Leckagedetektion bei Wellendichtungen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion einer Leckage bei einer Wellendichtung mit einer Messeinrichtung, die austretendes Fluid detektiert. Wellendichtungen verhindern bei Kreiselpumpen den Austritt von Förderfluid an der Durchführung der rotierenden Welle aus dem feststehenden Gehäuse. Häufig werden dazu Gleitringdichtungen eingesetzt. Dabei handelt es sich um dynamische Berührungsdichtungen, bei denen Dichtflächen aufeinander gleiten. Zwischen den Flächen befindet sich der Dichtspalt mit einem meist flüssigen Schmierfilm. Der Dichtspalt ver- läuft meist rechtwinklig zur Wellenachse.

Bei Kreiselpumpen mit Gleitringdichtungen sind Dichtungsschäden eine häufige Ausfallursache. Um größere Schäden zu vermeiden, muss eine auftretende Leckage frühzeitig erkannt werden. Häufig geschieht dies auch heute noch aufgrund visueller Erfas- sung durch das Instandhaitungspersonal. Dadurch werden Schäden erst dann erkannt, wenn bereits erhebliche Leckagemengen ausgetreten sind.

In der US 2003/0015840 A1 wird eine Dichtung mit einem Leckagedetektor beschrieben. Dabei wird das austretende Fluid in einem Behältnis gesammelt. Überschreitet der Füllstand in dem Behältnis einen Grenzwert, wird dies von einer Messeinrichtung er- fasst. Ein Sensor ragt in das Behältnis hinein und ermittelt den Brechungsindex des ihn umgebenden Mediums. Der Brechungsindex hat für jedes Medium einen spezifischen Wert. Liegt der Füllstand unterhalb des Grenzwertes wird vom Sensor der Brechungsindex von Luft detektiert. Überschreitet der Füllstand den Grenzwert misst der Sensor den Brechungsindex des Fluids. Nachteilig bei dieser Methode zur Leckagedetektion ist die Anfälligkeit gegenüber aggressiven oder auskristallierenden Fluiden, welche den Behälter bzw. den Sensor beschädigen bzw. zusetzen können.

In der EP 1 625 375 B1 wird eine Überwachungseinrichtung zur Detektion einer Leckage beschrieben, bei der in einem rinnenartigen Rohr austretendes Fluid gesammelt und mittels eines kapazitiven Sensors die Höhe des Füllstandes in dem Rohr erfasst wird.

Die DE 103 14 923 B4 beschreibt eine Anordnung zur Abdichtung einer Welle mit einer Einrichtung zur Erfassung einer Leckage. Dabei wird austretendes Fluid von einem saugfähigen Vliesstoff aufgenommen, der in der Schrift als„Depot" bezeichnet wird. Das Depot wird von einem Sensor überwacht. Die Leckage verteilt sich zunächst gleichmäßig in dem Vliesstoff. Dies führt zu einer verzögerten Detektion.

Vor diesem technologischen Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Detektion und quantitativen Erfassung einer Leckage bei Wellendichtungen anzugeben, die bereits geringste Mengen an austretendem Fluid zuverlässig mittels einer Messeinrichtung erfasst. Dadurch sollen frühzeitig Verschieißerscheinun- gen an den Wellendichtungen erkannt werden, um Folgeschäden durch den Austritt von größeren Fluidmengen zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass an einer Wellendurchfüh- rung ein Bauteil angeordnet ist, das austretendes Fluid zu einer Stelle führt, an der sich Tropfen bilden, wobei die Tropfen in einer Fallstrecke von der Messeinrichtung erfasst werden.

Bei herkömmlichen Systemen zur Leckagedetektion sammelt sich austretendes Fluid an einer Steile. Erst die Ansammlung einer gewissen Fluidmenge wird detektiert. Dagegen findet bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine gezielte Tropfenbildung durch ein eigenständiges Bauteil statt, das an der Wellendurchführung angeordnet ist. Durch die Erfassung der Tropfen in einer Fallstrecke mittels einer Messeinrichtung werden auch geringste Leckagemengen detektiert. Dadurch und/oder durch eine Trendbewertung der Tropfenrate können Verschleißerscheinungen an der Wellendichtung frühzeitig erkannt und behoben werden, sodass größere Schäden an der Kreiselpumpe vermie- 5 den werden.

