用于估计涡轮机的模块的磨损状态的方法、模块和涡轮机

摘要

本发明涉及一种评估流体机械的组件(1、11、111、112)、尤其是泵或涡轮的轴承布置(11、111、112)的磨损状态的方法，其中，为了确定磨损特性变量，借助于信号发生器(2)产生具有可预先限定的信号形状的机械查询信号(21)，并利用与组件(1、11、111、112)接触的传感器(3)检测从查询信号(21)产生的响应信号(31)。根据本发明，响应信号(31)根据特性模式依赖于组件(1、11、111、112)的物理操作变量的变化而改变，从响应信号(31)中的改变确定磨损特性变量，并利用磨损特性变量来评估磨损状态。此外，本发明还涉及一种具有信号发生器(2)和传感器(3)的流体机械的组件(1、11、111、112)，以及涉及一种具有这样的组件(1、11、111、112)的流体机械。

说明书

技术领域

根据独立权利要求1、11和15的前序部分，本发明涉及一种评估流体机械的组件的磨损状态的方法，尤其是评估泵或涡轮的轴承布置的磨损状态的方法，还涉及一种流体机械的组件以及涉及一种流体机械，尤其是泵或涡轮。

背景技术

轴承用于必须补偿在特定的方向上作用的力或必须防止物体在不想要的方向上的运动的任何地方。在诸如泵或涡轮的流体机械中，在具有旋转部件的组件中实质上使用两种轴承，即所谓的径向轴承和轴向轴承。

取决于子部件在操作中暴露于不同的、或多或少的强磨损机理的特定应用，通常用于流体机械的轴承在这方面常常是具有极其复杂设计的组件。这种情况适用于径向轴承，也适用于轴向轴承。

尤其地，但不是唯一地，机械密封件以及它们的单独部分因而是迟早会失效的磨损部分。在轴承或它们的部件（诸如密封件）的维修或替换成为必要之前，为了尽可能长地延迟所述失效并因而实现尽可能长的使用寿命，在现有技术中已知许多非常不同的措施，这些措施对于技术人员本身而言是非常熟悉的。

除用于承载径向力的径向轴承之外，其设计长期以来已从现有技术众所周知的所谓的轴向倾斜瓦块式轴向轴承同样经常用于承载轴向力，所述径向轴承在最简单的情况下可以简单地包括轴承座和能在其中旋转的轴，其中，轴经常但并不必须能够用轴密封件来密封，例如相对于外部大气密封。在这方面的一般设计原理规定，在通常为金属的承载体上以环形分组形式的多个轴承瓦块在倾斜瓦块式轴向轴承中绕轴承轴线布置，并且在操作状态下被作为润滑剂的循环流体淹没。轴承瓦块本身依赖于使用从而包括金属、塑料等，并且常常具有梯形平行六面体的形状，在其面对承载体的侧面上设置有倾斜元件，轴承瓦块被支撑在倾斜元件上。在轴承瓦块的远离承载体的侧面上设置有止推环，轴的轴向力通过所述止推环传递至轴承，由此，对应的压力负载作用于轴承瓦块。以下将参考图3a和图3b更加确切地说明该设计原理。

当止推环开始旋转时，流体的剪切发生在止推环与轴承瓦块之间，并且止推环在轴承瓦块上滑动。由于轴承瓦块被支撑在倾斜元件上，所以楔形流体动力润滑剂膜的形成导致每个轴承瓦块的倾斜，所述楔形流体动力润滑剂膜在轴向轴承布置的操作中是必需的组成部分。由于非常高的轴向力在这方面部分地作用，所以开始阶段和停止阶段对于例如泵中的倾斜瓦块式轴向轴承而言是特别关键的操作范围。在这些阶段，流体动力润滑剂膜尚未完全形成，使得止推环与轴承瓦块在大致无流体动力润滑的情况下相互直接接触，并且出现磨损。

轴承瓦块通常相对于承载体松动且离散地安装，以避免失准并使受流体动力润滑剂膜的形成影响的轴承瓦块的倾斜与旋转轴匹配。松动安装在这方面原理上被限制成：当轴不旋转时，轴承瓦块必须被保持在布置内，也就是说例如轴承瓦块相互通过柔性网连接，或者借助于紧固装置被紧固在承载体处的沟槽中。

