gemeinsam ist ein über Spalte geführte Entlastungsstrom. Der meist zum Einlauf der Kreiselpumpe zurückgeführte Entlastungsstrom stellt einen Leckverlust dar, den man durch möglichst geringe Spaltweiten zu minimieren versucht. Da- bei ist aber dafür Sorge zu tragen, dass unter allen Betriebsbedingungen ein Anstreifen der bewegten Teile an den stehenden Teilen der Kreiselpumpe vermieden wird. Ein Anstreifen des Pumpenläufers am Gehäuse kann zu einem Ausfall der Kreiselpumpe führen.

Zur Störungsfrüherkennung bei Kreiselpumpen können Sensoren eingesetzt werden, welche von einer Norm abweichende Schwingungen, Erwärmungen, Geräusche oder andere messbare Größen erfassen und an eine Öberwachungseinheit übermitteln. Solche Sensoren werden meist an der Außenseite des Pumpengehäuses angeordnet.

Eine wesentliche Störung im Inneren der Kreiselpumpe ergibt sich, wenn Lager verschleißen oder wenn eine Entlastungseinrichtung nur unzureichend arbeitet. Eine solche Störung kann schleichend erfolgen. So mag sie in ihren Anfängen noch ohne am äußeren Gehäuse der Kreiselpumpe feststellbaren Symptome bleiben und erst nach Eintritt eines erheblichen Schadens und einem möglichen Ausfall der Kreiselpumpe tatsächlich von Sensoren erfasst werden.

Fs ist bekannt, die Bestimmung von Axialkräften mit Hilfe eines axialberührenden Sen- sors, die auch als Kraftmessdose bezeichnet wird, vorzunehmen. Eine solche Kraftmessdose kann aber aus konstruktiven Gesichtspunkten nicht dauerhaft eingesetzt werden.

In der EP 1 422 424 A2 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Storungsfrüherkennung bei einer mit einer Entlastungseinrichtung ausgestatteten Kreiselpumpe beschrieben, Dabei kommt ein Federelement zum Einsatz, das als kardanischer Ring ausgebil det ist. Dieser Ring ist so dimensioniert, dass ei duich die Restaxialkraft verformt wird.

Eine mit den genannten Elementen ausgestattete Entlastungseinrichtung ist aus der EP 1 185 795 B1 bekannt Darin wird eine Einrichtung zur Aufnahme des Axialschubes einer mehrstufigen Kreiselpumpe mit einer Entlastungseinrichtung beschrieben. Die Ent lastungseinrichtung ist so ausgelegt, dass sich in allen Betriebszuständen ein Restschub ergibt, der in Richtung der Saugseite der Pumpe wirkt. Es wird ein kardanischer Ring eingesetzt, der so ausgelegt ist, dass er durch den Restschub elastisch verformt wird. Die Federkonstante des kardanischen Rings besitzt eine Charakteristik, dass sich der axiale Spalt ausgehend von einer maximalen Spaltweite im Ruhezustand der Pumpe, unter Betriebsbedingungen bis auf eine minimale Weite schließt, bei welcher eine Berührung der den axialen Spalt begrenzenden Fläche gerade noch vermieden wird. Die bei herkömmlichen Anordnungen zur Aufnahme des Axialschubs eingesetzten Messeinrichtungen benötigen eine relativ große Bauhöhe. Zum Messen mechanischer

Kräfte muss die Kraft möglichst geschickt über eine Messstelle geleitet werden. Diese Kraft verursacht eine Verformung der Messstelle. Bei geeigneter Geometrie ist die Verformung der Messstelle proportional zur angreifenden Kraft.

