Verfahren und Vorrichtung zur Regelung des Betriebszustandes von Kreiselverdichtern. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Betriebszustandes von Kreisel verdichtern in gleichzeitiger Abhängigkeit vom Ansaugevolumen und von dein Förderdruck, sowie eine Vorrichtung zur Ausübung dieses Verfahrens.
Zweck der Erfindung ist, eine Regelungs vorrichtung dieser Art zu schaffen, bei der im Gegensatze zu der) bisher bekannten Aus führungen, die meistens zwei Verstellungs mittel (Kolben-, Membranen-, Glockenvor richtung) aufweisen, von denen das eine vom Volumen und das ändere vom Druck beein flusst wird, ein einziges solches Verstellungs mittel anzubringen ist. Ferner bezweckt die Erfindung eine Regelung der erwähnten Art zu schaffen, welche in sehr genauer Weise wirkt und bei der die Verstellkräfte gross sind.
Zu diesem Behufe wird gemäss dem Ver fahren nach vorliegender Erfindung eine in gesetzmässige Abhängigkeit von dem Strö mungsdrucke, der auf einen Widerstands körper von den vom Kreiselverdichter ge förderten Mittel ausgeübt wird, gebrachte, zur Betätigung des Verstellungsmittels bestimmte Verstellkraft wenigstens für einen Teil des Arbeitsbereiches des Kreiselverdichters un verändert erhalten.
Die Vorrichtung zur Aus übung dieses Verfahrens, welche mit einem dem Strömungsdrucke des vom Kreiselver dichter geförderten Mittels ausgesetzten, be weglich angeordneten Widerstandskörper ver sehen ist, weist erfindungsgemäss ein zwischen dein Förderdrucke ausgesetzten Raum und einem mit einer Ausflussöffnung versehenen Hilfsraume angeordnetes Drosselglied auf, das von dem Strömungsdrucke auf den Wider- standskörper so eingestellt wird,
dass zwischen dem Strömungsdrucke auf den Widerstands- körper und zwischen dein resultierenden stati schen Drucke auf das Drosselglied Gleich gewicht besteht. Mindestens einer jener Räume ist dann mit dem Verstellungsmittel (Glocken-, Membranen-, Kolbenvorrichtung) einer Steue- rungsvorrichtung verbunden, welch letztere ein den Betriebszustand des Kreiselverdichters beeinflussendes Regelglied betätigt.
Letzteres kann den Zufluss des Kraftmittels zu der den Kreiselverdichter antreibenden Maschine regeln, oder dieses Regelglied kann ein Abblaseventil sein, das im stabilen Arbeits bereich des Kreiselverdichters ganz geschlossen bleibt und erst bei Erreichung eines bestimm ten Wertes der oben genannten Verstellkraft sich so und nur um soviel öffnet, dass diese Verstellkraft unverändert bleibt.
Das erwähnte Verstell ungsmittel kann auch die Vorrichtung zur Veränderung der Um drehungszahl einer Geschwindigkeitsregulie rung für die den Kreiselverdichter antreibende Maschine beeinflussen und somit mittelbar auf das den Zufluss des Kraftmittels zu dieser Maschine regelnde Glied einwirken.
Auf der beiliegenden Zeichnung sind Aus führungen von Vorrichtungen zur Regelung des Betriebszustandes von Kreiselverdichtern nach dem neuen Verfahren veranschaulicht. Es zeigt Fig. 1 eine von den Betriebsverhältnissen in der Druckleitung des Kreiselverdichters primär beeinflusste Regelungsvorrichtung, die beispielsweise ein der) Zufluss des Kraftmittels zu der der) Kreiselverdichter antreibenden Maschine einstellt; Fig. 2 zeigt Schaulinien, die zur Veran schaulichung der Wirkungsweise der Rege lungsvorrichtung nach Fig. 1 dienen; Fig. 3 zeigt ein Abblasevertil, und Fig. 4 zeigt eine Abänderung eines Teils der in Fig. 1 veranschaulichten Regelungs vorrichtung;
Fig. 5 zeigt eine von den Betriebsver hältnissen in der Saugleitung und Druck leitung eines Kreiselverdichters primär beein- flussteRegelungsvorrichtung, die beispielsweise mittelbar ein den Zufluss des Kraftmittels zu der den Kreiselverdichter antreibenden Ma schine regelndes Glied einstellt, und Fig. 6 zeigt eine Abänderung einer Einzel heit der in Fig. 5 gezeigten Regelungsvor richtung.
