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Hydraulisches Axialspielmeßgerät Die Erfindung betrifft ein hydraulisches
Axialspielmeßgerät mit Sicherheitsauslösevorrichtung für die berührungslose Messung
des Axialspiels rotierender Maschinenläufer.
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An Maschinen mit hoher Umlaufzahl, z. B. Dampf-und Gasturbinen, Verdichter,
Pumpen, bei denen ein axialer Schub durch ein Drucklager aufgenommen wird, kann
bei Versagen des letzteren und der daraus folgenden Wanderung des Läufers beträchtlicher
Schaden angerichtet werden. Deshalb sind eine Kontrolle der Wanderung des Läufers
und eine Sicherung gegen darauffolgende Schäden sehr wichtig.
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Die Erfindung geht von einem bekannten Axialspielmeßgerät aus, bei
dem ein mit einer Ausflußmündung für Drucköl versehener Fühler selbsttätig in konstantem
Abstand von der Stirnfläche eines Wellenflansches od. dgl. gehalten werden soll
und so den zu überwachenden Axialbewegungen der Welle nachfolgt, ohne daß metallische
Berührung und Abnutzung zwischen Fühler und Welle auftreten kann. Die selbsttätige
Nachführung des Fühlers wird dadurch erreicht, daß die axial verschiebbar gelagerte
Ausflußmündung über eine Hebelübersetzung mit einem Differentialkolben verbunden
ist, der mit einer Durchflußöffnung versehen ist und von einer Seite mit Drucköl
beaufschlagt wird, während die andere Seite über eine Leitung an die axial verschiebbare
Ausflußmündung angeschlossen ist. Bei andauerndem Öldurchfluß vom Differentialkolben
zur Ausflußmündung stellt diese Anordnung einen hydraulisch-mechanischen Regelkreis
dar, der einem solchen Zustand zustrebt, bei dem der Differentialkolben unter dem
Einfluß entgegengesetzt gleicher Druckkräfte in Ruhe verharrt.
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Zwar ist mit dem bekannten Gerät ein erfolgversprechender Weg zur
berührungslosen Axialspielmessung schnellaufender Maschinen beschritten worden,
jedoch bleiben noch verschiedene Nachteile, zum Teil grundsätzlicher Art, bestehen.
So ist es für eine einwandfreie Arbeitsweise des Gerätes unabdingbar, daß mögliche
Störungen und Veränderungen im Ölkreislauf ohne Einfluß auf die Messung sind. Weiterhin
muß auch bei extrem hohem Übersetzungsverhältnis zwischen Mündungs- und Kolbenweg
eine große Meßgenauigkeit gewährleistet bleiben. Im Hinblick auf beide Forderungen
ist die bekannte Einrichtung noch verbesserungsbedürftig.
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Zunächst hat sich die bloße Hebelübersetzung für größere Übersetzungsverhältnisse
als wenig geeignet erwiesen, da das unvermeidliche Lagerspiel störend in Erscheinung
tritt und zu besonderen konstruktiven Gegenmaßnahmen zwingt. Außerdem verlangt der
Gewichtsausgleich bei langen Hebelarmen besondere
Aufmerksamkeit, um auf den Differentialkolben
wirkende Störkräfte auszuschalten.
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Ebenso haben alle jene Störgrößen, die eine Abweichung von der Proportionalität
zwischen dem Abströmdruck am Differentialkolben einerseits und der auf die verschiebbare
Ausflußmündung wirkenden Stau- bzw. Reaktionskraft andererseits hervorrufen, Einfluß
auf die Meßgenauigkeit. Diese Kraft wird nämlich - lediglich im Maße der Hebelübersetzung
vermindert - auf den Differentialkolben übertragen.
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Im Ruhezustand muß also abweichend von dem durch das Kolbenflächenverhältnis
bestimmten Druckverhältnis ein zusätzlicher Differenzdruck herrschen, dessen zum
Abströmdruck nicht porportionale Sinderungen entsprechende Stellungsänderungen der
Ausflußmündung bei unveränderter Lage des zu überwachenden Läufers zur Folge haben.
