BE1017905A3

BE1017905A3 - METHOD FOR AVOIDING AN UNSTABLE STATE OF OPERATION IN CENTRIFUGAL COMPRESSORS AND CENTRIFUGAL COMPRESSORS PROVIDED WITH MEANS OF WHICH THIS METHOD IS AUTOMATICALLY APPLIED.

Info

Publication number: BE1017905A3
Application number: BE2007/0521A
Authority: BE
Inventors: Erik Paul Fabry
Original assignee: Atlas Copco Airpower Nv
Priority date: 2007-10-29
Filing date: 2007-10-29
Publication date: 2009-11-03
Also published as: WO2009055878A2; WO2009055878A3

Abstract

Een werkwijze voor het vermijden van een onstabiele werkingstoestand bij centrifugaalcompressoren, welke onstabiele werkingstoestand beter bekend is onder de Engelse bewoording "surge" of "surging" toestand, daardoor gekenmerkt dat ze erin bestaat de krachten op de lagers van de rotor op te meten en/of te berekenen, een uitzonderlijke radiale krachtenonbalans op de lagers die optreedt alvorens de centrifugaalcompressor in een onstabiele toestand terecht komt tijdig te detecteren; en, bij detectie van de voornoemde uitzonderlijke radiale onbalans de werkingsparameters van de centrifugaalcompressor te wijzigen teneinde het optreden van "surge" te vermijden.A method for avoiding an unstable operating state with centrifugal compressors, which unstable operating state is better known under the English wording "surge" or "surging" state, characterized in that it consists of measuring the forces on the bearings of the rotor and / or or to calculate, to detect in time an exceptional radial force imbalance on the bearings before the centrifugal compressor enters an unstable state; and, upon detection of the aforementioned exceptional radial imbalance, change the operating parameters of the centrifugal compressor to avoid the occurrence of surge.

Description

Werkwijze voor het vermijden van een onstabiele werkingstoestand bij centrifugaalcompressoren en centrifugaalcompressor voorzien van middelen waarmee zulke werkwijze automatisch wordt toegepast.Method for avoiding an unstable operating condition with centrifugal compressors and centrifugal compressor provided with means with which such a method is applied automatically.

De huidige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het vermijden van een onstabiele werkingstoestand bij centrifugaalcompressoren.The present invention relates to a method for avoiding an unstable operating condition with centrifugal compressors.

Meer bepaald heeft de huidige uitvinding betrekking op een werkwijze voor het vermijden van een onstabiele werkingstoestand bij centrifugaalcompressoren, welke onstabiele werkingstoestand in het vakgebied beter gekend is onder de Engelse bewoording "surge" of "surging" toestand.More specifically, the present invention relates to a method for avoiding an unstable operating state at centrifugal compressors, which unstable operating state is better known in the art under the English wording "surge" or "surging" state.

Het is algemeen bekend dat een compressor wordt gebruikt om lucht te comprimeren, bijvoorbeeld voor het aandrijven van persluchtgereedschappen of om gassen te comprimeren ten behoeve van bijvoorbeeld een chemische fabriek, een turbine of een transportleiding van aardgas.It is generally known that a compressor is used to compress air, for example for driving compressed air tools or to compress gases for, for example, a chemical plant, a turbine or a natural gas transport line.

Bij een centrifugaalcompressor komt het te comprimeren fluïdum axiaal binnen en wordt het in de impeller radiaal, loodrecht ten opzichte van de roterende rotoras van de compressor, gecomprimeerd door centrifugaalwerking.With a centrifugal compressor, the fluid to be compressed enters axially and is compressed radially in the impeller perpendicular to the rotary rotor axis of the compressor by centrifugal action.

Vanuit de impeller treedt het fluïdum de zogenaamde diffuser binnen, waarin het fluïdum wordt vertraagd, zodat een statische druk wordt opgebouwd.From the impeller, the fluid enters the so-called diffuser, in which the fluid is delayed, so that a static pressure is built up.

Bij de huidige compressoren treden twee belangrijke stromingsinstabiliteiten op die zorgen voor een hoge thermische en mechanische belasting op de compressor welke kan uitmonden in mechanisch falen.With the current compressors, two important flow instabilities occur that cause a high thermal and mechanical load on the compressor that can result in mechanical failure.

De belangrijkste stromingsinstabiliteit is het zogenaamde "surge" dat zorgt voor een resonantie van het medium door herhaaldelijke versnelling en vertraging van de massastroom door het hele compressorsysteem.The most important flow instability is the so-called "surge" that causes a resonance of the medium through repeated acceleration and deceleration of mass flow throughout the compressor system.

"Surge" treedt op wanneer de stromingszin van het fluïdum in de impeller plots herhaaldelijk omkeert ten gevolge van een te hoge druk aan de uit laat van de compressor bij een laag debiet."Surge" occurs when the flow direction of the fluid in the impeller suddenly reverses repeatedly as a result of too high a pressure at the outlet of the compressor at a low flow.

Wanneer de druk aan de uitgang van de impeller lager is dan de druk aan de uit laat van de compressor, keert de s tromingsrichting van het fluïdum om en zal met andere woorden het fluïdum opnieuw in de impeller stromen.When the pressure at the output of the impeller is lower than the pressure at the outlet of the compressor, the flow direction of the fluid reverses and in other words the fluid will again flow into the impeller.

Door het omkeren van de stromingszin van het fluïdum daalt de druk opnieuw aan de uitlaat van de compressor tot op een punt waar deze druk weer voldoende laag is om het fluïdum opnieuw volgens de normale zin te laten stromen.By reversing the flow sense of the fluid, the pressure again drops at the outlet of the compressor to a point where this pressure is again sufficiently low to allow the fluid to flow again in the normal sense.

Een compressor is in een zogenaamde "surging" toestand, wanneer deze plotse herhaaldelijke omkeringen van de stromingszin van het fluïdum plaatshebben.A compressor is in a so-called "surging" state when these sudden repeated inversions of the flow sense of the fluid occur.

Hierbij treden grote drukschommelingen op in de compressor en wordt het hevig trillen van de rotor van de compressor waargenomen.Large pressure fluctuations occur in the compressor and the rotor of the compressor is vibrated violently.

Deze toestand is uiteraard zeer nadelig voor de levensduur van de compressor en in het bijzonder voor de lagers van de compressor.This condition is of course very disadvantageous for the life of the compressor and in particular for the bearings of the compressor.

Een andere, weliswaar minder nadelige onstabiele werkingstoestand van de compressor is de zogenaamde "rotating stall".Another, albeit less disadvantageous, unstable operating condition of the compressor is the so-called "rotating stall".

In deze onstabiele toestand kan de stroming de impel1erschoepen lokaal niet volgen. Als gevolg van loslating ontstaan cellen waarin de stroming stagneert.In this unstable state, the flow cannot follow the impeller blades locally. As a result of release, cells arise in which the flow stagnates.

Deze zogenaamde 'stall' cellen roteren met een snelheid van 10-90 % van de rotatiesnelheid van de rotoras van de compressor.These so-called 'stall' cells rotate at a speed of 10-90% of the rotational speed of the rotor shaft of the compressor.

Volgens de huidige stand van de techniek zijn er reeds werkwijzen bekend waarmee het optreden van een onstabiele toestand bij compressoren, meer bepaald een "surging" toestand van de compressor, kan worden gedetecteerd en door ingrijpen de compressor uit deze onstabiele toestand kan worden gehaald.According to the current state of the art, methods are already known with which the occurrence of an unstable state at compressors, more particularly a "surging" state of the compressor, can be detected and by intervention the compressor can be removed from this unstable state.

Meestal worden voor het detecteren één of meerdere parameters gemeten die bij een abnormale hoge wijziging of bij het doorlopen van een bepaalde sequentie in een bepaalde tijdsspanne aangeven dat de compressor in een onstabiele toestand verkeert.Usually, one or more parameters are measured for detecting that the compressor is in an unstable state when there is an abnormally high change or when a certain sequence is run through in a certain period of time.

Typische parameters die worden opgemeten, zijn de drukvariaties aan de ingang en uitgang van de compressor, het debiet door de compressor, de temperatuur op kritieke punten, het vermogen verbruikt door de motor die de rotoras aandrijft, enz...Typical parameters that are measured are the pressure variations at the compressor input and output, the flow rate through the compressor, the temperature at critical points, the power consumed by the motor driving the rotor shaft, etc.

Een belangrijk nadeel echter van deze bekende methodes is dat de compressor feitelijk reeds in de onstabiele "surging" toestand verkeert alvorens er wordt ingegrepen, wat uiteraard nadelig is omwille van de hoge drukschommelingen die optreden in de compressor, evenals omwille van het hoge trillingsniveau van de rotor.However, a major drawback of these known methods is that the compressor is actually already in the unstable "surging" state before intervention is made, which is of course disadvantageous because of the high pressure fluctuations occurring in the compressor, as well as because of the high vibration level of the compressor. rotor.