In Fig. 1 bezeichnet 1 die Druckleitung eines Kreiselverdichters. In der Mitte dieser Leitung ist quer zu der von links nach rechts gerichteten Strömungsrichtung ein Teller 2 angeordnet, welcher vermittelst eines Winkel hebels 3, 4; eines Lenkers 5 und einer Stange 6 auf ein wagrecht angeordnetes Tellerventil 7 wirkt. Dieses Tellerventil schliesst einen Hilfs raum 8 gegenüber einem Raum 9 teilweise ab. Der Raum 9 ist unmittelbar in Verbindung mit der Druckleitung 1. Aus dem Hilfsraum 8 kann durch die kleine Öffnung 10 Luft ins Freie entweichen (beziehungsweise bei der Förderung eines Gases zu einem Ort niedrigen Druckes hinströmen).
Das die Räume 8 und 9 enthaltende Gehäuse 60 schliesst zwei weitere Räume 61, 62 ein, welche durch Bohrungen 63 miteinander und mit dem Raum 8 in Verbindung stehen und bis zur Höhe I-I mit Öl gefüllt sind. Im untersten Raum 62 ist an der Stange 6 eine Verdrängerscheibe 64 befestigt. Diese Einrichtung wirkt als Öl- bremse. Bei einem gewisser) Gleichgewichts zustand nehmen die Teile die in Fig. 1 ge zeigte Lage ein. Sobald die die Druckleitung 1 durchströmende, vom Kreiselverdichter ge förderte Menge vergrössert und dadurch ihre Geschwindigkeit gesteigert wird, erhält der Teller 2 einen grösseren von links nach rechts gerichteten Schub.
Dadurch wird das bisher herrschende Gleichgewicht zwischen dem Schub auf den Teller 2 und der auf das Tellerventil 7 wirkenden, dasselbe zu verstellen trachtenden resultierenden Kraft gestört. Das Ventil 7 wird etwas gehoben und der Spalt<B>71</B> daher etwas verringert; so dass die Drosselwirkung dieses Spaltes erhöht wird und sich im Hilfs raum 8 ein niedrigerer Druck einstellt.
Im Gleichgewichtszustande besteht nun Proportionalität zwischen dem totalen Strö mungsdrucke P auf den Teller im Druckrohr 1 und zwischen der Kraft P', welche die Resul tierende der auf den Ventilteller 7 wirkenden Kräfte bezeichnet. Wenn ferner p den stati schen Druck in dem Raum 9 und in der Druckleitung 1, und p, den statischen Druck in dem Hilfsraum 8 bezeichnen, so ist die Kraft P proportional der Druckdifferenz Q <I>p =</I> p <I>-</I> p). Es besteht also in jeder beliebigen Gleichgewichtslage des Systems die Beziehung: P prop. 1\.p, oder in Worten:
Die Differenz der Drücke in den beiden Räumen 9 und 8 gibt das genaue Mass des Stömungsdruckes P. Bezeichnet t die Strömungsgeschwindig keit in der Druckleitung 1 und r das spezi fische Gewicht des durchfliessenden Mittels, so gilt: P prop. v2 ³ r.
Wenn G das in der Zeiteinheit durch strömende Gewicht bedeutet, so besteht die Beziehung: v prop.
EMI0003.0001
Dies in den Ausdruck für P eingesetzt ergibt:
EMI0003.0002
Das durchströmende Gewicht G ist dem An saugevolumen Va der betreffenden Maschine proportional, und für das spezifische Gewicht in der Druckleitung besteht gemäss der all gemeinen Gasgleichung die Beziehung:
EMI0003.0003
wobei i die Gaskonstante ist und T die absolute Temperatur in der Druckleitung 1 bezeichnet.
Mit Benützung dieser Beziehungen ergibt sich
EMI0003.0004
Da in den meisten Fällen die Temperatur änderungen in der Druckleitung innerhalb der vorkommenden Betriebsschwankungen bezogen auf die absolute Temperatur verhältnismässig klein sind, so kann mit grosser Annäherung auch der Faktor T in vorstehender Formel als Konstante aufgefasst werden. Für die praktischen Anwendungen ergibt sich zudem, dass der Einfluss von T im richtigen, er wünschten Sinne zur Geltung kommt. Dann ergibt sich die einfache Beziehung:
EMI0003.0007
wobei C eine von der Beschaffenheit der Teile der Einrichtung abhängige Konstante bezeichnet.