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Dieser Störeinfluß ist grundsätzlich bedingt und kann höchstens durch
extreme Obersetzungsverhältnisse gemildert werden, deren Verwirklichung aber wiederum
gerade bei der bekannten Einrichtung auf die erwähnten Schwierigkeiten stößt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten
Vorrichtung zu beseitigen und bei geringstem Bauaufwand und einfachster Konstruktion
die Herstellung hoher Übersetzungsverhältnisse zwischen Ausflußmündung und Differentialkolben
zu ermöglichen. Außerdem wird die Rückwirkung des Staudruckes auf den Regelkreis
und die hiermit verbundene Fehlerquelle ausgeschaltet.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, ein
hydraulisches Axialspielmeßgerät, bei dem ein Flüssigkeitsstrom über eine Drosselstelle
mit von deren Druckgefälle beaufschlagtem Differentialkolben geleitet wird und anschließend
durch eine in Ausströmrichtung verschiebbare, mit dem Differentialkolben
gekoppelte
Mündung gegen eine Läuferstirnfläche austritt, derart auszubilden, daß der Differentialkolben
mit einer gegen die Kolbenachse geneigten Keilfläche verbunden ist, gegen die sich
der Übersetzungshebel quer zur Kolbenachse abstützt.
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Auf diese Weise wird das Übersetzungsverhältnis entsprechend der
insbesondere sehr schwachen Neigung der Anlagefläche wesentlich vergrößert und gleichzeitig
die Rückwirkung des Staudruckes unter Ausnutzung der Keilwirkung unterbrochen, ohne
daß die Bewegung des Differentialkolbens eine merkliche Behinderung erfährt.
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Keil- und Kurvenübersetzungen sind, wie ergänzend zum Stand der Technik
erwähnt sei, in Verbindung mit hydrostatischen Regelkreisen an sich bekannt.
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Dabei ist eine Keilflanke z. B. auf der Stange eines Stellkolbens
angeordnet und steuert über einen Fühlstift die Flüssigkeitszufuhr zum Kolben. Bei
diesen Vorrichtungen tritt eine unerwünschte Rückwirkung des Fühlstiftdruckes jedoch
ohnehin nicht auf. Andererseits ist damit aber auch eine berührungsfreie Abtastung
der Stellung von bewegten Maschinenteilen grundsätzlich nicht möglich, so daß die
Erfindung hiervon nicht ausgehen konnte.
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Entsprechendes gilt für die im Zusammenwirken mit üblichen Strahlrohrreglern
bekannten Kurvenübersetzungen. Das Strahlrohr solcher Regler ist quer zur Ausströmrichtung
verschiebbar gelagert, weshalb hier eine Rückwirkung des Staudruckes auf die Rohrstellung
ebenfalls ausgeschlossen ist. Ebenso ist damit aber auch eine berührungsfreie Axialspielmessung
nicht durchführbar. Die Arbeitsweise dieser Regler beruht nämlich auf dem Vorhandensein
einer steuernden Kante, wobei der Mündungsabstand in Ausströmrichtung von der Kante
den Staudruck wesentlich mitbestimmt. Eine rotierende Läuferkante als Steuerkante
eines Strahlrohrreglers würde daher nicht nur Anderungen der Axial-, sondern auch
der Radialstellung des Läufers erfassen und unter Umständen eine beträchtliche Verfälschung
der Axialspielmessung hervormfen.
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In besonderen Ausgestaltungen gestattet das erfindungsgemäße Meßgerät
während des Betriebes und bei unveränderter Läuferstellung eine Verstellung der
relativen Lage des Differentialkolbens gegen die Ausflußmündung. Es können auf diese
Weise nicht nur die Nullstellung, sondern auch die Schaltpunkte des Gerätes verändert
werden. Auch eine Funktionskontrolle der angeschlossenen Schalter und Sicherheitsvorrichtungen
läßt sich auf diese Weise jederzeit durchführen.
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Der Gegenstand der Erfindung ist in der Zeichnung in einer Ausführungsform
beispielsweise dargestellt.