依赖于现场环境，具有低粘度的流体在这方面被部分地用于例如水基润滑剂或油混合物。在该情况下，轴承瓦块的磨损不是恒定过程，但对轴承瓦块的损伤或破坏在高压负载下常常在几秒内出现。

在这方面，正如径向轴承一样，这样的轴承也自然总是附加地暴露于恒定的磨损，这最终具有的结果是，即使没有突发的灾难性效应，也必须修理或替换轴承或其部分。

总之，因而能够说，尤其地，旋转部件或与旋转部分接触的那些部件是迟早会失效的磨损部分。因此，这样的失效不会作为完全的意外出现，并因而引起对对应机器另外的部件的可能更坏的损伤，重要的是在这样的磨损部分的最终失效之前已获得有关对应组件的磨损状态的信息，使得早在最终失效之前已能可靠地评估磨损状态，并能采取预防措施。

先前从现有技术已知仅采取了很不充分的措施，以监测并评估流体机械的组件的磨损状态，例如在操作状态下的泵或涡轮的轴承或轴承密封件或轴承轴的磨损状态，或者还有操作状态下的倾斜瓦块式轴向轴承的磨损状态。

因而已知的是，例如通过径向轴承的密封件，在密封件处观察能提供对密封件或对应轴承的磨损状态的某种认识的泄漏流动。然而，经常同样根本不可能的是，在机器的操作期间监测该泄漏流动，或者通过观察泄漏流动获得的信息太模糊并且不确定，以致不能获得有关对应部件的磨损状态的可靠信息。

原理上还通过径向轴承和轴向轴承已知的是，例如监测所涉及的结构元件部件或轴承流体的温度，例如，与被监测的部分接触的油的温度，这些部分为了操作状态下的磨损而被监测。以上情况例如能利用热敏元件或利用电阻温度计来或多或少可靠地进行，并且原理上允许对感兴趣的组件的磨损状态的良好监测与评估。然而，由于温度传感器经常必须以复杂的方式定位在很难达到的部位，所以这些方法通常适合实验室目的和测试目的。此外，由这样的温度传感器产生的测量信号必须经由电线连接至对应的测量和评估仪器，使得前述温度传感器的使用在对于技术人员而言直接清楚的全面的正常操作状况下是不可能的。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种评估流体机械的组件的磨损状态的可靠方法，其避免了从现有技术已知的问题，并且对于日常操作而言，其还尤其适合在全面的正常操作状况下和/或也在实验室外的领域中的使用。此外，本发明的目的是提出一种流体机械的对应改进的组件以及具有这样的改进组件的流体机械，尤其是泵或涡轮。方法和设备应尤其地由本发明提供，使得在诸如具有安装在深海中的泵那样的极端操作状况下也可能具有对磨损状态的可靠监测。

满足该目的的本发明的主题以独立权利要求1、11和15的特征部分为特征。

从属权利要求涉及本发明的特别有利的实施例。

本发明涉及一种评估流体机械的组件的磨损状态的方法，尤其是评估泵或涡轮的轴承布置的磨损状态的方法，其中，为了确定磨损特性，借助于信号发生器产生具有可预先限定的信号形状的机械查询信号，并利用与组件接触的传感器检测从查询信号产生的响应信号。根据本发明，响应信号根据特性模式依赖于组件的物理操作值的变化而变化，从响应信号中的变化来确定磨损特性，并利用磨损特性来评估磨损状态。

根据本发明，组件的磨损状态因而不是如从现有技术已知的那样来评估，例如利用诸如热敏元件或电阻温度计之类的传统温度传感器来评估。而是使用信号发生器，所述信号发生器产生机械查询信号，由所述机械查询信号产生响应信号，其中，响应信号依赖于组件的磨损状态在特性方式中被改变。响应信号于是由传感器检测，使得最终能从响应信号在与查询信号的比较中显示出的特性模式变化来确定磨损特性，因而能评估组件或其部件或子部件的磨损状态。