In Worten: Der durch die be schriebene Einrichtung erzeugte Druckunter schied ist proportional dem Quadrate der Ansaugemenge am Saugstutzen der Maschine und umgekehrt proportional dem absoluten Druck in der Druckleitung der Maschine.
Wenn also vermöge irgend einer Ein richtung die Druckdifferenz # p konstant gehalten wird, so müssen die Betriebspunkte des Kreiselverdichters auf einer Parabel liegen in einem rechtwinkligen Koordinatensystem, in welchem das Ansaugevolunen V8 als Ab szisse und der absolute Druck p als Ordinate aufgetragen sind. Solche Parabeln sind aber in vielen Fällen die erwünschten Betriebs kurven von Kreiselverdichtern bei veränder licher Ansaugemenge, weil in vielen Fällen die Widerstände, welche durch die Kreisel maschine zu überwinden sind, nach einem solchen parabolischen Gesetz mit der Förder menge wachsen (beispielsweise bei der Fern förderung von Gas).
Um diese Aufgabe in Verbindung mit der beschriebenen, auch die Fördermenge zu be stimmen gestattenden Einrichtung zu lösen, bedarf es also nur irgend einer geeigneten Vorrichtung, welche zum Beispiel die die Kreiselmaschine antreibende Maschine so be- einflusst, dass die Druckdifferenz /\ p unver ändert bleibt. Diese Aufgabe kann beinahe genau mit den gleichen Mitteln gelöst werden, wie die Aufgabe, beispielsweise den Förder druck als solchen unverändert zu halten.
Als Ausführungsbeispiel ist in Fig. 1 folgende Vorrichtung gezeigt: Der Raum 9 ist durch Leitung 11 mit einem Raum 12 verbunden, der durch eine Membrane 13 abgeschlossen ist. Der Raum 14 über der Membrane 13 steht durch Leitung 15 mit dem Hilfsraum 8 in Verbindung. An der Membrane 13 ist eine Spindel 16 befestigt, welche bei 17 und 18 geführt und durch Lenker 19 mit einem Hebel 20 verbunden ist.
Lm den Punkt 21 kann sich ein Hebel 22 drehen, welcher sich-bei 23 auf die .Spindel 16 stützt und welcher ein verschiebbares Ge wicht 24 trägt. Durch einen Lenker 25 ist der Hebel 20 mit einem Steuerschieber 26 verbunden, der in einem Steuergehäuse 27 frei beweglich ist. 28 ist der Zylinder eines Servomotors, dessen Kolben 29 durch Kolben stange 30 oben mit dem Hebel 20 drehbar verbunden ist. Unten trägt die Kolbenstange 30- einen Ventilkörper 31, der in einem Ge häuse 32 angeordnet ist. Bei 33 tritt Druck flüssigkeit in das Steuergehäuse 27 ein und in diesem vorgesehene Ringkanäle 34 und 35 sind mit der untern, beziehungsweise obern Seite des Servonotorzylinders 28 verbunden.
Wenn nun beispielsweise das Ventil 31 den Kraftnittelzufluss einer Turbine regelt, welche den Kreiselverdichter antreibt, so spielt sich der Regelvorgang unter Bezugnahme auf Fig. 2 wie folgt ab In Fig. 2 sind in einem Vs, p Koordinaten- systen einige Charakteristiken des Kreisel verdichters für verschiedene U mdrehungszahlen n1 ....... rh eingezeichnet. Die Parabel I sei die verlangte Betriebskurve und es sei A der vor Beginn des Reguliervorganges herrschende Betriebspunrlt. Er liegt auf der erwähnten Parabel und auf r,.
Wenn nun zurr Beispiel der Verbrauch des durch den Kreiselverdichter geförderten gasförmigen Mittels abnimmt, wird eine Entlastung der Maschine eintreten und es kann sich zum Beispiel der Betriebspunkt B einstellen. Dieser liegt nicht auf der verlangten Parabel I. Die Druckdifferenz # p, das heisst die das V erstellungsmittel 13 beeinflussende V erstellkraft, ist zu klein (was sich aus
EMI0004.0009
wilcher Ausdruck #p proportional ist, er gibt), die Membrane 13 sinkt daher und mithin auch der Steuerschieber 26. Es tritt Druck flüssigkeit über den Servonotorkolben 29.
Dieser bewegt sich nach unten und schliesst das Ventil 31 ; die den Kreiselverdichter an treibende Maschine beginnt daher langsamer zu laufen, bis schliesslich der richtige Betriebs punkt C auf der Parabel I erreicht ist. Es ist aus der Fig. 1 ohne weiteres ersichtlich, dass vermöge des Hebels 20 die Regulierung mit der üblichen Rückführung arbeitet, wo durch die erforderliche Stabilität verbürgt wird.