Das Bauteil ist unmittelbar an dem Gehäuseteil angeordnet, durch das die Welle geführt wird. Eine spaltfreie Abdichtung zwischen dem Gehäuseteil und dem Bauteil wird mittels eines Dichtelements gewährleistet. Ais vorteilhaft erweist sich dabei der Einsatz 10 einer Dichtscheibe, welche die Welle umgibt und zwischen dem Bauteil und dem Gehäuseteil angeordnet ist, wobei sich insbesondere eine Acryldichtscheibe als günstig erwiesen hat.

Das Bauteil ist feststehend und wird mittels Befestigungsmitteln, vorzugsweise mit Hilfe 15 von Schrauben, an dem Gehäuseteil fixiert, durch das die Welle geführt wird.

Das Bauteil ist so konstruiert, dass es an der Wellendurchführung austretendes Fluid gezielt ableitet. Vorzugsweise umschließt das Bauteil die Welle teilweise oder vollständig. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung besteht das Bauteil aus zwei Seg- 20 menten, die jeweils mittig eine halbkreisförmige Aussparung haben. Ein Segment umschließt die Welle von oben; das andere Segment umschließt die Welle von unten. Beide Segmente sind mittels Befestigungsmitteln, beispielsweise Schrauben, zu einer Ein- :. heit verbunden.

25 Das Bauteil ist so konstruiert, dass es das Fluid zu einer Steile führt, an der sich Tropfen bilden. Dazu weist das Bauteil im Bereich unterhalb der Welle einen trichterartigen Bereich auf, zu dem das Fluid aufgrund der Schwerkraft geleitet wird. Am Ende des trichterförmigen Bereichs gelangt das Fluid zu einer Kante, an der sich Tropfen bilden, illle

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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung springt das Bauteil am Ü- bergang der Kante zur Falistrecke zurück. Das Fluid rinnt den trichterartigen Bereich bis zur Kante hinab, an der durch den Materialrücksprung eine Tropfenbildung erzwungen wird.

Vorzugsweise ist auch die Fallstrecke innerhalb des Bauteils angeordnet. Dabei wird die Falistrecke von einem Hohlraum innerhalb des Bauteils gebildet. Der Hohlraum schließt sich unmittelbar an die Kante an, an der sich die Tropfen bilden. Dadurch werden Luftströmungen abgeschirmt, die den Tropfen im freien Fall seitlich wegtreiben könnten.

Die Tropfen werden von einer Messeinrichtung detektiert, die einen Sender und einen Empfänger umfasst. Vorzugsweise ist die Messeinrichtung als Lichtschranke ausgeführt. Die Lichtschranke wird so positioniert, dass alle herabfallenden Tropfen die Lichtstrecke zwischen dem Sender und Empfänger durchqueren. Vorzugsweise passieren die Tropfen die Lichtstrecke mittig.

Bei der Lichtschranke handelt es sich um ein System, bei dem ein Sender elektromagnetische Strahlung emittiert, deren Wellenlängenbereich vorzugsweise innerhalb des Spektrums vom sichtbaren Licht liegt. Alternativ kann aber auch Infrarotstrahlung oder Licht im nicht sichtbaren UV-Bereich ausgesandt werden. Vorzugsweise wird als Sender eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode eingesetzt. Als Empfänger wird beispielsweise ein Fototransistor oder eine Fotodiode eingesetzt, welche die vom Lichtsender emittierte Strahlung detektiert. Vorzugsweise sind Sender und Empfänger innerhalb des Bauteils mit einer optischen Ausrichtung zueinander angeordnet. Kreuzt ein Tropfen den Strahl zwischen Sender und Empfänger, erfolgt eine Verringerung der detektierten Lichtenergie. Dafür sind folgende Effekte verantwortlich:

eine Linsenwirkung des Tropfens, die zu einer Strahlaufweitung führt,

eine partielle Reflexion am Tropfen,

eine Absorbtion der Strahlung im Tropfen.