Er zijn echter wel reeds andere werkwijzen bekend waarbij onstabiele "surging" werkingstoestanden bij centrifugaalcompressoren effectief worden vermeden.However, other methods are already known in which unstable "surging" operating states at centrifugal compressors are effectively avoided.

Deze bekende werkwijzen bestaan erin de werkingstoestand van de compressor precies op te meten, waarbij ervoor wordt gezorgd dat deze toestand ver genoeg van de gevarenzone blijft waarin een mogelijk onstabiele werking, meer bepaald "surge", wordt waargenomen.These known methods consist of precisely measuring the operating state of the compressor, ensuring that this state remains far enough away from the danger zone in which a potentially unstable operation, in particular "surge", is observed.

Typisch wordt hierbij een zogenaamde "compressor map" opgesteld, waarbij gewoonlijk volgens de abscis het debiet doorheen de compressor wordt uitgezet en volgens de ordinaat de drukverhouding die in de compressor wordt verwezenlijkt.Typically, a so-called "compressor map" is set up, in which usually according to the abscissa the flow through the compressor is plotted and according to ordinate the pressure ratio that is realized in the compressor.

In zulke compressor map wordt het gebied voor instabiele werkingstoestanden afgebakend door de zogenaamde "surge" lijn. Boven en links van deze lijn treedt "surge" op, onder en rechts van deze lijn is de werkingstoestand van de compressor stabiel.In such a compressor map, the area for unstable operating conditions is defined by the so-called "surge" line. "Surge" occurs above and to the left of this line, the operating condition of the compressor is stable below and to the right of this line.

Deze bekende werkwijzen bestaan er dan ook in de werkingstoestand van de compressor voldoende ver onder de "surge" lijn te houden.These known methods therefore consist of keeping the operating condition of the compressor sufficiently far below the "surge" line.

Een nadeel echter van deze gekende werkwijzen is dat de voornoemde "surge" lijn van verschillende factoren afhankelijk is. "Surge" is immers afhankelijk van het volledige systeem van compressor en belasting.However, a disadvantage of these known methods is that the aforementioned "surge" line is dependent on various factors. "Surge" depends on the complete system of compressor and load.

Bijvoorbeeld, een "surge" lijn opgemeten in een testomgeving bij de productie van de compressor kan er anders uitzien na de installatie van de compressor in de concrete toepassing bij de eindklant.For example, a "surge" line measured in a test environment during the production of the compressor may look different after the installation of the compressor in the concrete application at the end customer.

Bovendien kan door veroudering en vervuiling van de compressor de "surge" lijn met de tijd verschuiven.In addition, due to aging and contamination of the compressor, the "surge" line can shift over time.

Ook fabricageverschillen tussen opeenvolgende compressoren uit een serieproductie kunnen verschillende "surge" lijnen opleveren.Manufacturing differences between successive compressors from a series production can also produce different "surge" lines.

Al deze onzekerheden maken dat, om veilig te kunnen werken met de werkwijzen die gebruik maken van een compressor map, de marge ten opzichte van de "surge" lijn redelijk groot dient te worden genomen, waardoor uiteraard het werkingsgebied van de compressor drastisch wordt beperkt.All of these uncertainties mean that in order to be able to work safely with the methods that use a compressor map, the margin with respect to the "surge" line must be taken fairly large, which of course drastically limits the operating range of the compressor.

In feite is de instelling van een veilige marge een gemiste kans bij vele machines waar de reële "surge" ver van deze marge ligt.In fact, setting a safe margin is a missed opportunity with many machines where the real "surge" is far from this margin.

De huidige uitvinding heeft tot doel aan één of meerdere van de voornoemde en andere nadelen een oplossing te bieden.The present invention has for its object to provide a solution to one or more of the aforementioned and other disadvantages.

Hiertoe betreft de huidige uitvinding een werkwijze voor het vermijden van een onstabiele werkingstoestand bij centrifugaalcompressoren, welke onstabiele werkingstoestand beter bekend is onder de Engelse bewoording "surge" of "surging" toestand, waarbij de werkwijze erin bestaat de krachten op de lagers van de rotor op te meten en/of te berekenen; een uitzonderlijke radiale krachtenonbalans op de lagers die optreedt alvorens de centrifugaalcompressor in een onstabiele toestand terechtkomt tijdig te detecteren; en, bij detectie van de voornoemde uitzonderlijke radiale onbalans de werkingsparameters van de centrifugaalcompressor te wijzigen teneinde het optreden van "surge" te vermijden.To this end, the present invention relates to a method for avoiding an unstable operating state at centrifugal compressors, which unstable operating state is better known under the English wording "surge" or "surging" state, the method comprising the forces on the bearings of the rotor on to measure and / or calculate; an exceptional radial force imbalance on the bearings that occurs before the centrifugal compressor enters an unstable state in time; and, upon detection of the aforementioned exceptional radial imbalance, change the operating parameters of the centrifugal compressor to avoid the occurrence of surge.

Op basis van doorgedreven proeven heeft de aanvrager van de huidige octrooiaanvrage vastgesteld dat alvorens een compressor in de eigenlijke onstabiele werkingstoestand terechtkomt, er een uitzonderlijke radiale krachtenonbalans op de lagers is waar te nemen, typisch enkele tientallen msec voor het optreden van de eigenlijke "surge".On the basis of extensive tests, the applicant of the current patent application has determined that before a compressor enters into the actual unstable operating state, an exceptional radial force imbalance can be observed on the bearings, typically a few tens of msec for the occurrence of the actual "surge" .

Dit maakt het met andere woorden mogelijk te voorspel1en dat een onstabiele "surging" toestand gaat optreden.In other words, this makes it possible to predict that an unstable "surging" state will occur.

Een voordeel hiervan is. dat tijdig kan worden ingegrepen om de eigenlijke onstabiele toestand in de vorm van "surge" te vermijden.An advantage of this is. that timely action can be taken to avoid the actual unstable state in the form of "surge".

Dit is een enorm voordeel ten opzichte' van de gekende werkwijzen, waar steeds wordt ingegrepen als het eigenlijk al te laat is, dit wil zeggen als de eigenlijke "surge" met de bijhorende verhoging van de drukschommelingen en trillingsniveaus in de compressor reeds is ingezet, wat uiteraard een nadelige invloed heeft op de levensduur van de compressor.This is a huge advantage over the known methods, where action is always taken when it is actually too late, that is, if the actual "surge" with the corresponding increase in pressure fluctuations and vibration levels in the compressor has already been deployed, which of course adversely affects the life of the compressor.

Nog een ander voordeel van deze werkwijze volgens de uitvinding is dat het toelaat de compressor in een toestand te laten werken die zeer dicht bij de voornoemde "surge" lijn ligt, waardoor het werkingsgebied van de compressor noemenswaardig wordt vergroot.Yet another advantage of this method according to the invention is that it allows the compressor to operate in a state very close to the aforementioned "surge" line, whereby the operating range of the compressor is significantly increased.

Immers, met de werkwijze volgens de uitvinding is het mogelijk de onstabiele toestand te voorspellen alvorens hij eigenlijk optreedt, zodat men niet meer genoodzaakt is een zeer grote veilige marge van het werkingsgebied van de compressor in te stellen.After all, with the method according to the invention it is possible to predict the unstable condition before it actually occurs, so that it is no longer necessary to set a very large safe margin of the operating range of the compressor.

Volgens een voorkeurdragende werkwijze volgens de uitvinding wordt ter ondersteuning van de rotoras van de compressor gebruik gemaakt van actieve magnetische lagers, waarbij de meting en/of berekening van de krachten op de lagers gebeurt via een rechtstreekse of onrechtstreekse meting van de elektrische stromen die door de spoelen van de magnetische lagers vloeien.According to a preferred method according to the invention, use is made of active magnetic bearings to support the rotor shaft of the compressor, wherein the measurement and / or calculation of the forces on the bearings takes place via a direct or indirect measurement of the electric currents flowing through the coils of the magnetic bearings flow.

Volgens een nog meer voorkeurdragende werkwijze volgens de uitvinding worden de voornoemde actieve magnetische lagers aangestuurd door een stuureenheid, waarbij de meting en/of berekening van de krachten op de lagers gebeurt via de meting van de spanning van het stuursignaal gegegenereerd door de stuureenheid, welk stuursignaal evenredig is met de reactiekrachten opgewekt door de magnetische lagers.According to an even more preferred method according to the invention, the aforementioned active magnetic bearings are driven by a control unit, wherein the measurement and / or calculation of the forces on the bearings takes place via the measurement of the voltage of the control signal generated by the control unit, which control signal is proportional to the reaction forces generated by the magnetic bearings.