Die genau gleiche Vorrichtung kann als sogenannte #Automatische Abblasevorrichtung für Kreiselverdichter" verwendet werden. Be kanntlich wird das Arbeitsgebiet eines Kreisel verdichters im pV s Koordinatensystem durch eine Grenzkurve in ein stabiles und in ein unstabiles Gebiet geschieden. Diese Grenz- kurve ist eine Parabel, welche durch den Punkt V s -- 0 und p = Ansaugedruck geht.
Die durch die beschriebene Vorrichtung ein stellbaren Betriebskurven sind zwar Parabeln, welche durch den Punkt V's = 0, p = 0 gehen. In den meisten praktischen Fällen und ins besondere bei Hochdruckverdichtern können aber diese Parabeln in dem praktisch wich tigen Gebiet mit grösster Annäherung zur Deckung gebracht werden mit den obener wähnten andern Parabeln, deren Scheitelpunkt etwas höher liegt. Wird die beschriebene Vor richtung als Abblaseregulierung benutzt, so bedeutet das Ventil 31 das Ausblaseveutil.
Wie in Fig. 3 gezeigt, ist es so ausge bildet, dass es bei der Aufwärtsbewegung der Stange 30 schliesst. Es sei beispielsweise die Parabel II die Grernzkiurve des Verdichters und die Belastung der Regulierung sei durch Verschiebung des Laufgewichtes 24 ent sprechend eingestellt. Wenn nun beispiels weise der Kreiselverdichter auf den Betriebs punkt D arbeitet, so ist im Verhältnis zer Parabel II der Druckunterschied #p, das heisst die Verstellkraft zu gross, die Membrane 13 steigt und damit auch derSteuerschieber 26.
Es tritt unter den Kolben 29 und das in Fig. 3 gezeigte Ventil 31 scliesst, und zwar vollständig, solange der Betriebs punkt rechts von der Grenzparabel Il liegt. Wenn dagegen der Betriebspunkt D sich auf der Grenzparabel befindet, so erreicht der Druckunterschied # p das Gleichgewicht reit der Belastung der Membrane 13. Bei Über schreitung der Grenzparabel wird dagegen der Druckunterschied zu klein, der Steuer schieber 26 bewegt sich nach abwärts und das Abblaseventil 31 beginnt sich zu eröffnen.
Wenn nun die Entnahmestelle der Abblase- luft ini Sinne der Strömung hinter dim Teller 2 in der Druckleitung sich befindet, so findet sofort infolge des Abblasens eire Rückwirkung auf die Reguliervorrichtung statt und diese eröffnet das Abblaseventil gerade nur soweit,
als es unbedingt notwendig ist_. um das Überschreiten der Grenzparabel 11 nach links zu vermeiden. Die beschriebene Vor richtung, welche den Druckunterschied ,j#, 1), das heilfit die das Verstellungsmittel 13 be- tätigende Verstellkraft, für einen Teil des Arbeitsgebietes des Kreiselverdichters, d.
1i. auf der linken Seite der (Trenzparabel II unverändert erhält, ist somit befähigt, bei irgend einer Umdrehungszahl einmal die Er öffnung des Abblaseventils 31 erst dort ein zuleiten, wo der kritische Punkt erreicht wird und zudem bei irgend einer Umdrehrurgszahl dieses Ventil nur so weit zu öffnen, als es unbedingt notwendig ist.
Bei der Benützung der Vorrichtung zur Regulierung auf eine bestimmte Betriebskurve kann sie auch so ausgebildet sein, dass sie anstatt unmittelbar auf das Regulierventil für das Kraftmittel der Antriebsmaschine des Kreiselverdichters einzuwirken, beispielsweise die Vorrichtung zur Veränderung der Um drehungszahl einer Geschwindigkeitsregulie rung für die den Kreiselverdichter antreibende Maschine beeinflusst. Die Vorrichtung wirkt dann in diesem Falle nur mittelbar als Regelungsvorrichtung.