Die vom Empfänger detektierten Signale werden mittels Steuereinrichtung ausgewertet. Der Begriff Steuereinrichtung wird für Vorrichtungen verwendet, welche nur der Auswer tung von Signalen dienen, als auch für Vorrichtungen weiche zusätzlich oder alternati Größen variieren. Bei der Steuereinrichtung kann es sich um eine in die Messeinrichtung integrierte oder um eine separate Vorrichtung handeln. Es können beispielsweise auch eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) oder eine Mikrocontrollerschai- tung als Steuereinrichtung eingesetzt werden.

Für eine kurze Zeitspanne, während sich der Tropfen zwischen Sender und Empfänger befindet, nimmt die vom Empfänger detektierte Signalstärke stark ab. Dabei wird ein in der Steuereinrichtung hinterlegter Grenzwert der Signalstärke unterschritten. Bei Unter- schreitung dieses Grenzwertes registriert die Steuereinrichtung einen Tropfen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur Detektion von Leckage bei Wellendichtungen, insbesondere von Gleitringdichtungen, wie sie bei Kreiselpumpen eingesetzt werden. Da diese auch in Industrieanlagen mit einer erhöhten Konzentration an Schmutz- partikeln eingesetzt werden, kann die am Empfänger detektierte Signaistärke mit zunehmender Betriebsdauer aufgrund von Verschmutzungserscheinungen abnehmen. Weiterhin beeinflussen Temperaturschwankungen und Abnutzungserscheinungen am Sender oder Empfänger die Messungen. Bei Unterschreitung eines Grenzwertes der Signalstärke wird ein Tropfen registriert. Dabei wird bei einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung der Grenzwert an eine schrittweise Abnahme des vom Empfänger detektierten Signais, insbesondere aufgrund von fortschreitenden Verschmutzungs- und/oder Abnutzungserscheinungen, angepasst. Durch diese Anpassung des Grenzwertes rechnet die Steuereinrichtung eine schleichende Verschmutzung heraus.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung werden die vom Sender emittierten Signale von der Steuereinrichtung variiert. Vorzugsweise emittiert der Sender gepulste Signale. Dadurch kann die Störempfindiichkeit verringert werden.

Als besonders günstig erweist es sich, wenn die vom Sender emittierten Signale mit zunehmender Verschmutzung erhöht werden und/oder die Verstärkung des Empfangs- Signals erhöht wird. Durch diese Autoadaption wird eine schleichende Verschmutzung ausgeglichen, so dass das am Empfänger detektierte Signal unabhängig von dem Verschmutzungsgrad konstant bleibt. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung haben Sender und Empfänger eine für die Tropfengröße optimierte optische Blende. Die Blende wird so gewählt, dass die Apertur von Sender- und Empfangsöffnung kleiner ist als die vertikale Tropfenhöhe sowie die horizontale Tropfendicke. Als Apertur bezeichnet man die freie Öffnung oder deren Durchmesser, durch welche Strahlen ausgesandt bzw. empfangen werden.

Weitere Merkmaie und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, anhand von Zeichnungen und aus den Zeichnungen selbst. Dabei zeigt eine Schnittdarstellung einer Kreiselpumpe mit einer Gleitringdichtung, eine vergrößerte Darstellung des Bereichs der Kreiselpumpe, in dem das Bauteil zur Leckagedetektion angeordnet ist, eine perspektivische Darstellung eines Bauteils zur Leckagedetektion, eine perspektivische Schnittdarstellung eines Bauteils zur Leckagedetektion, eine schematische Darstellung einer Messeinrichtung zum Zeitpunkt vor Erfassung eines Tropfens, eine schematische Darstellung einer Messeinrichtung zum Zeitpunkt während Erfassung eines Tropfens, Fig. 7 Diagramme zur Auswertung der Signale.