Een groot voordeel van deze werkwijzen volgens de uitvinding is dat door gebruik te maken van actieve magnetische lagers op eenvoudige wijze een continue en directe meting van de krachten op de lagers kan worden bekomen, welke meting in de werkwijze uiteraard essentieel is voor het voorspellen van het optreden van een onstabiele werkingstoestand van de compressor.A major advantage of these methods according to the invention is that by using active magnetic bearings, a continuous and direct measurement of the forces on the bearings can be obtained in a simple manner, which measurement in the method is of course essential for predicting the occurrence of an unstable operating condition of the compressor.

Volgens een nog meer voorkeurdragende werkwijze overeenkomstig de huidige uitvinding worden de radiale krachten op de lagers opgemeten en/of berekend volgens twee richtingen die loodrecht op elkaar staan; wordt de component van deze krachten die synchroon verloopt met de rotatiefrequentie van de rotoras geëlimineerd; en wordt de amplitude en de frequentie van de resterende uitgefilterde kracht geanalyseerd teneinde te bepalen of er een uitzonderlijke radiale onbalans aanwezig is.According to an even more preferred method according to the present invention, the radial forces on the bearings are measured and / or calculated in two directions that are perpendicular to each other; the component of these forces running synchronously with the rotational frequency of the rotor shaft is eliminated; and the amplitude and frequency of the remaining filtered-out force is analyzed to determine if an exceptional radial imbalance is present.

Volgens de meest voorkeurdragende werkwijze overeenkomstig de uitvinding zal uit de voornoemde analyse van de resterende krachten blijken dat er een uitzonderlijke radiale onbalans aanwezig is als de amplitude van de resterende kracht een bepaalde minimumwaarde overschrijdt en de frequentie van de resterende kracht binnen een bepaald domein ligt, welkeeen fractie is van de rotatiefrequentie van de rotoras van de compressor.According to the most preferred method according to the invention, the aforementioned analysis of the remaining forces will show that an exceptional radial imbalance is present if the amplitude of the remaining force exceeds a certain minimum value and the frequency of the remaining force is within a certain domain, which is a fraction of the rotational frequency of the rotor shaft of the compressor.

De reden waarom deze laatste werkwijzen zo interessant blijken, is dat de uitzonderlijke radiale krachtenonbalans die wordt waargenomen, juist voordat "surge" optreedt, te wijten is aan een fenomeen dat vergelijkbaar is met de voornoemde tweede vorm van stromingsinstabiliteit, namelijk het zogenaamde "rotating stall".The reason why these latter methods prove so interesting is that the exceptional radial force imbalance that is observed just before "surge" occurs is due to a phenomenon similar to the aforementioned second form of flow instability, namely the so-called "rotating stall" ".

Door het elimineren van de component van de radiale krachten die synchroon verloopt met de rotatiefrequentie van de rotoras wordt de waarneming zuiverder toegespitst op het te detecteren fenomeen, namelijk de uitzonderlijke radiale onbalans.By eliminating the component of the radial forces that is synchronous with the rotational frequency of the rotor shaft, the observation is more precisely focused on the phenomenon to be detected, namely the exceptional radial imbalance.

Immers, de synchrone component van de waargenomen krachten is slechts een gevolg van de steeds aanwezige, weliswaar kleine geometrische afwijkingen van de rotoras en dus van de natuurlijke onbalans van de rotoras.After all, the synchronous component of the observed forces is only a consequence of the ever present, albeit small, geometric deviations of the rotor shaft and therefore of the natural imbalance of the rotor shaft.

Wanneer echter de amplitude van de resterende uitgefilterde kracht een bepaalde minimumwaarde overstijgt en de frequentie van deze resterende uitgefilterde kracht binnen een zeker domein blijft dat een fractie is van de rotatiefrequentie, dan is dit een aanwijzing voor de aanwezigheid van "rotating stall" en dus van een uitzonderlijke radiale onbalans van de lagerkrachten.However, if the amplitude of the remaining filtered-out force exceeds a certain minimum value and the frequency of this remaining filtered-out force remains within a certain domain that is a fraction of the rotation frequency, then this is an indication of the presence of "rotating stall" and therefore of an exceptional radial imbalance of the bearing forces.

Op deze wijze kan een zeer accurate voorspelling gemaakt worden dat "surge" effectief zal optreden binnen een korte tijdsspanne.In this way a very accurate prediction can be made that "surge" will occur effectively within a short period of time.

De huidige uitvinding heeft eveneens betrekking op een centrifugaalcompressor die is voorzien van middelen voor het automatisch uitvoeren van bepaalde handelingen volgens een hierboven beschreven werkwijze in overeenstemming met de huidige uitvinding ter vermijding van een onstabiele werkingstoestand, meer bepaald "surge", van de centrifugaalcompressor.The present invention also relates to a centrifugal compressor which is provided with means for automatically performing certain operations according to a method described above in accordance with the present invention to avoid an unstable operating state, in particular "surge", of the centrifugal compressor.

Bij voorkeur is zulke centrifugaalcompressor voorzien van een meeteenheid, een verwerkingseenheid en een stuureenheid, waarbij met de meeteenheid de krachten op de lagers van de rotor worden opgemeten en/of berekend, met de verwerkingseenheid een uitzonderlijke radiale krachtenonbalans op de lagers die optreedt alvorens de centrifugaalcompressor in een onstabiele "surging" toestand terecht komt tijdig wordt gedetecteerd en waarbij de stuureenheid na detectie van een uitzonderlijke radiale onbalans de werkingsparameters van de centrifugaalcompressor wijzigt teneinde het optreden van "surge" te vermijden.Such a centrifugal compressor is preferably provided with a measuring unit, a processing unit and a control unit, wherein the forces on the bearings of the rotor are measured and / or calculated with the measuring unit, with the processing unit an exceptional radial force imbalance on the bearings that occurs before the centrifugal compressor in an unstable "surging" state is detected in time and wherein the control unit, after detection of an exceptional radial imbalance, changes the operating parameters of the centrifugal compressor in order to avoid the occurrence of "surge".

Zulke centrifuaalcompressoren hebben het voordeel dat ze een veel groter werkingsgebied hebben dan de gekende centrifugaalcompressoren.Such centrifugal compressors have the advantage that they have a much larger operating range than the known centrifugal compressors.

Bovendien hebben deze centrifugaalcompressoren een veel langere levensduur, aangezien er steeds over gewaakt wordt dat ze niet in een onstabiele "surging" toestand terecht komen.In addition, these centrifugal compressors have a much longer service life, since they are constantly monitored to ensure that they do not end up in an unstable "surging" state.

Met het inzicht de kenmerken van de uitvinding beter aan te tonen, zijn hierna als voorbeeld zonder enig beperkend karakter enkele voorkeurdragende werkwijzen voor het vermijden van een onstabiele toestand bij centrifugaalcompressoren beschreven, evenals een voorkeurdragende uitvoeringsvorm van een centrifugaalcompressor voorzien van middelen waarmee zulke werkwijze automatisch wordt toegepast, met verwijzing naar bijgaande figuren, waarin: figuur 1 schematisch een mogelijkheid weergeeft voor het meten van de krachten op de lagers van een centrifugaalcompressor, welke een eerste stap is van de werkwijze volgens de huidige uitvinding, waarbij meer bepaald het geval wordt toegelicht van een . centrifugaalcompressor met actieve magnetische lagers ; figuur 2 een typisch verloop van de radiale krachten op de lagers weergeeft in functie van de tijd gedurende een tijdsspanne van 500 msec, net voor en tijdens het optreden van een onstabiele "surging" toestand in de centrifugaalcompressor; figuur 3 het detail uitvergroot weergeeft dat in figuur 2 is aangeduid met F3; figuur 4 hetzelfde verloop van de radiale krachten weergeeft in functie van de tijd als in figuur 3, evenwel na uitfiltering van de krachtencomponent die synchroon verloopt met de rotatiefrequentie van de rotoras van de centrifugaalcompressor, welk verloop bij voorkeur in de tweede stap van de werkwijze overeenkomstig de uitvinding wordt bestudeerd teneinde de aanwezigheid van een uitzonderlijke radiale krachtenonbalans tijdig te detecteren; en, figuur 5 een uitvoeringsvorm voorstelt van een centrifugaalcompressor volgens de uitvinding die voorzien is van middelen voor het automatisch toepassen van een werkwijze volgens de uitvinding voor het vermijden van een onstabiele "surging" toestand van de centrifugaalcompressor.With the insight to better demonstrate the features of the invention, some preferred methods for avoiding an unstable condition with centrifugal compressors are described below as an example without any limiting character, as well as a preferred embodiment of a centrifugal compressor provided with means by which such method is automatically with reference to the accompanying figures, in which: figure 1 schematically represents a possibility for measuring the forces on the bearings of a centrifugal compressor, which is a first step of the method according to the present invention, in particular the case of a . centrifugal compressor with active magnetic bearings; Figure 2 shows a typical course of the radial forces on the bearings as a function of time over a period of 500 msec, just before and during the occurrence of an unstable "surging" state in the centrifugal compressor; figure 3 shows the detail in an enlarged detail which is indicated by F3 in figure 2; figure 4 represents the same course of the radial forces as a function of time as in figure 3, but after filtering out the force component that runs synchronously with the rotational frequency of the rotor axis of the centrifugal compressor, which course is preferably carried out in the second step of the method according to the invention is being studied in order to detect in time the presence of an exceptional radial force imbalance; and, Figure 5 represents an embodiment of a centrifugal compressor according to the invention which is provided with means for automatically applying a method according to the invention for avoiding an unstable "surging" state of the centrifugal compressor.