In Fig. 4 ist gezeigt, wie die Vorrichtung nach Fig. 1 für einen solchen Fall beispiels weise abzuändern ist. In dieser Fig. 4 be zeichnet 50 eine Glocke, welche in eine Flüssigkeit taucht. Der Raum 51 unter der Glocke ist durch Leitung 11 mit einem dem Raum 9 der Fig. 1 entsprechenden, nicht gezeigten Raum und der Raum 52 über der Glocke durch Leitung 15 mit einem dem Raum 8 der Fig. 1 entsprechenden, ebenfalls nicht gezeigten Raum verbunden. Die Glocke 50 steht somit unter dem Einfluss der durch den Druckunterschied I #p =p - p1 darge stellten Verstellkraft.
Die ein Verstellungs mittel bildende Glocke 50 stellt anderseits unter dem Einflusse ihres eigenen Gewichtes und der nach abwärts gerichteten Kraft des federbelasteten Hebels 53, welcher auf eine mit der Glocke 50 und einem Steuerschieber 54 verbundene Stange 57 drückt. Der Schieber 54 steuert den Zufluss von Druckflüssigkeit zu einem Ölmotor 55. Dieser läuft je nach der Stellung des Schiebers 54 nach rechts oder links, oder er steht still. Die Drehung des Motors 55 wird durch ein Räderpaar 56, 57 auf eine mit Gewinde versehene Spindel 58 übertragen, mit welcher eine Hülse 59 zu sammenarbeitet. Letztere kann sich als Mutter auf dem Gewinde der Spindel 58 bewegen und erfährt je nach der Drehung des Motors 55 eine Bewegung nach oben oder nach unten.
Mit der Hülse 59 ist gelenkig ein Rück führungshebel 60 verbunden, welcher am andern Ende mit einer Hülse 61 eines Ge- sclwindigkeitsreglers 62 für eine den Kreisel verdieliter antreibenden, nicht gezeigten Tur bine gelenkig verbunden ist.
All den Hebel 60 ist bei 63 ein Steuerschieber 64 der Dampf- turbinenreguliervorrichtung angelenkt. Dieser Schieber 64 regelt den Zu- und Abfluss voll Druckflüssigkeit nach einem Zylinder 65, in welchem sich ein Kolben 66 verschieben känn. Dieser ist mit der Spindel 58 und durch Stange 67 mit einem Ventil 68 verbunden, das den Zutritt voll Dampf nach der nicht gezeigten Dampfturbine beherrscht. Die Teile 55, 56, 57, 58, 59, 60, 64 sind so ausgebildet und gegenseitig angeordnet, dass bei einer Abwärtsbewegung der Glocke 50 das Ventil 68 im Sinne des Schliessens bewegt wird.
Wenn die Regelungsvorrichtung in der in Fig. 4 gezeigten Weise ausgebildet ist, so spielt sich der voll der Glocke 50 beeinflusste Reguliervorgang wie folgt ab: .
Es soll die in Fig. 2 gezeigte Parabel 1- wiederum die verlangte Betriebskurve dar stellen und A der vor Beginn des Regulier vorganges herrschende Betriebspunkt sein. Wenn nun zum Beispiel der Verbrauch des durch den Kreiselverdichter gefördei-,teu Mit tels abnimmt, so wird sich der Betriebs punkt A auf der Kurve n2 nach Bi ver schieben, da die Geschwindigkeitsregulierung eine Änderung der Umdrehungszahl n2 vor erst nicht zulässt.
Der Druekunterschied Ap, welchem die Glocke 50 ausgesetzt ist, ist null aber zu klein, weshalb die Glocke und der Steuersehieber 54 unter dem Einflusse der auf den Hebel 53 einwirkenden Feder nach abwärts bewegt werden. Das hat eine solche Bewegung des Motors 55 und der Spindel 58 zur Folge, dass das Ventil 68 infolge entsprechender Ausbildung der Ge schwindigkeitsregulierung und der mit ihr zusammenarbeitenden' Vorrichtung nach ab wärts,
das heisst in dem eine Abnahme der Geschwindigkeit der Turbine und somit des Verdichters bedingenden Sinne bewegt wird. Die Maschine läuft infolgedessen langsamer, so dass der vom Verdichter erzeugte Druck sinkt und schliesslich wieder der richtige Betriebspunkt C auf der Parabel Z erreicht wird. Wie die Lage der Punkte B und B1 zeigt, ergeben sich bei der Benutzung der zuletzt beschriebenen Vorrichtung kleinere Geschwindigkeitsschwankungen als bei der Benutzung der in Fig. 1 veranschaulichten Vorrichtung. Alle beschriebenen Ausführungen weisen aber die Vorteile auf, dass sie sehr genau und mit grossen Verstellkräften arbeiten. Sie sind ferner unabhängig von der Saug leitung, so dass eine solche auch fehlen, das heisst der Kreiselverdichter unmittelbar aus der Atmosphäre saugen kann.