Fig. 1 zeigt eine Kreiselpumpe mit einem Laufrad 1 , das von einer Welle 2 angetrieben wird. Die Welle 2 wird von einem hier nicht dargestellten Motor in Rotation versetzt. Das Laufrad 1 ist von einem Gehäuse 4 umgeben. Das Gehäuse 4 weist einen Saugstutzen 5 auf. Gegenüber dem Saugstutzen 5 ist ein Gehäuseteil 6 angeordnet durch das die Welle 2 geführt wird. Bei dem Gehäuseteil 6 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um einen Gehäusedeckel. Dabei sorgt eine Wellendichtung 7 für die Abdichtung der Wellendurchführung 8. In Fig. 1 ist die Wellendichtung 7 als Gleitringdichtung ausgeführt. Die Wellendichtung 7 befindet sich an der Innenseite des Gehäuseteils 6. An der Außenseite des Gehäuseteils 6 ist an der Weilendurchführung 8 ein Bauteil 9 angeordnet. Das Bauteil 9 wird von der Laterne des Lagerträgers 10 umgeben, im Ausführungsbeispiel wird die Welle 2 mittels Radiallager 11 an der Lagerlaterne 10 abgestützt.

Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Bereichs der Wellendurchführung 8, an der das Bauteil 9 platziert ist. Die Welle 2 wird durch das Gehäuseteil 6 geführt. Das Bauteil 9 ist dabei, wie in Fig. 1 , nur schematisch dargestellt. Eine Acryldichtscheibe sorgt für eine spaltfreie Abdichtung zwischen dem Gehäuseteil 6 und dem Bauteil 9. Das Bauteil 9 ist feststehend. Das Bauteil 9 ist mittels zweier Schrauben am Gehäuseteil 6 befestigt.

Während des Betriebs gleiten Dichtflächen der Wellendichtung 7 aufeinander, die durch hydraulische oder mechanische Kräfte aufeinander gedrückt werden. Während des Betriebs kann es zu Verschleißerscheinungen und Schädigungen kommen, so dass Fluid an der Wellendurchführung 8 austritt. Dabei gelangt das Fluid bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung in das Bauteil 9.

Die Figuren 3 und 4 zeigen eine perspektivische Darstellung des Bauteils 9, wobei in Fig. 4 eine vertikal geschnittene Darstellung des Bauteils 9 gezeigt ist.

Das Bauteil 9 weist eine kreisrunde Öffnung 12 auf, welche die Welle 2 umgibt. Das austretende Fluid rinnt aufgrund der Schwerkraft einen trichterartigen Bereich 13 inner- halb des Bauteils 9 hinab. An einer Stelle 14 bilden sich Tropfen, die in einer Fallstrecke 15 von einer Messeinrichtung 16 erfasst werden. Die Messeinrichtung 16 ist in den Figuren 5 und 6 dargestellt. Die Figuren 3 und 4 zeigen die Richtung eines von der Messeinrichtung 16 ausgesendeten Signals als Strich-Punkt Linie. Im Ausführungsbeispiel wird von der Strich-Punkt Linie ein Lichtstrahl angedeutet. Durchquert ein Tropfen den Lichtstrahl, so wird er vom Lichtempfänger registriert.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können durch die gezielte Tropfenbildung auch kleine Mengen an austretendem Fluid detektiert werden. Die Tropfenbildung erfolgt an der Stelle 14. Die Stelle 14 ist im Ausführungsbeispiel eine Kante. Die Kante bildet den Übergang des trichterartigen Bereichs 13 zu der Fallstrecke 15. Die Fallstrecke 15 ist als Hohlraum in dem Bauteil 9 ausgebildet. Das Fluid rinnt den trichterartigen Bereich 13 bis zur Kante hinab, an der durch den Materialrücksprung eine Tropfenbildung erzwungen wird.