In figuur 1 is een centrifugaalcompressor 1 weergegeven die voorzien is van een rotoras 2 waarop aan beide uiteinden 3 en 4 een impeller 5 is aangebracht.Figure 1 shows a centrifugal compressor 1 which is provided with a rotor shaft 2 on which an impeller 5 is arranged at both ends 3 and 4.

De impellers 5 zijn nauwsluitend aangebracht in een behuizing 6 die aan elk uiteinde 3 en 4 voorzien is van, enerzijds, een inlaatkanaal 7 voor het aanzuigen van een fluïdum en, anderzijds, een uitlaatkanaal 8 voor het afvoeren van gecomprimeerd fluïdum en rondom de impellers 5 tevens van een diffuser 9 voor het opbouwen van een statische druk.The impellers 5 are tightly arranged in a housing 6 which is provided at each end 3 and 4 with, on the one hand, an inlet channel 7 for sucking in a fluid and, on the other hand, an outlet channel 8 for discharging compressed fluid and around the impellers 5 also of a diffuser 9 for building up a static pressure.

De rotoras 2 van de centrifugaalcompressor 1 wordt verdraaibaar ondersteund in de behuizing 6 door middel van een paar lagers 10 en 11, welke lagers 10 en 11 in dit geval van het actieve elektromagnetische type zijn.The rotor shaft 2 of the centrifugal compressor 1 is rotatably supported in the housing 6 by means of a pair of bearings 10 and 11, which bearings 10 and 11 in this case are of the active electromagnetic type.

Zulke actieve elektromagnetische lagers 10 en 11 ondersteunen de rotoras 2 zonder mechanisch contact, waarbij de krachten ter ondersteuning van de rotoras 2 worden opgewekt in de magnetische spoelen van de lagers 10 en 11 waarin een elektrische stroom wordt geïnjecteerd.Such active electromagnetic bearings 10 and 11 support the rotor shaft 2 without mechanical contact, the forces supporting the rotor shaft 2 being generated in the magnetic coils of the bearings 10 and 11 into which an electric current is injected.

Normaal gezien worden zulke elektromagnetische lagers 10 en 11 aangestuurd door een stuureenheid die op basis van de meting van de positie van de rotoras’2 bepaalt hoeveel elektrische stroom II en 12 naar de respectievelijke lagers 10 en 11 dient gestuurd te worden, maar voor de eenvoud wordt deze stuureenheid niet in de figuur weergegeven.Normally, such electromagnetic bearings 10 and 11 are driven by a control unit which, on the basis of the measurement of the position of the rotor shaft 2, determines how much electric current II and 12 must be sent to the respective bearings 10 and 11, but for simplicity this control unit is not shown in the figure.

De rotoras 2 is in het midden voorzien van een rotor 12 van een elektrische motor 13The rotor shaft 2 is provided in the middle with a rotor 12 of an electric motor 13

Tijdens het roteren van de rotoras 2 en dus van de impellers 5 zal fluïdum volgens de axiale richting AA' worden aangezogen.During rotation of the rotor shaft 2 and thus of the impellers 5, fluid will be drawn in in the axial direction AA '.

Dit fluïdum wordt door de impellers 5 in een radiale richting RR' versneld, waarna het de impellers 5 verlaat om in te treden in de diffusers 9.This fluid is accelerated by the impellers 5 in a radial direction RR ', after which it leaves the impellers 5 to enter into the diffusers 9.

Deze diffuser 9 is, zoals bekend, niet meer dan een rondom de impellers 5 in de statische behuizing 6 aangebrachte geleiding voor de stroming, al dan niet met schoepen, die ervoor moeten zorgen dat de kinetische energie die in het fluïdum aanwezig is na de versnelling in de impeller 5 door vertraging van het fluïdum wordt omgezet in potentiële energie, dit wil zeggen in de opbouw van een statische druk in het fluïdum.This diffuser 9 is, as is known, no more than a guide for flow, arranged around the impellers 5 in the static housing 6, with or without blades, which must ensure that the kinetic energy present in the fluid after the acceleration in the impeller 5 is converted into potential energy by delaying the fluid, i.e. in the build-up of a static pressure in the fluid.

Via de uitlaatkanalen 8 kan een gebruiker dan het gecomprimeerd fluïdum onder druk afnemen.Via the outlet channels 8, a user can then take the compressed fluid under pressure.

Zoals reeds in de inleiding werd uiteengezet, is het algemeen bekend dat bij lage debietafnamen van gecomprimeerd fluïdum, de mogelijkheid bestaat dat de druk aan de uitlaat van de impeller 5 kleiner is dan de druk aan de uitlaat van de compressor 1 .As already explained in the introduction, it is well known that with low flow rates of compressed fluid, there is a possibility that the pressure at the outlet of the impeller 5 is smaller than the pressure at the outlet of the compressor 1.

Hierdoor wordt de stromingszin van het fluïdum omgekeerd, waarna de druk aan de uit laat van de compressor opnieuw begint te dalen totdat deze voldoende laag is om het fluïdum opnieuw in de normale zin te laten stromen.This reverses the flow sense of the fluid, after which the pressure at the outlet of the compressor starts to fall again until it is sufficiently low to allow the fluid to flow again in the normal sense.

Zulke herhaaldelijke omwisselingen van de stromingszin van het fluïdum doorheen de centrifugaalcompressor 1 veroorzaken een onstabiele werkingstoestand van de centrifugaalcompressor, meer bekend onder de Engelse benaming "surge" of "surging" toestand.Such repeated changes of the flow direction of the fluid through the centrifugal compressor 1 cause an unstable operating state of the centrifugal compressor, more commonly known as the "surge" or "surging" state.

"Surge" gaat gepaard met een enorme toename van de drukschommelingen in de centrifugaalcompressor 1 en met het hevig trillen van de rotoras 2, wat uiteraard uiterst nadelig is voor de levensduur van de centrifugaalcompressor 1 en in het bijzonder voor de lagers 10 en 11."Surge" is accompanied by an enormous increase in pressure fluctuations in the centrifugal compressor 1 and by the heavy vibration of the rotor shaft 2, which of course is extremely detrimental to the service life of the centrifugal compressor 1 and in particular to the bearings 10 and 11.

De huidige uitvinding behelst een werkwijze voor het vermijden van deze "surging" toestand bij de centrifugaalcompressor 1, waarbij er tevens voor gezorgd wordt dat geen al te grote veiligheidsmarges dienen te worden ingevoerd om het werkingsgebied van de centrifugaalcompressor 1 zo groot mogelijk te houden.The present invention involves a method for avoiding this "surging" state at the centrifugal compressor 1, while also ensuring that not too large safety margins have to be introduced to keep the operating range of the centrifugal compressor 1 as large as possible.

Een eerste stap van de werkwijze volgens de uitvinding bestaat erin de krachten op de lagers 10 en 11 van de rotoras 2 op te meten en/of te berekenen.A first step of the method according to the invention consists in measuring and / or calculating the forces on the bearings 10 and 11 of the rotor shaft 2.

In het getoonde vorbeeld van figuur 1 kan dit op eenvoudige wijze gerealiseerd worden.In the shown example of figure 1 this can be realized in a simple manner.

De amplitude van de geïnjecteerde stromen II en 12 is immers evenredig met de krachten die door de magnetische spoelen uitgeoefend worden ter ondersteuning van de rotoras 2.After all, the amplitude of the injected currents II and 12 is proportional to the forces exerted by the magnetic coils to support the rotor shaft 2.

Via een rechtstreekse of onrechtstreekse meting van de elektrische stromen II en 12 die door de spoelen van de magnetische lagers 10 en 11 vloeien, kunnen met andere woorden de krachten op de lagers 10 en 11 worden gemeten / of berekend.In other words, through a direct or indirect measurement of the electric currents II and 12 flowing through the coils of the magnetic bearings 10 and 11, the forces on the bearings 10 and 11 can be measured / calculated.