Es sei erwähnt, dass eine Mehrbelastung der Membrane 13 oder der Glocke 50 be wirkt, dass eine flachere Betriebskurve sich einstellt und umgekehrt.
Im Falle der Benutzung der Regelungs vorrichtung für die Betätigung eines Abblase ventils wird die Grenzkurve ebenfalls flacher (also mehr nach rechts) gestellt, wenn die Regulierung stärker belastet wird. Die gleiche Wirkung hätte auch beispielsweise die An bringung eines kleineren Tellers 2 und um gekehrt.
Es sei ferner erwähnt, dass die Öffnung 10 in Wegfall kommt und dafür eine Öffnung am Raum 14 bezw. 52 vorgesehen werden kann (Blende 36 bezw. 55), Die gezeigten Ausführungen weisen den Vorteil auf, dass eine Undichtheit in der Führung 17 bezie hungsweise in der Führung 56 keine schäd liche Wirkung hat, da aus diesen Räumen ohnehin Luft beziehungsweise Gas abgeführt werden muss. Eine Veränderung der Öffnung 10 in einem gewissen Grade hat auf das Spiel der Regulierung keinen Einfluss, indem sich einfach das Tellerventil 7 entsprechend einstellt.
Bei der in Fig. 5 gezeigten Ausführungs form bezeichnet 100 die Saugleitung eines Kreiselverdichters, in deren Mitte ein dem Teller 2 der ersten Ausführungsform ent sprechender Teller 101 angeordnet ist. Dieser ist vermittelst eines Winkelhebels 102, eines Lenkers 103 und einer Stange 105 mit einem Ventil 104 beweglich verbunden. Letzteres beherrscht die Verbindung zwischen einem Raume 106, der mit der nicht gezeigten Druckleitung des Kreiselverdichters in Ver bindung steht, und einem Hilfsraum 107, aus welchem Mittel durch eine ein Einstell ventil enthaltende Leitung 108 in einen mit der Saugleitung 100 in Verbindung stehenden Raum 109 strömen kann. Infolge dieser An ordnung ist es nicht erforderlich, dass bei 110 die Ventilstange 105 dicht durchgeführt wird, da ohnehin aus dem Hilfsraum 107 Mittel ausströmen muss.
Bezeichnet nun P den Strömungsdruck auf dem Teller 101, Vs das Ansaugevolumen, ps den Druck in der Saugleitung und Ts die absolute Temperatur in der Saugleitung, so ist bekanntlich
EMI0006.0003
In den meisten Fällen können p8 und T, praktisch als konstant angesehen werden, so dass sich ergibt P prop. V,2.
Dieser Strömungsdruck P steht bei Gleich gewichtslage des Systems im Gleichgewicht mit der resultierenden Kraft P' auf das Ventil 104, welches unter dem Einflusse der Drücke p und pr in den Räumen 106 bezw. 107 steht. Der Druck p entspricht dem stati schen Druck in der Druckleitung des Kreisel verdichters.
Es ergibt sich somit die Beziehung: 1)_pl-C. i8= wobei C eine Konstante der Apparatur ist, oder J -.p1 Wird nun durch ein Mittel (irgend eine Regulierung auf konstanten Druck) der Druck p1 im Hilfsraume<B>107</B> konstant gehalten, so bedeutet obige (lleichung eine Parabel in einem rechtwinkligen Koordinatensystem mit Z e als Abszisse und p als Ordinate. p1 hat dann die Bedeutung des Abstandes des Scheitelpunktes der Parabel vom Nullpunkt.
Die Konstante p1 ist bei irgend einer Druck regulierung auf die einfachste Weise einstell bar (Veränderung der Belastung einer Glocke, eines Kolbens oder einer Membrane). Man hat es also in der Hand, für Vs - 0 den Anfangspunkt der Parabel in beliebiger Weise einzustellen. Insbesondere ist es möglich, p1 gleich dem Atmosphärendruck beziehungs weise gleich dem Druck in der Saugleitung zu wählen und dadurch eine Parabel zu verwirklichen, wie sie in vielen Fällen ge wünscht ist.