Mit Hilfe von Sensoren, beispielsweise Dehnungsmessstreifen, kann diese Verformung gemessen und ausgewertet werden. Der Messkörper muss so ausgelegt sein, dass die hervorgerufenen Verformungen noch innerhalb des elastischen Bereichs des Messkör- permaterials liegen. Im Stand der Technik sind Messkörpergeometrien bekannt, die als Ring ausgebildet sind, der auf einer Stirnseite Vorsprünge zum Einleiten beziehungsweise Ausleiten von Kräften aufweist. Die Messkörperhöhe ist ein entscheidender Faktor für die Steifigkeit des Ringes. Die Messkörperhöhe geht in dritter Potenz in das Flächenträgheitsmoment ein. Die Steifigkeit des Messkörpers ist wiederum entscheidend für die maximal zu übertragende Kraft. Ist der Bauraum der Pumpe in der Höhe limitiert und die messende Kraft groß, können herkömmliche Messeinrichtungen nicht ange- wandt werden. Die Einrichtungen, welche beispielsweise als Ring ausgebildet sind, wä- ren überlastet.

Aufgabe der Erfindung ist es eine Anordnung zur Aufnahme des Axialschubs einer Kreiselpumpe anzugeben, mit der mögliche Störungen zuverlässig und frühzeitig erfasst werden können. Dabei soll die Anordnung mit einem möglichst geringen Bauraum aus- kommen, so dass eine kompakte Gestaltung möglich ist. Die Anordnung soll sich durch eine hohe Zuverlässigkeit bei der Aufnahme des Axialschubs ausweisen und dabei möglichst geringe Leckverluste produzieren, so dass die Entlastungsströme möglichst gering sind. Zudem soll sich die Konstruktion durch eine hohe Lebensdauer und möglichst geringe Herstellungskosten auszeichnen. Weiterhin soll die Anordnung für Wartungsarbeiten möglichst gut zugänglich sein, Weiterhin soll die Anordnung leicht zu montieren sein und eine möglichst preiswerte Herstellungsweise gewährleisten. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst Bevorzugte Varianten sind den Unteransprüchen der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.

Erfindungsgemäß weist der dem Axiallager zugeordnete Ring mehrere Segmente auf. Dabei ist der Ring in mindestens zwei Segmente, vorzugsweise drei Segmente und insbesondere mehr als drei Segmente aufgeteilt. Als besonders günstig erweist es sich, wenn der Ring in weniger als neun Segmente, vorzugsweise weniger als sieben Segmente, insbesondere weniger als sechs Segmente aufgeteilt ist. Bei einer besonders günstigen Ausführungsform der Erfindung ist der Ring in fünf Segmente aufgeteilt. Der Ring kann in eine gerade oder eine ungerade Anzahl an Segmenten aufgeteilt sein. Als besonders vorteilhaft erweist sich eine Aufteilung des Rings in eine ungerade Anzahl an Segmenten, also beispielsweise in drei, fünf oder sieben Segmente.

Die einzelnen Segmente des Rings sind miteinander verbunden. Dabei erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn die Segmente über Stege verbunden sind. Die Stege weisen eine geringere Dicke auf als die übrigen Ringsegmente,

Durch die erfindungsgemäße Segmentierung eines kardanischen Rings wird die zu erfassende Kraft über mehrere Messstellen durch den Messkörper geleitet. Somit teilt sich die zu messende Kraft auf. Wird der Ring beispielsweise in fünf Segmente aufgeteilt, die jeweils miteinander über Stege verbunden sind, so teilt sich die Kraft auf fünf Messelemente auf. Jedes Messelement muss folglich auch nur ein Fünftel der Gesamtkraft aufnehmen können. Mechanisch kann dabei der Ring als eine Parallelschaltung von fünf Federn betrachtet werden. Durch die Anzahl der Messstellen kann Einfluss auf die maximal übertragbare Kraft genommen werden.

Vorzugsweise weist der Ring mehrere Sensoren auf. Die Sensoren sind dabei vorzugs weise an den Verbindungsstellen zwischen den einzelnen Segmenten angeordnet. Bei einer besonders günstigen Ausführungsform der Erfindung kommen Dehnungssenso- ren zum Einsatz. Beispielsweise können Dehnmesssteifen verwendet werden. Sie än dern schon bei geringen Verformungen ihren elektrischen Widerstand. Diese Dehnmessstreifen können z.B. mit einem Spezialkleber auf die Stege aufgebracht werden. Die Stege verformen sich unter Belastung. Diese Verformung führt dann zu einer Veränderung des Widerstandes des Dehnmessstreifens. Es ist auch möglich Foliendehn- messsteifen einzusetzen, die eine Messgitterfolie aus einem Widerstandsdraht aufweisen.