In het geval er gebruik wordt gemaakt van een stuureenheid voor het injecteren van de elektrische stromen II en 12, wat meestal zo is, kan de meting en/of berekening van de krachten op de lagers 10 en 11 bijvoorbeeld gebeuren via de meting van de spanning van het stuursignaal gegegenereerd door de stuureenheid, welk stuursignaal in dit geval evenredig is met de reactiekrachten opgewekt door de magnetische lagers 10 en 11.In case a control unit is used for injecting the electric currents II and 12, which is usually the case, the measurement and / or calculation of the forces on the bearings 10 and 11 can for instance take place via the measurement of the voltage of the control signal generated by the control unit, which control signal in this case is proportional to the reaction forces generated by the magnetic bearings 10 and 11.

Uiteraard zijn vele alternatieven voor het verwezenlijken van deze eerste stap van de werkwijze volgens de uitvinding mogelijk.Of course, many alternatives for realizing this first step of the method according to the invention are possible.

Wanneer ter ondersteuning van de rotoras 2 van de centrifugaalcompressor 1 · niet gebruik gemaakt wordt' van actieve magnetische lagers 10 en 11, maar bijvoorbeeld van klassieke rollagers, dan kan de meting en/of berekening van de krachten op de lagers gebeuren met behulp van rekstrookjes die op de rollagers zijn geplaatst.When active magnetic bearings 10 and 11 are used to support the rotor shaft 2 of the centrifugal compressor 1, but instead, for example, conventional roller bearings, the measurement and / or calculation of the forces on the bearings can be done with the help of strain gauges. placed on the roller bearings.

Ook het gebruik van vloeistof- of luchtlagers ter ondersteuning van de rotoras 2 van de centrifugaalcompressor 1, zoals bijvoorbeeld olieglijlagers of hydrodynamische luchtlagers, is niet uitgesloten.The use of liquid or air bearings to support the rotor shaft 2 of the centrifugal compressor 1, such as for example oil slide bearings or hydrodynamic air bearings, is not excluded.

In dat geval kan de meting en/of berekening van de krachten op de lagers gebeuren met behulp van druksensoren waarmee de drukopbouw in het fluïdum rond de rotoras 2 kan worden opgemeten.In that case the measurement and / or calculation of the forces on the bearings can take place with the aid of pressure sensors with which the pressure build-up in the fluid around the rotor shaft 2 can be measured.

De kern van de huidige uitvinding zit hem in stap twee van de werkwijze, welke stap aan de hand van de figuren 2 tot en met 4 nu zal worden toegelicht.The core of the present invention is in step two of the method, which step will now be explained with reference to Figures 2 to 4.

Deze stap bestaat erin de in stap één gemeten en/of berekende krachten op de lagers van de compressor 1 te analyseren en tijdig de aanwezigheid van een uitzonderlijke radiale krachtenonbalans op de lagers, die optreedt net voor de centrifugaalcompressor in een onstabiele "surging" toestand terechtkomt, te detecteren.This step consists of analyzing the forces measured and / or calculated on the bearings of the compressor 1 in step one and in time the presence of an exceptional radial force imbalance on the bearings occurring just before the centrifugal compressor ends up in an unstable "surging" state to detect.

Het is namelijk zo dat naar aanleiding van doorgedreven testen van het "surge" fenomeen gebleken is dat er steeds eerst een uitzonderlijke radiale krachtenonbalans op de lagers 10 en 11 is waar te nemen.The fact is that extensive testing of the "surge" phenomenon has shown that there is always an exceptional radial force imbalance on bearings 10 and 11.

Hierbij is het belangrijk te onderstrepen dat deze waarneming kan plaatsvinden voordat de compressor in de eigenlijke "surging" toestand terecht is gekomen.It is important to underline that this observation can take place before the compressor has entered the actual "surging" state.

Dit in tegenstelling tot wat gebeurt bij de gekende werkwijzen voor het vermijden van "surge" bij centrifugaalcompressoren 1.This is in contrast to what happens with the known methods for avoiding "surge" with centrifugal compressors 1.

In figuur 2 is een typisch voorbeeld weergegeven van het verloop van de radiale kracht uitgeoefend op één van de lagers 10 en 11 in functie van de tijd juist voor en tijdens het optreden van een korte "surging" toestand bij de centrifugaalcompressor 1.Figure 2 shows a typical example of the course of the radial force exerted on one of the bearings 10 and 11 as a function of the time just before and during the occurrence of a short "surging" state at the centrifugal compressor 1.

In het voorbeeld van de figuur is er duidelijk een plotse daling P van de radiale kracht waar te nemen na zo'n 100 msec. Een plotse stijging van het signaal overeenkomstig de radiale kracht zou eveneens mogelijk zijn.In the example of the figure, a sudden drop P of the radial force can clearly be observed after about 100 msec. A sudden rise in the signal according to the radial force would also be possible.

Dit is de zogenaamde uitzonderlijke radiale krachtenonbalans waarvan sprake, welke optreedt alvorens de centrifugaalcompressor 1 in een "surging" toestand terechtkomt.This is the so-called exceptional radial force imbalance, which occurs before the centrifugal compressor 1 enters a "surging" state.

Deze radiale krachtenonbalans is uitzonderlijk omdat hij zich onderscheidt van de natuurlijke radiale krachtenonbalans die steeds aanwezig is ten gevolge van kleine geometrische afwijkingen of onbalans van de rotoras 2, welke waar te nemen is bijvoorbeeld gedurende de eerste 100 msec alvorens het optreden van de plotse daling P.This radial force imbalance is exceptional because it differs from the natural radial force imbalance that is always present due to small geometric deviations or imbalances of the rotor shaft 2, which can be observed, for example, during the first 100 msec before the occurrence of the sudden drop P .

Enkele tientallen msec na het optreden van de uitzonderlijke radiale krachtenonbalans neemt dan plots de radiale kracht sterk toe gedurende ongeveer 150 msec, waarna de kracht zeer kort reduceert tot nul en daarna opnieuw toeneemt gedurende zo'n 150 msec.A few tens of msec after the occurrence of the exceptional radial force imbalance, the radial force suddenly suddenly increases sharply for about 150 msec, after which the force reduces very briefly to zero and then increases again for about 150 msec.

Tijdens deze tweemalige toename van de kracht bevindt de centrifugaalcompressor zich in de eigenlijke "surging" toestand, waarbij de eerste krachttoename te wijten is aan het terugstromen van het fluïdum naar de impeller 5 en de tweede krachttoename het gevolg is van de herstelling van de stroming in de oorspronkelijke zin van inlaat 7 naar uitlaat 8.During this two-fold increase in force, the centrifugal compressor is in the actual "surging" state, with the first force increase due to the backflow of the fluid to the impeller 5 and the second force increase resulting from the restoration of the flow in the original sentence from inlet 7 to outlet 8.

Het tijdig detecteren van de uitzonderlijke radiale krachtenonbalans die optreedt net voordat de compressor in een eigenlijke "surging" toestand terechtkomt, wat vereist is volgens de tweede stap van de werkwijze volgens de uitvinding, kan eenvoudigweg gebeuren, zoals blijkt uit figuur 2, door het continu opmeten van de radiale kracht en door het vaststellen van een plotse toename of afname van de opgemeten of berekende radiale kracht op de lagers 10 en 11.The timely detection of the exceptional radial force imbalance that occurs just before the compressor enters an actual "surging" state, which is required according to the second step of the method according to the invention, can simply be done, as shown in Fig. 2, by the continuous measuring the radial force and by detecting a sudden increase or decrease in the measured or calculated radial force on the bearings 10 and 11.

In de figuren 3 en 4 wordt het radiale krachtenverloop tijdens het optreden van de uitzonderlijke radiale krachtenonbalans gedurende een kortstondige periode van ± 50 msec van naderbij bekeken, wat zal leiden tot een beter inzicht van wat er eigenlijk gebeurt en de weg zal openen voor meer accurate methodes voor het vastellen van de uitzonderlijke radiale krachtenonbalans.Figures 3 and 4 take a closer look at the radial force development during the occurrence of the exceptional radial force imbalance for a short period of ± 50 msec, which will lead to a better understanding of what is actually happening and will open the way for more accurate methods for determining the exceptional radial force imbalance.

Hierbij werd in functie van de tijd, zowel de radiale kracht Fradl op één van de lagers 10 of 11 volgens een eerste richting uitgezet, als de radiale kracht Frad2 van hetzelfde lager 10 of 11 volgens een tweede richting loodrecht op de eerste richting.As a function of time, both the radial force Frad1 on one of the bearings 10 or 11 was expanded in a first direction, and the radial force Frad2 of the same bearing 10 or 11 in a second direction perpendicular to the first direction.