In Fig. 5 ist der Hilfsraum 107 durch eine Leitung 111 mit einem Raume 112 ver bunden, der oben von einer in eine Flüssig keit eintauchenden Glocke 113 begrenzt ist. 114 bezeichnet einen Raum, der mit der Atmosphäre in Verbindung steht. Die Glocke 113 ist mit einem Steuerschieber 115 ver bunden, der in derselben Weise wie der Steuerschieber 54 der in Fig. 4 gezeigten Anordnung den Zufluss von Druckflüssigkeit zu einem nicht gezeigten Ölmotor beherrscht, welcher zu einer ebenfalls nicht gezeigten Vorrichtung zur Veränderung der Umdrehungs zahl eine Geschwindigkeitsregulierung für den Kreiselverdichter gehört und welche Vor richtung dazu dient, p1, das heisst die die Betätigung des Verstellungsmittcls 113 be wirkende Verstellkraft, -mittelbar konstant zu halten.
Wie erwähnt, hängt die Steilheit der Parabel von der Konstante C ab. Diese Kon stante kann durch Veränderung der Grösse des Tellers 101, oder des Ventils 104, oder durch Veränderung der Übersetzung des Hebels 102 geändert werden. , Fig. 6 zeigt eine Ausführung, welche das Hebelverhältnis zwischen Teller 101 und dem in dieser Fig. 6 nicht gezeigten Ventil 104 zu verändern gestattet. Es ist hier zwischen den Arm 117 des Winkelhebels und der Stange 105 ein Hebel 119 eingeschaltet, der um den festen Punkt 120 drehbar ist. So wohl auf den Hebelarm 116 des Winkel hebels als auf dem Hebel 119 ist je eine hohle Gewindestange 121 bezw. 122 ange bracht. Auf diesen Gewindestangen sitzen Muttern 123 bezw. 124, welche durch eine Lasche 125 verbunden sind.
Durch Drehen der hohlen Gewindestangen 121 und 122 kann die Lasche 125 nach rechts oder nach links verschoben werden, wodurch das Über setzungsverhältnis geändert wird.
Die Steilheit der Parabel kann auch da durch geändert werden, dass der Druck in dein Raum 106 nicht identisch gemacht wird mit dem Förderdruck p, sondern dass dopt ein Druck eingestellt wird, welcher in einem bestimmten Verhältnis zum Förderdruck p steht. Zu dieser) Zweck kann beispielsweise der Raum 106 anstatt mit der Druckleitung des Kreiselverdichters mit irgend einer Stufe des letzteren verbunden sein.
Beim Fördern von Luft kann die in Fig. 5 gezeigte Leitung 108 weggelassen und der Raum 107 unter Vermittlung einer Blende mit der Atmosphäre in Verbindung gesetzt werden.
Die beschriebenen Regelungsvorrichtungen lassen sich auch verwenden, um zum Bei spiel den Regulierwiderstand eines elektrischen Motors zu verstellen, der den Kreiselverdichter antreibt, oder um bei einem elektrisch ange triebenen Verdichter eine als Regelglied die nende Drosselklappe in der Saugleitung zu betätigen, oder auch um auf eine Vorrichtung zur Verstellung von Diffusorschaufeln oder von andern Leitapparaten zu wirken.
Method and device for regulating the operating state of centrifugal compressors. The invention relates to a method for regulating the operating state of centrifugal compressors in a simultaneous dependence on the intake volume and your delivery pressure, and a device for performing this method.
The purpose of the invention is to create a control device of this type in which, in contrast to the) previously known From executions that usually have two adjustment means (piston, membrane, Glockenvor direction), one of which by volume and the change is influenced by the pressure, a single such adjustment means is to be attached. Furthermore, the invention aims to create a control of the type mentioned, which acts in a very precise manner and in which the adjustment forces are large.
To this end, according to the method according to the present invention, a lawful dependence on the flow pressures that is exerted on a resistance body by the means promoted by the centrifugal compressor, brought to actuate the adjustment means for at least part of the working range of the Centrifugal compressor received unchanged.
The device for practicing this method, which is provided with a movable resistance body exposed to the flow pressures of the means conveyed by the centrifugal compressor more densely, has according to the invention a space exposed between the delivery pressures and an auxiliary space provided with an outflow opening which is arranged by the flow pressure on the resistance body is set so that
that there is an equilibrium between the flow pressure on the resistance body and between the resulting static pressure on the throttle element. At least one of those spaces is then connected to the adjustment means (bell, diaphragm, piston device) of a control device, the latter actuating a control element that influences the operating state of the centrifugal compressor.