Zur Einleitung der Kräfte weist der Ring vorzugsweise Vorsprünge auf. Diese Vorsprünge können beispielsweise als Nocken ausgebildet sein. Die Nocken sind um einen bestimmten Abstand zueinander versetzt. Die zu messende Kraft wird über die Nocken in den Messkörper ein- beziehungsweise aus dem Messkörper ausgeleitet. Vorzugsweise sind die Vorsprünge an der vorderen und/oder an der hinteren Stirnseite des Rings angeordnet. Dabei erweist es sich als besonders günstig, wenn die Vorsprünge am Beginn und am Ende eines jeweiligen Segments platziert sind.

Die zu messende Kraft wird über die Vorsprünge in den Ring eingeleitet. Dies bewirkt eine Durchbildung des Stegs auf dem der Sensor, beispielsweise ein Dehnungsmessstreifen, aufgebracht ist. Durch die Wahl des Abstands zwischen den Vorsprüngen kann Einfluss auf die Kennwerte genommen werden, also beispielsweise auf die maximal zu übertragende Kraft. Weiterhin können die Kennwerte beispielsweise die maximal zu übertragende Kraft durch das Einbringen von Nuten in verschiedenen Tiefen und Breiten variiert werden. Die Nuten sind vorzugsweise auf den Stirnseiten des Rings eingebracht. Sie können auf der krafteinleitenden Seite und/oder auf der kraftableitenden Sette platziert sein. Auch über die Steghöhe kann Einfluss auf die Kennwerte, beispielsweise die maximal zu übertragende Kraft, genommen werden. Dies hat zu Folge, dass man bei konstanter Bauhöhe unterschiedliche Kennwerte und somit unterschiedliche Messbereiche realisieren kann.

Zur Auswertung der Signale von den Sensoren, beispielsweise von den Dehnungsmessstreifen, kann eine Einheit zum Einsatz kommen, beispielsweise eine Steuer- und Regeleinheit beziehungsweise eine Auswerteeinheit. Bei dieser Auswerteeinheit kann es sich auch um eine Auswerteeinheit für Dehnungsmessstreifenvollbrücken handeln. Die erfindungsgemäße Konstruktion zeichnet sich durch eine äußerst geringe Bauhöhe auf. Somit ist es möglich eine kompakte Kreiselpumpe zu verwirklichen, die nur einen geringen Bauraum benötigt. Zudem erfasst die erfindungsgemäße Ausgestaltung zuver lässig alte Störungen, die auftreten können und gewährleistet gleichzeitig eine optimale Kompensation des Axialschubes. Wobei der Hauptaxialschub von der Entlastungseinrichtung aufgenommen wird und der Restaxialschub über den ringförmigen Körper an das Axiallager geleitet wird.

Die erfindungsgemäße Koi str ktion ermöglicht zudem eine große Variation des Messbereiches und dies bei konstanter Bauhöhe. Die Variation kann auf unterschiedliche Weise vorgenommen werden. Beispielsweise über die Anzahl der Messstellen. Weiter- hin kann über die Abstände der Vorsprünge, die Steghöhe zwischen der Verbindungen zwischen den Segmenten, der Messbereich beeinflusst werden. Große Abstände bezie- hungsweise eine kleine Steghöhe sind günstig für die Erfassung kleiner Kräfte. Kleine Abstände zwischen den Vorsprüngen beziehungsweise eine große Steghöhe sind ins- besondere zur Messung von großen Kräften geeignet. Zudem können Nuten einge- bracht werden. Das Einbringen von Nuten auf mindestens einer Stirnseite des Rings weist sich für die Erfassung von kleinen Kräften als günstig. Sollen große Kräfte aufgenommen werden, so kann auch auf die Nuten verzichtet werden.

Die Verbindungselemente zwischen den Segmenten, also die Stege, ermöglichen eine genaue Messung aufgrund eines recht homogenen Spannungsfeldes, was eine genaue Messung mit Dehnmessstreifen begünstigt.