De eerste 5 msec van figuur 3 tonen de normale werking waarbij, zowel het signaal voor Fradl, als voor Frad2 constant varieert, evenwel synchroon met het toerental van de rotoras 2 en voor beide signalen ongeveer met dezelfde amplitude.The first 5 msec of Figure 3 show the normal operation in which, both the signal for Frad1 and Frad2 varies constantly, however, synchronously with the speed of the rotor shaft 2 and for both signals with approximately the same amplitude.

Deze variatie van Fradl en Frad2 is te wijten aan de natuurlijke onbalans ten gevolge van kleine geometrische afwijkingen aan de rotoras 2.This variation of Frad1 and Frad2 is due to the natural imbalance due to small geometric deviations on the rotor shaft 2.

De twee signalen Fradl en Frad2 vertonen een faseverschil van 90 graden wat het gevolg is van het feit dat de richtingen volgens dewelke de krachten Fradl en Frad2 worden gemeten, loodrecht op elkaar staan.The two signals Frad1 and Frad2 show a phase difference of 90 degrees due to the fact that the directions according to which the forces Frad1 and Frad2 are measured are perpendicular to each other.

Na ca 5 msec is er plots een opmerkelijk verschil in de amplitudes van de beide signalen Fradl en Frad2 waar te nemen en de stijging en daling van de signalen verloopt niet meer synchroon met het toerental van de rotoras 2. Deze situatie houdt aan gedurende zo'n 20 msec.After about 5 msec, a noticeable difference in the amplitudes of the two signals Frad1 and Frad2 can suddenly be observed and the rise and fall of the signals is no longer synchronous with the speed of the rotor shaft 2. This situation persists during this time. n 20 msec.

Deze waarneming komt overeen met de korte, plotse daling P van het signaal gezien in figuur 2, welke overeenkomt met de uitzonderlijke radiale krachtenonbalans die optreedt alvorens de compressor 1 in een "surging" toestand terechtkomt.This observation corresponds to the short, sudden drop P of the signal seen in Figure 2, which corresponds to the exceptional radial force imbalance that occurs before the compressor 1 enters a "surging" state.

Na deze periode van 20 msec komen de amplitudes van de signalen weer korter bij elkaar en beginnen de amplitudes opnieuw synchroon met het toerental van de rotoras 2 te variëren. Hierbij wordt een toename van de amplitudes van beide signalen waargenomen. Dit laatste is het begin van de "surge" of van de eerste toename van de lagerkrachten, zoals gezien op figuur 2.After this period of 20 msec the amplitudes of the signals come closer together again and the amplitudes begin to vary again synchronously with the speed of the rotor shaft 2. An increase in the amplitudes of both signals is observed. The latter is the start of the "surge" or of the first increase in bearing forces, as seen in Figure 2.

Kortom, een andere mogelijkheid voor het verwezenlijken van stap twee van de werkwijze volgens de uitvinding bestaat erin de radiale krachten op de lagers op te meten en/of te berekenen volgens twee richtingen die loodrecht op elkaar staan, waarbij het optreden van een uitzonderlijke radiale onbalans op de lagers wordt vastgesteld aan de hand van een plotse sterke afwijking tussen de amplitudes van de krachten gemeten volgens deze twee richtingen.In short, another possibility for realizing step two of the method according to the invention consists in measuring and / or calculating the radial forces on the bearings in two directions perpendicular to each other, the occurrence of an exceptional radial imbalance on the bearings is determined on the basis of a sudden strong deviation between the amplitudes of the forces measured according to these two directions.

Nog een andere mogelijkheid bestaat erin het optreden van een uitzonderlijke radiale onbalans op de lagers vast te stellen doordat de voornoemde radiale krachten, gemeten volgens richtingen loodrecht op elkaar, een component bevatten die niet synchroon met het toerental van de rotoras verloopt.Still another possibility is to determine the occurrence of an exceptional radial imbalance on the bearings in that the aforementioned radial forces, measured in directions perpendicular to each other, contain a component that is not synchronous with the rotational speed of the rotor shaft.

Uiteraard kunnen de verschillende mogelijkheden worden gecombineerd om tot een preciesere vaststelling te komen.Of course, the various options can be combined to arrive at a more accurate determination.

Indien men nog verder in detail de afwijking van de twee signalen Fradl en Frad2 bestudeert, dan komt men tot de conclusie dat de uitzonderlijke radiale krachtenonbalans op de lagers net voor de eigenlijke "surge" niets meer of minder is dan een heel korte instabiele werkingsperiode van de compressor 1, evenwel van de minder erge soort, dit wil zeggen het gaat hier om "rotating stall".If the deviation of the two signals Frad1 and Frad2 is studied in more detail, then one concludes that the exceptional radial force imbalance on the bearings just before the actual "surge" is nothing more or less than a very short unstable operating period of the compressor 1, however, of the lesser kind, that is to say, it concerns "rotating stall".

Zoals reeds werd uiteengezet in de inleiding is "rotating stall" een gekend fenomeen van stromingsinstabilitiet dat optreedt in een beperkte sectie van de impeller waarbij de stroming de impeller niet meer kan volgen.As already explained in the introduction, "rotating stall" is a known phenomenon of flow instability that occurs in a limited section of the impeller where the flow can no longer follow the impeller.

Dit resulteert in een radiale kracht, die in amplitude groter is dan de natuurlijke radiale krachtenonbalans, waarneembaar ten gevolge van kleine geometrische afwijkingen in de rotoras.This results in a radial force that is larger in amplitude than the natural radial force imbalance, perceptible due to small geometric deviations in the rotor shaft.

Verder varieert deze radiale kracht volgens een toerental dat lager is dan het toerental van de rotoras 2.Furthermore, this radial force varies according to a speed that is lower than the speed of the rotor shaft 2.

Het waargenomen fenomeen in figuur 3 is inderdaad van dezelfde aard, wat zal worden toegelicht aan de hand van figuur 4.The observed phenomenon in Figure 3 is indeed of the same nature, which will be explained with reference to Figure 4.

Figuur 4 is een kopie van figuur 3, waarbij in het vet bovenop figuur 3 evenwel het signaal is weergegeven waarbij in de kortstondige periode voor en tijdens het optreden van de uitzonderlijke radiale onbalans de component van de radiale krachten Fradl en Frad2, die synchroon verloopt met de rotatiefrequentie van de rotoras 2, werd geëlimineerd.Figure 4 is a copy of Figure 3, but in the bold on top of Figure 3 the signal is shown in which in the short period before and during the occurrence of the exceptional radial imbalance the component of the radial forces Frad1 and Frad2, which is synchronous with the rotational frequency of the rotor shaft 2 has been eliminated.

Deze eliminatie van de synchrone component houdt in dat het beeld wordt toegespitst op het fenomeen dat eigenlijk optreedt, waarbij de natuurlijke radiale krachtenonbalans op de lagers 10 en/of 11 ten gevolge van kleine geometrische afwijkingen werd weggefilterd..This elimination of the synchronous component means that the image is focused on the phenomenon that actually occurs, in which the natural radial force imbalance on the bearings 10 and / or 11 was filtered out due to small geometric deviations.

Het eerste signaal Fradl vertoont nu een sinusvormig patroon, evenwel met een stijgende en dalende amplitude die opmerkelijk groter is dan die van de natuurlijke krachtenonbalans en met een frequentie die verschilt van het toerental van de rotoras 2.The first signal Fradl now has a sinusoidal pattern, but with a rising and falling amplitude that is remarkably greater than that of the natural force imbalance and with a frequency that differs from the speed of the rotor shaft 2.

Het tweede signaal Frad2 vertoont met enige vertraging een vrijwel analoog amplitudeverloop, waarbij de faseverschuiving die optreedt 90° bedraagt, wat neerkomt op een cosinusvormig patroon op dezelfde voornoemde frequentie verschillend van het toerental van de rotoras 2 .The second signal Frad2 shows, with some delay, a substantially analogue amplitude curve, the phase shift occurring occurring being 90 °, which amounts to a cosine-shaped pattern at the same aforementioned frequency different from the speed of the rotor shaft 2.

De waargenomen frequentie van het eerste signaal Fradl en van het tweede signaal Frad2 is duidelijk kleiner dan het toerental van de rotoras 2.The observed frequency of the first signal Frad1 and of the second signal Frad2 is clearly smaller than the speed of the rotor shaft 2.