根据本发明使用的传感器的特定示例本身根据术语SAW传感器(表面声波传感器)同样为技术人员所已知。这样的传感器优选地基于压电或压阻材料制成，所述压电或压阻材料如为技术人员充分所知地，由于其特定的结晶结构而能在诸如拉伸、压缩、压力、力、扭矩等的机械应变的影响下产生对应的电信号。也就是说，压电晶体经受的机械应变例如改变其电极化作用或其电荷转移。相反地，对晶体施加的电场在所述晶体中引起机械扭曲和/或偏转。

由于这些特性，所以压电材料通过合适的校准还间接地适合温度测量或适合确定温度变化。由压电材料构成的这样的SAW传感器的巨大优势尤其在于的事实是，它们能构造成相当小，常常在几毫米甚至更小的尺寸。由于压电效应最终是由于晶体点阵中的极化现象引起的，所以这样的传感器模块能利用最少的电能操作和读出，这是由于主要效应、即晶体中通过机械电压的施加所致的极化或电荷转移中的变化或在外部电场的施加时的晶体点阵的膨胀现象，在几乎不需要电流的情况下发生，并因而几乎不消耗电能。

因此，能经由合适的天线借助于电磁波无线地控制和操作这样的传感器模块，并再次经由天线无线地读出它们。以上情况具有的巨大优势是，这样的传感器不一定必须是有线的，并且因而能完全没有问题地安装到旋转部件中。自然，传感器模块在特殊的情况下还能是有线的。

在这方面，这样的传感器模块同时是结实的，具有极其长的使用寿命，而且可从多个制造商以非常优惠的价格直接商购。

对操作状态下的温度或温度的时间变化的监测已证明是特别可靠的参数，所述监测易于操作，以便用于评估流体机械的组件的磨损状态，尤其是用于评估轴承布置的磨损状态或用于评估尤其是诸如在轴承布置处的密封件的部件或子部件的磨损状态。自然，还为本发明所包括的组件部件的另外的突出示例例如是滑动环密封件、密封间隙及为技术人员所知的其他部件或子部件，它们有磨损的风险并因此必须被监测。

也就是说，如果在组件中的合适的点处优选依赖于时间地来监测温度，那么例如在轴承处或者在轴承的密封件处或者在轴承的其他部件或子部件处缓慢形成的损伤一方面能在非常早的时间被识别并监测。如果这样的温度曲线被关于相对特性合适地校准，则轴承的修理或替换例如能在对应部件最终失效之前非常早的时间点进行。然而，非常自发的、可能灾难性的损伤实际上同样能在其出现时被直接检测到，使得在更坏的附加损伤可能在对应的机器处发生之前，所述对应的机器例如能立即关闭，或者能降低其功率。

在这方面，技术人员容易理解的是，该监测尤其还能通过所使用的传感器单元的自动读出而容易被自动化，使得例如当必需要维修或修理时，能触发对应的消息，或者在最坏的情况下，自然还能自动启动紧急停机等。

在这方面，还能通过将多个传感器单元定位在组件处或组件中的不同位置处来没有问题地同时并且相互独立地监测不同的部件或子部件，由此，还能非常可靠地定位引起关注的可能出现的故障或磨损事件，使得最终能显著降低维修和修理成本，这是由于故障或磨损事件的位置例如能由对应的程序控制的机器自动地确定，并能被通知给维护组，并且甚至故障或磨损的程度也能被通知给维护组，使得能为了故障处理在没有任何不必要的时间损失的情况下立即采取正确的必要措施。

因而，还可能利用对应的网络技术、甚至通过中央维修中心在线舒适地监测容纳在一台或多台机器中非常难以达到的部位的组件，所述一台或多台机器安装在例如深海的非常难以达到的部位。

在对于实践尤为重要的根据本发明的方法的实施例中，信号发生器和传感器被集成在传感器模块中，由此，能特别容易地使信号发生器与传感器一起占用的总空间最小，使得总的传感器模块能以特别节省空间的方式被安装，并且还被非常简单地安装在待被监测的组件处。

还可能的是，信号发生器还被附加地、即同时地、用作用于响应信号的检测的传感器，这允许传感器模块的进一步小型化。以下将参考图1b进一步详细地描述这样的传感器模块的特定实施例。

如上所述，在这方面，查询信号特别优选地例如经由合适载波频率的无线电由合适的信号源来无线地传输，其中自然地，响应信号同样能够对应地无线传输至用于磨损状态的评估和确定的评估单元。