Vorzugweise ist die Entlastungseinrichtung der Anordnung so ausgelegt, dass sich in allen Betriebszuständen einen Restschub ergibt, der in Richtung der Saugseite der Kreiselpumpe wirkt. Dabei ist der vorzugsweise kreisförmig ausgebildete Ring so di- mensioniert, dass er durch den Restschub elastisch verformt wird. Als besonders güns- tig erweist es sich, wenn die Federkonstante des Ringes eine solche Charakteristik besitzt, dass ausgehend von einer maximalen Spaltweite im Ruhestand der Kreiselpumpe sich der axiale Spalt unter Betriebsbedingungen auf eine minimale Weite schließt, bei weicher eine Berührung, der den axialen Spalt begrenzenden Flächen, noch vermieden wird. Die erfindungsgemäße Konstruktion kann beispielsweise bei einer Entlastungsein- richtung mit Doppelkolben oder mehrstufigen Kolben eingesetzt werden. Sie kann aber ebenso bei Entlastungsscheiben angewandt werden. Ais besonders günstig erweist es sich, wenn ein hydrodynamisches Lager zum Einsatz kommt. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Besch eibung von Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen und aus den Zeichnungen selbst.

Dabei zeigt:

Figur 1 einen Ausschnitt einer im Schnitt dargestellten mehrstufigen Kreiselpumpe,

Figur 2 einen Ausschnitt einer Kreiselpumpe mit einem sauseitig und druckseitig angeordneten kardanischen Ring,

Figur 3 eine schematische Darstellung einer Kreiselpumpe mit einer Einrichtung zur Verarbeitung von Signalen,

Figur 4 eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Rings,

Figur 5 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Rings.

Figur 1 zeigt eine Kreiselpumpe bei der in einem Gehäuse 1 eine Welle 2 gelagert ist. Die Welle 2 trägt mehrere Laufräder 3. In der Zeichnung gemäß Figur 1 sind exemplarisch zwei Laufräder 3 dargestellt. Auf der Welte 2 ist ein Doppelkolben 4 einer Entlastungseinrichtung befestigt. Der Doppelkolben 4 wird umgeben von einem Gehäuseteil 5. Zwischen dem Doppelkolben 4 und dem Gehäuseteil 5 sind zwei radiale Spalten 6 und 7 ausgebildet. Zwischen den radialen Spalten 6 und 7 befindet sich ein axialer Spalt 8. Der axiale Spalt 8 hat eine veränderliche Weite s.

An dem druckseitigen Ende der Kreiselpumpe wird die Welle 2 durch ein hydrodynamisches Axiallager 9 aufgenommen. Dem Axiallager 9 ist oin Ring 10 zugeordnet. Der Ring 10 ist als kardanischer Ring ausgebildet. Der Ring 10 dient beispielsweise dem Ausgleich von Fluchtungsfehlern, die bei der Montage einer mehrstufigen Kreiselpumpe auftreten. Der Ring 10 ist vorzugsweise so dimensioniert, dass er durch den in der Kreiselpumpe auftretenden, zur Saugseite hingerichteten Restschub elastisch verformt wird. Dabei ist die Federkonstante des Ringes 10 an die 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 durch die elastische Verformung des kardanischen Ringes 10 der Spalt 8 unter Be- triebsbedingungen bis auf eine Minimalweite geschlossen, bei welcher eine Berührung der den Spalt 8 begrenzenden Fläche des Doppelkoibens 4 und des Gehäuseteils 5 noch vermieden wird. Der axiale Spalt 8 besitzt eine selbstregelnde Funktion für die Entlastungseinrichtung.

Durch die Integration des Ringes 10 in eine geeignete Messvorrichtu iq werden frühzei- tig solche Kräfte erkennbar, die auf unzulässige hydraulische Zustände oder einen Lagerverschleiß hindeuten. Die während des Pumpenbetriebes erfolgten Verformungen des Ringes 10 werden mittels Sensoren erfasst und als Signal über eine Leitung 11 zu einer Einrichtung zur Signaiverarbeitung übermittelt. Die direkte mechanische Ankopplung des als Axialkraftaufnehmers wirkenden 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.