Fig. 3 zeigt, dass das Bauteil 9 aus einem unteren Segment 17 und einem oberen Segment 18 besteht. Beide Segmente 17, 18 weisen eine halbkreisförmige Aussparung auf. Nach Zusammensetzen der beiden Segmente 17, 18 bildet sich die kreisrunde Öffnung 12, welche die Welle 2 umschließt. Die beiden Segmente 17, 18 werden mittels zweier Schrauben an den Stellen 19, 20 zu einer Einheit verbunden. Das Bauteil 9 selbst wird seinerseits über zwei Schrauben an den Stellen 21 , 22 an dem Gehäuseteil 6 befestigt, durch das die Welle 2 geführt wird.

Die Figuren 5 und 6 zeigen eine schematische Darstellung der Messeinrichtung 16, welche die Tropfen erfasst. Die Messeinrichtung 16 besteht aus einem Sender 23 und einem Empfänger 24. Im Ausführungsbeispiel ist die Messeinrichtung 16 als Lichtschranke ausgeführt. Kreuzt ein Flüssigkeitstropfen den Lichtstrahl zwischen Sender 23 und Empfänger 24, so nimmt die Signaistärke ab, die am Empfänger 24 detektiert wird. Sender 23 und Empfänger 24 sind vorzugsweise in dem Bauteil 9, an einander gegenüberliegenden Seiten der Fallstrecke 15, angeordnet. Der Sender 23 emittiert gepulste Signale. Der Tropfen passiert die Lichtstrecke zwischen Sender 23 und Empfänger 24 nahezu mittig.

Der Abstand zwischen der Stelle 14, an der sich die Tropfen bilden und der Lichtstrecke sollte möglichst gering sein. Vorzugsweise wird der Abstand so gewählt, dass der Tropfen noch nicht seine maximale Sinkgeschwindigkeit erreicht hat und somit die Verweilzeit der Tropfen im Lichtstrahl möglichst groß ist. Dadurch wird die Zuverlässigkeit der Tropfenerfassung verbessert. Fig. 7 zeigt zwei Diagramme zur Auswertung der Signale. Im oberen Diagramm ist als durchgezogene Linie die am Empfänger detektierte Signalstärke E über der Zeit t aufgetragen. Im Ausführungsbeispiel ist die Signalstärke die Intensität der detektierten Lichtstrahlen. Tritt ein Tropfen zwischen Sender 23 und Empfänger 24 nimmt die Signalstärke E steil ab und unterschreitet einen Grenzwert, der im Diagramm als gestri- chelte Linie dargestellt ist. Nachdem der Tropfen die Lichtstrecke passiert hat, nimmt die Signalstärke E wieder zu und erreicht ungefähr wieder ihren ursprünglichen Wert.

Eine Steuereinrichtung, welche die Signale der Messeinrichtung 16 auswertet, registriert die Unterschreitung des Grenzwertes und gibt ein elektrisches Ausgangssignal A, entsprechend dem unteren Diagramm, ab.

Um zufällige Störereignisse auszuschließen, muss die Zeitspanne Λ t _Er eignis. während der die Signalstärke E den Grenzwert unterschreitet, größer sein als eine in der Steuereinrichtung hinterlegte Zeitspanne Δ t _m j _n .

Die durchgezogene Linie im oberen Diagramm zeigt, dass die Signalstärke E mit zunehmender Betriebsdauer aufgrund von Verschmutzungserscheinungen stetig abnimmt. Der Verschmutzungsvorgang ist ein relativ langsamer Prozess, der üblicherweise über Monate erfolgt. Dagegen bewirkt eine Signaländerung durch einen Tropfen eine kurzfristige, deutliche Änderung der Signalstärke. Im Aüsführungsbeispiel führt die Steuereinrichtung eine Autoadaption des Grenzwertes durch Dabei passt die Steuereinrichtung den Grenzwert an die schrittweise Abnahme des detektierten Signals an. Bei dieser Anpassung bleibt der Abstand zwischen Signalstärke und Grenzwert Δ E konstant.