如以上已进一步详细描述地，信号发生器和/或传感器和/或传感器模块至少部分地由合适的压电或压阻材料制成，尤其地由压电或压阻单晶体制成。

在这方面，由传感器模块监测并由其最终得到能识别磨损状态的磨损特性的物理操作值能够是任何合适的物理值，所述任何合适的物理值与磨损状态相关，尤其与压力、力、扭矩、流体介质的流量相关，非常特别地优选与温度相关，和/或与这些值的空间或时间分布相关。

尤其地，但不是唯一地，当待被观察的组件是轴承的部件或子部件时，信号发生器和/或传感器和/或传感器模块能特别有利地设置在组件的旋转部件或子部件中和/或设置在组件的固定部件或子部件处。

根据本发明的方法在这方面通常适合评估流体机械的任何组件的磨损状态，但在实践中非常特别有利地用于评估流体机械的轴承布置的磨损状态，其中，轴承布置特别优选地是包括布置在固定轴承中的可旋转轴的机械轴轴承，或者还能够是包括布置在承载体中的倾斜元件并具有多个瓦块体的倾斜瓦块式轴向轴承。

同样如已提及地，磨损状态的监测与评估还能被部分地或完全地自动化，使得能利用响应信号对应地控制和/或调整流体机械。

本发明还涉及一种流体机械的组件，尤其涉及一种泵或涡轮的轴承布置，采用所述组件，能实现本发明的方法。在这方面，用于产生机械查询信号的信号发生器以及与组件接触用于检测由查询信号产生的响应信号的传感器被设置成用于确定磨损特性，使得能从响应信号中的变化确定磨损特性，并且能利用磨损特性评估磨损状态。

在根据本发明的组件中，信号发生器和/或传感器和/或传感器模块优选地、但不必需地被设置在组件的旋转子部件中和/或设置在固定子部件中，其中，组件在实践中经常是以包括布置在固定轴承座中的可旋转轴的机械轴轴承的形式的轴承布置，其中，信号发生器和/或传感器和/或传感器模块例如设置在可旋转的轴处和/或设置在固定轴承座的轴承部件处。

在另一优选实施例中，组件是以包括布置在承载体中的轴承瓦块的倾斜瓦块式轴向轴承的形式的轴承布置，其中，信号发生器和/或传感器和/或传感器模块设置在承载体处和/或设置在倾斜元件处和/或设置在倾斜元件的瓦块体处。

本发明此外还涉及一种流体机械，尤其地涉及一种泵或涡轮，其具有根据本发明的组件，使得尤其在操作状态下能根据本发明的方法评估流体机械的组件的磨损状态。

附图说明

将在下文中参考附图更详细地说明本发明。在示意图示中示出的是：

图1a是用于实现根据本发明的方法的传感器模块的简单示意性实施例；

图1b是无线耦连的传感器模块的实施例；

图2是根据本发明的机械轴轴承；

图3a是根据本发明的倾斜瓦块式轴向轴承；以及

图3b是图3a的倾斜瓦块式轴向轴承的承载体。

具体实施方式

将参考用于图示适合本发明的传感器模块的功能原理的图1a和图1b来简要地说明传感器模块的相应简单的示意性实施例。

根据图1a和图1b的分别用于实现根据本发明的方法的传感器模块同样是从现有技术已知的，例如根据关键词SAW传感器(表面声波传感器)，并且同样也不直接是本发明的主题。

根据图1a的非常简单并且高度示意性图示的实施例的传感器模块S包括信号发生器2，所述信号发生器2在压电基础上操作，并且其在操作状态下产生以在传感器模块S上具有可预先限定的信号形状的机械表面声波的形式的机械查询信号21。压电信号发生器2在这方面由信号源200供给以对应的电信号或电磁信号。查询信号21在传感器模块S的表面F上作为机械表面声波传播至传感器3。例如，传感器模块S由于温度变化引起的热膨胀而经历小的长度变化，这对传感器模块S有影响，因为摩擦在传感器模块S被附接至的轴承布置11、111、112中例如由于磨损而增大。以上情况具有的结果是，传感器模块S不再与查询信号的表面声波机械共振地协调，由此，经由压电效应或逆压电效应由传感器3产生的响应信号31根据取决于机械失调的类型和程度的特性模式相对于查询信号21改变。响应信号31由传感器3供应至评估单元300，于是能通过所述评估单元300可能在预先进行的校准测量的帮助下从响应信号31的变化确定磨损特性，并且能利用磨损特性评估磨损状态。