In Figur 2 wird beispielhaft eine Variante einer Axialkraft-Messvorrichtung dargestellt.

Eine solche Vorrichtung kann beispielsweise am druckseitigen Lagerträger 12 einer Hochdruck-Gliederpumpe angebracht sein. Die einzelnen Komponenten der Messvorrichtung werden von einem zylindrischen Gehäuse 13 aufgenommen. Bei der in Figur 2 dar gestellten Variante kommen zwei Ringe 14, 15 zum Einsatz.

Bei dieser Variante der Erfindung ermöglicht die Messung von Axialkräften in beiden Wirkungsrichtungen. Zur Stabilisierung des rotordynamischen Verhaltens können die kardanischen Ringe 14, 15 gegebenenfalls 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 Axialteller 18, welcher drehfest mit der Welle 2 verbunden ist. Der Axialteller 18 überträgt je Wirkungsrichtung des Axialschubs die Kraft auf eines von zwei Axialrillenkugellagern 19, 20, welche direkt an die kardanischen Ringe 14, 15 angekoppelt sind. Die kardanischen Ringe 14, 15 werden auf Durchbiegung beansprucht und stellen somit Federelemente in einer Kraftschlusskette dar. Unausgeglichene Restkräfte werden über einen Distanzring 16 oder eine Distanzbuchse 17 in das Gehäuse weitergeleitet. Durch jeweils einen Zylinderstift 21 werden die kardanischen Ringe 14, 15 gegen Verdrehen gesichert. Über Leitungen 22 und 23 wird der Verformungszustand in einer Einrichtung zur Signalverarbeitung übermittelt.

In der Figur 3 ist die Signalverarbeitung über die kardanischen Ringe 14, 15 an einer Hochdruck-Gliederpumpe 24 aufgenommenen Messsignale schematisch dargestellt. Erstes Glied der Axialkraftmesskette sind die mit - nicht in Figur 3 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 - in Figur 3 nicht dargestellte - DMS-Vollbrücken installiert, deren Ein- und io

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 weitergeieitet. Dieser wandelt das Signal in eine Ausgangsspannung von 0-10V um. Anschließend wird das Signal an eine Messwerterfassungskarte eines Computers 27 geleitet, wodurch die Darstellung und Weiterverarbeitung der aufgenommenen Messda- ten möglich ist.

Die in Figur 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 gegebenenfalls auch verzichtet werden, so z.B. auf den druckseitigen Ring 15. Anstelle zweier Axialrillenkugellager 19, 20 kann auch ein hydrodynamisches Axiallager verwendet werden.

Figur 4 zeigt exemplarisch einen Ring wie er beispielsweise in Figur 1 als Ring 10 ein- gesetzt wird oder in Figur 2 als Ring 14, 15. Der Ring ist in insgesamt fünf Segmente 28 aufgeteilt. Die fünf Kreissegmenten 28 sind mit Elementen 29 verbunden, die im Ausführungsbeispiel als Stege ausgebildet sind. Die Höhe der Stege 29 ist deutlich geringer als die Höhe der Kreissegmente 28. Jedes Kreissegment weist auf beiden Stirnseiten Vorsprünge 30 auf. Auf einer Seite werden die einzelnen Segmente 28 von den Vor- sprüngen 30 begrenzt. Auf der gegenüberliegenden Stirnseite sind die Vorsprünge 30 etwas eingerückt in die einzelnen Segmente angeordnet.

Figur 5 zeigt eine seitliche Ansicht eines Rings. Zwischen der einen Stirnseite und der gegenüberliegenden Stirnseite sind die Vorsprünge 30 um einen Abstand L versetzt zueinander angeordnet. Zudem erkennt man bei der Darstellung gemäß Figur 5, dass die Segmente 28 des Rings mit Nuten 31 versehen sind. Auf den Elementen 29, welche die Kreissegmente 30 verbinden, sind Sensoren 32 angeordnet, die im Ausführungsbeispiel als Dehnmessstreifen ausgebildet sind.