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Durch die Leitung 1 fließt Drucköl in die Kammer 2 (Fig. 1) eines
für sich bekannten Differentialkolbens 7, dann durch die kleine Öffnung 3 in die
Kammer 4 und von dort durch ein öldicht gelagertes schwenkbares RohrS zum Ablaufspalts
an der rotierenden Stirnfläche 6 des Läufers. Im Ruhezustand des Kolbens 7 muß die
aus dem Druck p1 und der kleinen Wirkfläche des Kolbens gebildete Kraft gleich der
aus der großen Wirkfläche und dem Drucks, gebildeten Kraft sein.
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Der Spalt s muß eine solche Größe haben, daß die durch die Öffnung
3 dosierte Ölmenge auf den Druck P2 gestaut wird. Ist der Spalt s größer als jener
der Ruhelage zugeordnete, ist auch p2 kleiner als der der Ruhelage zugeordnete Druck
p2, so daß der Kolben 7 sich nach unten bewegt. Dabei wird durch die Keilfläche
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über den Stellstift 9 das Rohr so geschwenkt, daß die Mündungsebene 10 in Richtung
x wandert. Diese Bewegung hält so lange an, bis der der Ruhelage zugeordnete Spalt
erreicht ist und Stillstand des Kolbens 7 eintritt. Die Mündungsebene 10 folgt also
immer ohne metallische Berührung der Läuferebene 6. Falls sich aus irgendeinem Grunde
der ÖIdruck p, ändert, ändert sich lediglich die durchfließende Ölmenge. Eine Bewegung
des Kolbens tritt dabei nicht auf, da der Spalt s nur vom Wirkflächenverhältnis
am Differentialkolben und der Größe der Durchflußöffnung 3, also konstanten Größen,
abhängt.
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Wenn der Läufer durch Versagen des Drucklagers in Richtung x wandert,
bildet sich sofort ein größerer Spalt s, und es wird die oben geschilderte Wanderung
des Kolbens 7 nach unten eingeleitet. Durch das Hebelverhältnis b: a und die Neigung
der Keilfläche 8 kann man einem Wanderungsweg der Läuferebene 6 einen beliebig vielfachen
Weg des Kolbens 7 zuordnen. Man kann den Mündungsdurchmesser bei 10 so bemessen,
daß sich ein Spalts von etwa 0,1 oder 0,2 mm einstellt. Ein Weg am Läufer von wenigen
Hundertstel Millimeter bedeutet dann schon eine beträchtliche Spaltvergrößerung,
die eine starke Verminderung des Druckes p2 bewirkt und damit eine große Verstellkraft
am Kolben 7 hervorruft. Damit ist eine große Sicherheit für die Arbeitsweise des
Apparates gegeben.
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Wie aus Fig. 1 ersichtlich, kann der Kolben 7 vorteilhaft mit einem
Auslöseschieber gekuppelt werden.
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Wenn der Läufer in Richtung x wandert, folgt der Kolben 7 nach unten.
Nach einem gewissen Weg nimmt der Schieber die Auslösestellung ein (Fig. 2).
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Dabei wird die Leitung 11 unter Druck gesetzt. Mit diesem Druck kann
man die Auslösung eines (nicht dargestellten) Schalters bei elektrisch betriebenen
Maschinen betätigen oder eine Vorrichtung zur Auslösung des Schnellschlusses an
der Maschine bei anderen Betriebsarten. Mit der Stellschraube9 läßt sich die Auslösestellung
jedem beliebigen Weg des Läufers in Richtung x zuordnen. Mit der Stellschraube 9
kann auch jederzeit die Wirkungsweise des Apparates bei unveränderter Lage des Läufers
überprüft werden.
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Wenn die Stellschraube 9 in Richtung y verstellt wird, vergrößert
sich Spalt s, und Kolben 7 wandert nach unten.
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Da durch die Konstruktionsdaten der Zusammenhang des Wanderungsweges
der Ebene 10 mit dem Drehwinkel der Stellschraube gegeben ist, läßt sich sowohl
die Anzeigegenauigkeit als auch die Auslösewirkung prüfen, wenn man die Verdrehung
der Stellschraube bis zum Erreichen der Auslösestellung fortsetzt. Es bietet keine
Schwierigkeit, den Auslöseschieber so auszubilden, daß die Auslösung (Stillsetzung)
bei einem gewissen Läuferweg sowohl in Richtung x als auch in Richtung y erfolgt.