图1b示出了其中信号发生器2同时作为传感器3操作的传感器模块S的实施例。

在图1b的示例中，查询信号21经由以振荡电磁波的形式的无线电连接被无线地供给到传感器模块S的天线T中，并供应至压电信号发生器2。压电信号发生器2经由压电效应或逆压电效应产生机械表面声波，所述机械表面声波在传感器模块S的表面F上传播，在反射中心RZ处被至少部分地反射并因而被反射回信号发射器2，其中，信号发生器2在利用压电效应或逆压电效应的同时现在作为传感器3工作，并将响应信号31再供给到天线T中，所述天线T将以特性方式改变的响应信号31无线地传达至评估单元，接着在所述评估单元中能确定或评估磨损状态。

以上仅简要概述的SAW传感器的基本操作在所有其不同的变体中都为技术人员所熟知，并且还能在相关的技术文献中甚至更详细地查阅。

图2在非常示意性的图示中示出了本身作为轴承布置11已知的组件1，所述轴承布置11在此以根据本发明的机械轴轴承111的形式设计，并且作为示例在所述轴承布置11中设置有两个传感器模块S。传感器模块S中的一个传感器模块S在这方面设置在静止的非旋转的轴承座1111中，然而，第二传感器模块S定位在轴1112中，轴1112在操作状态下绕轴线A旋转。尤其地，通过根据图2的两个或者甚至更多个传感器模块S的使用，可以具有对磨损状态的特别可靠的确定，并且还能可靠地且及时地检测出发生磨损现象的位置，如以上已详细描述地，所述两个或者甚至更多个传感器模块S优选同时设置在组件1的不同位置处，在旋转部件中和在非旋转部件中。

图3a最终示出了根据关于流体机械的本发明的倾斜瓦块式轴向轴承112，所述流体机械在此具体地是泵。倾斜瓦块式轴向轴承112与从现有技术已知的倾斜瓦块式轴向轴承的实质上不同之处在于，在这里示出的倾斜瓦块式轴向轴承112中，传感器模块S设置在倾斜瓦块式轴承112的静止部件和旋转部件处。

图3a的倾斜瓦块式轴向轴承112包括具有倾斜元件1121的承载体1122。总共两个承载体1122围绕泵轴1112同轴地设置在泵轴1112处，所述泵轴1112在操作状态下绕轴线A旋转，使得倾斜元件1121或设置在倾斜元件1121上的两个承载体1122的瓦块体1123相互相对。将轴向压力负载以本身已知的方式传递至瓦块体1123的止推环SP布置在两个承载体1122之间。

图3b为了说明而稍微更确切详细地示出了根据图3a的倾斜瓦块式轴向轴承112的两个承载体1122中的一个承载体1122。瓦块体1123借助于紧固装置B（例如借助于螺母）被可移动地保持在承载体1122处，所述紧固装置B在瓦块体1123的外边缘处将瓦块体1123保持在沟槽N中。

根据本发明，在图3a和图3b的特定的实施例中，提供多个传感器模块S，正如能够容易认识到的那样，所述多个传感器模块S设置在操作状态下旋转的泵轴1112处并设置在止推环SP处，并且在本示例中甚至附加地以相同的间隔设置在三个瓦块体1123处，使得出现的磨损现象能理想并及时地确定，并且还能在倾斜瓦块式轴承112中被定位。在这方面，传感器模块S优选地、但不一定加工到对应的部件中，例如设置在对应的切口中或者例如还模制到部件的材料中，使得传感器模块S在操作状态下不妨碍所涉及的部件的相互作用。

应理解的是，在该申请的框架内描述的本发明的所有实施例仅被理解为示例或作为示例，并且本发明尤其地、但不是唯一地包括被描述的实施例的所有合适的组合、以及在无任何另外的发明工作的情况下同样对技术人员容易地显而易见的本发明的另外的简单改进。