De twee signalen zijn met andere woorden de uiting volgens twee richtingen loodrecht op elkaar van een kracht met een amPlitude opmerkelijk groter dan de amplitude van het signaal van de natuurlijke radiale krachtenonbalans, welke kracht roteert rond de rotoras 2 aan een frequentie lager dan het toerental van de rotoras 2.In other words, the two signals are the expression in two directions perpendicular to each other of a force with an amPlitude remarkably greater than the amplitude of the signal of the natural radial force imbalance, which force rotates around the rotor axis 2 at a frequency lower than the speed of the rotor shaft 2.

Dit is net kenmerkend voor het gekende stromingsinstabiliteitsverschijnsel "rotating stal".This is just characteristic of the known "rotating stable" flow instability phenomenon.

In het kort kan worden gesteld dat de kracht van de uitvinding in de ontdekking ligt van het feit dat, alvorens een cenrifugaalcompressor 1 in een "surging" toestand terechtkomt er eerst een zeer korte periode optreedt waarin "rotating stall" wordt vastgesteld.Briefly, the power of the invention lies in the discovery that before a cenrifugal compressor 1 enters a "surging" state, a very short period of "rotating stall" is first established.

Het is aan de hand van het detecteren van deze "rotating stall" dat volgens de uitvinding "surging" effectief kan worden vermeden.It is on the basis of the detection of this "rotating stall" that "surging" can be effectively avoided according to the invention.

Uit de toelichting van figuur 4 volgt tevens dat de mogelijkheid die bij voorkeur wordt toegepast in de tweede stap van de werkwijze volgens de uitvinding erin bestaat de radiale krachten op de lagers op te meten en/of te berekenen volgens twee richtingen die loodrecht op elkaar staan; de component van deze krachten die synchroon verloopt met de rotatiefrequentie van de rotoras te elimineren en de amplitude en de frequentie van de resterende uitgefilterde kracht te analyseren teneinde te bepalen of er een uitzonderlijke radiale krachtenonbalans aanwezig is, ten gevolge van "rotating stall".It also follows from the explanation of Figure 4 that the option which is preferably used in the second step of the method according to the invention consists in measuring and / or calculating the radial forces on the bearings in two directions perpendicular to each other ; to eliminate the component of these forces synchronous with the rotational frequency of the rotor shaft and to analyze the amplitude and frequency of the remaining filtered-out force to determine whether an exceptional radial force imbalance is present due to "rotating stall".

Bij voorkeur zal er besloten worden dat een uitzonderlijke radiale onbalans aanwezig is als de amplitude van de resterende uitgefilterde kracht een bepaalde minimumwaarde overschrijdt en de frequentie van de resterende uitgefilterde kracht binnen een bepaald domein ligt, welke domein een fractie is van de rotatiefrequentie van de rotoras 2 van de compressor 1.Preferably, it will be decided that an exceptional radial imbalance is present if the amplitude of the remaining filtered-out force exceeds a certain minimum value and the frequency of the remaining filtered-out force is within a certain domain, which domain is a fraction of the rotational frequency of the rotor shaft 2 of the compressor 1.

De voornoemde minimumwaarde, evenals het preciese domein waarbinnen de frequentie moet liggen, zal bij voorkeur door metingen worden vastgesteld.The aforementioned minimum value, as well as the precise domain within which the frequency must lie, will preferably be determined by measurements.

De laatste stap in de werkwijze volgens de uitvinding bestaat erin, na de tijdige detectie van een nakende "surging" toestand van de centrifugaalcompressor 1 door het waarnemen van een uitzonderlijke radiale krachtenonbalans op de lagers, de nodige maatregelen te treffen door het wijzigen van de werkingsparameters van de centrifugaalcompressor, zodat het effectief optreden van een onstabiele "surging" toestand van de centrifugaalcompressor niet optreedt.The final step in the method according to the invention consists, after the timely detection of an impending "surging" state of the centrifugal compressor 1 by observing an exceptional radial force imbalance on the bearings, to take the necessary measures by changing the operating parameters of the centrifugal compressor, so that the effective occurrence of an unstable "surging" state of the centrifugal compressor does not occur.

Hiervoor bestaan er verschillende mogelijkheden waarvan een eerste mogelijkheid wordt toegelicht aan de hand van figuur 1 waarbij de elektrische motor 13 voorzien is van een mechanisme voor het regelen van het toerental van de elektrische motor 13.There are various possibilities for this, of which a first possibility is explained with reference to figure 1, wherein the electric motor 13 is provided with a mechanism for controlling the speed of the electric motor 13.

Zulke mechanisme kan bijvoorbeeld bestaan uit een zogenaamde variabele frequentie aandrijving ("Variable frequency drive", VFD), waarbij door het wijzigen van de frequentie van de voedingsspanning van de elektrische motor 13, het toerental van de motor 13 geregeld kan worden.Such a mechanism may for example consist of a so-called variable frequency drive ("Variable frequency drive", VFD), whereby by changing the frequency of the supply voltage of the electric motor 13, the speed of the motor 13 can be controlled.

In de derde stap van de werkwijze overeenkomstig de huidige uitvinding is het de bedoeling, na detectie van een uitzonderlijke radiale krachtenonbalans, welke een aanwijzing is voor een nakend "surge", tijdig het toerental te veranderen.In the third step of the method according to the present invention, it is intended, after detection of an exceptional radial force imbalance, which is an indication of an impending "surge", to change the speed in time.

Door de verandering van toerental zal ter hoogte van de impeller 5 de stroming wijzigen en zal "surge" vermeden kunnen worden.Due to the change in speed, the flow will change at the level of the impeller 5 and "surge" can be avoided.

Indien het toerental tijdelijk wordt verhoogd, zal de energietoevoer van de impeller 5 naar het fluïdum toenemen en zal de lokale, losgehechte zone vastgesteld door de uitzonderlijke radiale krachtenonbalans, welke een geval van "rotating stall" bleek te zijn, verdwijnen.If the speed is temporarily increased, the energy supply from the impeller 5 to the fluid will increase and the local, detached zone determined by the exceptional radial force imbalance, which turned out to be a "rotating stall" case, will disappear.

Het valt op te merken dat alles snel dient te gebeuren, aangezien tussen het vaststellen van een uitzonderlijke radiale krachtenonbalans en het optreden van de daarop volgende "surge" slechts enkele tientallen msec verstrijken.It should be noted that everything must be done quickly, since only a few tens of msec elapses between the detection of an exceptional radial force imbalance and the occurrence of the subsequent "surge".

In deze periode dient met andere woorden reeds het toerental te zijn gewijzigd.In other words, the speed must already have been changed during this period.

Wanneer "surge" effectief werd vermeden, kan nadien het toerental opnieuw terug gebracht worden naar het oorspronkelijke toerental.If "surge" was effectively avoided, the speed can be returned to the original speed afterwards.

Een groot voordeel van deze techniek ten opzichte van de gekende werkwijze waarbij gebruik wordt gemaakt van een stationaire compressor map (zie de inleiding), is dat dit werkingspunt waarbij "surge" ogenblikkelijk wordt geanticipeerd normaal buiten het toegelaten werkingsgebied ligt.A major advantage of this technique over the known method where use is made of a stationary compressor map (see the introduction), is that this operating point where "surge" is immediately anticipated is normally outside the permitted operating range.

Het werkingsgebied wordt dus feitelijk vergroot door een aangepaste sturing van de compressor. De uiterste grens van deze · methode stelt zich wanneer de waarschuwingssignalen of detecties van uitzonderlijke radiale krachtenonbalansen sneller elkaar opvolgen dan de tijdelijke veranderingen van het toerental.The operating range is therefore actually increased by an adapted control of the compressor. The extreme limit of this method is set when the warning signals or the detection of exceptional radial force imbalances follow each other faster than the temporary speed changes.

In de derde stap van de werkwijze volgens de huidige uitvinding is het tevens mogelijk andere werkingsparameters van de centrifugaalcompressor 1 te wijzigen teneinde "surge" te vermijden.In the third step of the method according to the present invention, it is also possible to change other operating parameters of the centrifugal compressor 1 in order to avoid "surge".

Een eerste alternatief bestaat erin de speling in de compressor te wijzigen.A first alternative is to change the clearance in the compressor.

Een andere mogelijkheid is bijvoorbeeld het activeren van een lokale lek in de compressor.Another possibility is, for example, activating a local leak in the compressor.

Nog een andere mogelijkheid bestaat erin de geometrie van de centrifugaalcompressor te wijzigen.Another possibility is to change the geometry of the centrifugal compressor.

Dit kan bijvoorbeeld gebeuren met behulp van variabele inlaatschoepen of variabele uitlaatschoepen, of een combinatie van beide.This can be done, for example, with the aid of variable inlet vanes or variable outlet vanes, or a combination of both.

Nog een ander alternatief bestaat erin een afblaasklep in de compressor 1 te openen.Yet another alternative is to open a relief valve in the compressor 1.

Uiteraard zijn vele andere alternatieven denkbaar en zijn combinaties van de opgenoemde voorbeelden niet uitgesloten.Of course, many other alternatives are conceivable and combinations of the examples mentioned are not excluded.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een centrifugaalcompressor die voorzien is van middelen voor het automatisch uitvoeren van de werkwijze volgens de uitvinding ter vermijding van een onstabiele werkingstoestand, meer bepaald "surge", van de centrifugaalcompressor.The invention also relates to a centrifugal compressor which is provided with means for automatically carrying out the method according to the invention for avoiding an unstable operating state, in particular "surge", of the centrifugal compressor.

In figuur 5 is schematisch een mogelijke uitvoeringsvorm van zulke centrifugaalcompressor 1 weergegeven.Figure 5 schematically shows a possible embodiment of such a centrifugal compressor 1.

Deze centrifugaalcompressor 1 is voorzien van een meeteenheid 14, een verwerkingseenheid 15 en een stuureenheid 16.This centrifugal compressor 1 is provided with a measuring unit 14, a processing unit 15 and a control unit 16.

Met de meeteenheid 14 worden de krachten op de lagers 10 en 11 van de rotoras 2 opgemeten en/of berekend.With the measuring unit 14 the forces on the bearings 10 and 11 of the rotor shaft 2 are measured and / or calculated.

In de verwerkingseenheid 15 wordt continu nagegaan of eventueel een uitzonderlijke radiale krachtenonbalans op de lagers 10 en 11 is opgetreden.In the processing unit 15 it is continuously checked whether an exceptional radial force imbalance has possibly occurred on the bearings 10 and 11.

Na detectie van een uitzonderlijke radiale onbalans zal de stuureenheid 16 de werkingsparameters van de centrifugaalcompressor 1 wijzigen teneinde het optreden van "surge" te vermijden.After detection of an exceptional radial imbalance, the control unit 16 will change the operating parameters of the centrifugal compressor 1 in order to avoid the occurrence of "surge".

In dit concrete geval zal de stuureenheid 16 daartoe de frequentie van de VFD opdrijven teneinde de elektrische motor 13 naar een hoger toerental te sturen.In this specific case, the control unit 16 will for that purpose increase the frequency of the VFD in order to steer the electric motor 13 to a higher speed.

Uiteraard zijn vele variaties op de getoonde voorbeelden en meer gedetailleerdë uitwerkingen van de verschillende eenheden mogelijk.Of course, many variations on the examples shown and more detailed elaborations of the different units are possible.

Zo is de uitvinding bijvoorbeeld niet beperkt tot compressoren met twee impellers, maar is de uitvinding evengoed toepasbaar met één of meer dan twee impellers.For example, the invention is not limited to compressors with two impellers, but the invention is equally applicable with one or more than two impellers.

De uitvinding is geenszins beperkt tot de als voorbeeld beschreven en in de figuren weergegeven uitvoeringsvormen van een werkwijze voor het vermijden van een onstabiele toestand bij een centrifugaalcompressor, doch dergelijke werkwijze kan op allerlei andere manieren worden verwezenlijkt zonder buiten het kader van de uitvinding te treden.The invention is by no means limited to the exemplary embodiments and shown in the figures of a method for avoiding an unstable condition with a centrifugal compressor, but such a method can be implemented in a variety of other ways without departing from the scope of the invention.

Evenzo, is de huidige uitvinding niet beperkt tot de in de tekst beschreven en in de figuren weergegeven uitvoeringsvorm van een centrifugaalcompressor die voorzien is van middelen voor het automatisch uitvoeren van de werkwijze volgens de uitvinding, doch zulke centrifugaalcompressor kan in verschillende vormen en afmetingen worden verwezenlijkt zonder buiten het kader van de uitvinding te treden.Similarly, the present invention is not limited to the embodiment of a centrifugal compressor described in the text and shown in the figures which is provided with means for automatically carrying out the method according to the invention, but such a centrifugal compressor can be realized in various shapes and sizes. without departing from the scope of the invention.

Claims

A method for avoiding an unstable operating state with centrifugal compressors (1), which unstable operating state is better known under the English wording "surge" or "surging" state, characterized in that it consists of the forces on the bearings (10, 11) to be measured and / or calculated from the rotor; an exceptional radial force imbalance on the bearings (10, 11) that occurs before the centrifugal compressor (1) ends up in an unstable state in time to detect; and, upon detection of the aforementioned exceptional radial imbalance, change the operating parameters of the centrifugal compressor (1) to avoid the occurrence of "surge".

A method according to claim 1, characterized in that active magnetic bearings (10, 11) are used to support the rotor shaft (2) of the compressor, wherein the measurement and / or calculation of the forces on the bearings (10) , 11) via a direct or indirect measurement of the electrical currents flowing through the coils of the magnetic bearings (10, 11).

A method according to claim 2, characterized in that the active magnetic bearings (10, 11) are driven by a control unit, the measurement and / or calculation of the forces on the bearings (10, 11) taking place via the measurement of the voltage of the control signal generated by the control unit, which control signal is proportional to the reaction forces generated by the magnetic bearings (10, 11).

A method according to claim 1, characterized in that use is made of conventional roller bearings to support the rotor shaft (2) of the compressor (1), wherein the measurement and / or calculation of the forces on the bearings (10, 11) is done with the help of strain gauges placed on the roller bearings.

A method according to claim 1, characterized in that use is made of liquid or air bearings to support the rotor shaft (2) of the compressor (1), such as for example oil slide bearings or hydrodynamic air bearings, wherein the measurement and / or calculation of the forces on the bearings (10, 11) are carried out with the aid of pressure sensors with which the pressure build-up in the fluid around the rotor shaft (2) can be measured.

A method according to one or more of the preceding claims, characterized in that the occurrence of an exceptional radial imbalance on the bearings (10, 11) is determined on the basis of a sudden increase or decrease in the measured or calculated radial forces on the bearings (10, 11).

A method according to one or more of the preceding claims, characterized in that the radial forces on the bearings (10, 11) are measured and / or calculated in two directions perpendicular to each other, the occurrence of an exceptional radial imbalance on the bearings (10, 11) is determined on the basis of a sudden strong deviation between the amplitudes of the forces measured according to these two directions.

A method according to one or more of the preceding claims, characterized in that the radial forces on the bearings are measured and / or calculated in two directions that are perpendicular to each other, the occurrence of an exceptional radial imbalance on the bearings (10) , 11) is determined by detecting a component of the forces which is not synchronous with the speed of the rotor shaft (2).

A method according to one or more of the preceding claims, characterized in that the radial forces on the bearings (10, 11) are measured and / or calculated in two directions that are perpendicular to each other; the component of these forces that is synchronous with the rotational frequency of the rotor shaft is eliminated; the amplitude and frequency of the remaining filtered-out force is analyzed to determine whether an exceptional radial imbalance is present.

A method according to claim 9, characterized in that an exceptional radial imbalance is present if the amplitude of the remaining filtered-out force exceeds a certain minimum value and the frequency of the remaining filtered-out force is within a certain domain, which is a fraction of the rotational frequency of the rotor shaft (2) of the compressor (1).

A method according to any one of the preceding claims, characterized in that "surge" is avoided by changing the speed of the rotor shaft (2) of the compressor (1).

A method according to claim 11, characterized in that "surge" is avoided by increasing the speed of the rotor shaft (2) of the compressor (1).

A method according to any one of the preceding claims, characterized in that "surge" is avoided by changing the play in the compressor (1).

A method according to any one of the preceding claims, characterized in that "surge" is avoided by activating a local leak in the compressor (1).

A method according to any one of the preceding claims, characterized in that "surge" is avoided by changing the geometry in the compressor (1).

A method according to claim 15, characterized in that the geometry in the compressor (1) is changed with the aid of variable inlet vanes.

A method according to claim 15, characterized in that the geometry in the compressor (1) is changed with the aid of variable exhaust blades.

A method according to any one of the preceding claims, characterized in that "surge" is avoided by opening a relief valve in the compressor (1).

A centrifugal compressor (1) characterized in that it is provided with means for automatically performing certain operations according to a method in accordance with one or more of the preceding claims in order to avoid an unstable operating state, in particular "surge", of the centrifugal compressor (1).

A centrifugal compressor (1) according to claim 19, characterized in that it is provided with a measuring unit (16), a processing unit (17) and a control unit (18), wherein with the measuring unit (16) the forces on the bearings (10) 11) of the rotor shaft (2) are measured and / or calculated, with the processing unit (17) an exceptional radial force imbalance on the bearings (10, 11) that occurs before the centrifugal compressor (1) enters an unstable "surging" state , is detected in time and wherein the control unit (18) changes the operating parameters of the centrifugal compressor (1) after detection of an exceptional radial imbalance in order to avoid the occurrence of "surge".