The latter can regulate the inflow of the power means to the machine driving the centrifugal compressor, or this control element can be a blow-off valve that remains completely closed in the stable working area of the centrifugal compressor and only changes as much and only by as much when a certain value of the above-mentioned adjustment force is reached opens so that this adjusting force remains unchanged.
The aforementioned adjustment means can also influence the device for changing the number of revolutions of a speed regulation for the machine driving the centrifugal compressor and thus act indirectly on the element regulating the flow of the power means to this machine.
In the accompanying drawings, from executions of devices for controlling the operating state of centrifugal compressors are illustrated by the new method. 1 shows a control device which is primarily influenced by the operating conditions in the pressure line of the centrifugal compressor and which, for example, adjusts the flow of the power medium to the machine driving the centrifugal compressor; Fig. 2 shows viewing lines that serve to illustrate the operation of the Rege treatment device according to FIG. 1; Fig. 3 shows a relief valve and Fig. 4 shows a modification of part of the control device illustrated in Fig. 1;
5 shows a control device primarily influenced by the operating conditions in the suction line and pressure line of a centrifugal compressor, which, for example, indirectly adjusts a member regulating the flow of the power to the machine driving the centrifugal compressor, and FIG. 6 shows a modification of an individual means the device shown in Fig. 5 Regelungsvor.
In Fig. 1, 1 designates the pressure line of a centrifugal compressor. In the middle of this line, a plate 2 is arranged transversely to the flow direction directed from left to right, which by means of an angle lever 3, 4; a handlebar 5 and a rod 6 acts on a horizontally arranged poppet valve 7. This poppet valve closes an auxiliary space 8 with respect to a space 9 partially. The space 9 is directly connected to the pressure line 1. From the auxiliary space 8, air can escape into the open through the small opening 10 (or, when a gas is conveyed, can flow to a place of low pressure).
The housing 60 containing the spaces 8 and 9 encloses two further spaces 61, 62 which are connected to one another and to the space 8 through bores 63 and are filled with oil up to level I-I. In the lowest space 62, a displacement disk 64 is attached to the rod 6. This device acts as an oil brake. At a certain) state of equilibrium, the parts take the ge in Fig. 1 showed a position. As soon as the amount flowing through the pressure line 1, conveyed by the centrifugal compressor, is increased and its speed is increased as a result, the plate 2 receives a greater thrust directed from left to right.
As a result, the previously existing equilibrium between the thrust on the plate 2 and the resulting force acting on the plate valve 7 and trying to adjust the same is disturbed. The valve 7 is raised somewhat and the gap <B> 71 </B> is therefore somewhat reduced; so that the throttling effect of this gap is increased and a lower pressure is set in the auxiliary space 8.
In the state of equilibrium there is now proportionality between the total Strö flow pressures P on the plate in the pressure pipe 1 and between the force P ', which denotes the resulting animals of the forces acting on the valve plate 7. Furthermore, if p denotes the static pressure in the space 9 and in the pressure line 1, and p denotes the static pressure in the auxiliary space 8, then the force P is proportional to the pressure difference Q <I> p = </I> p <I > - </I> p). So in any equilibrium position of the system there is the relation: P prop. 1 \ .p, or in words:
The difference between the pressures in the two spaces 9 and 8 gives the exact measure of the flow pressure P. If t is the flow velocity in the pressure line 1 and r is the specific weight of the medium flowing through, the following applies: P prop. v2 ³ r.
If G means the weight flowing in the unit of time, then the relationship exists: v prop.
EMI0003.0001
Inserting this into the expression for P gives:
EMI0003.0002
The weight G flowing through is proportional to the suction volume Va of the machine in question, and according to the general gas equation, the relationship for the specific weight in the pressure line is:
EMI0003.0003
where i is the gas constant and T denotes the absolute temperature in the pressure line 1.
Using these relationships results
EMI0003.0004
Since in most cases the temperature changes in the pressure line within the operating fluctuations that occur are relatively small in relation to the absolute temperature, the factor T in the above formula can also be taken as a constant as a close approximation. For practical applications, it also follows that the influence of T comes into play in the correct, desired sense. Then there is the simple relationship:
EMI0003.0007
where C denotes a constant dependent on the nature of the parts of the device.
In words: the difference in pressure generated by the device described is proportional to the square of the suction volume at the suction port of the machine and inversely proportional to the absolute pressure in the pressure line of the machine.
So if the pressure difference # p is kept constant by any device, the operating points of the centrifugal compressor must lie on a parabola in a right-angled coordinate system in which the suction volume V8 is plotted as an abscissa and the absolute pressure p as an ordinate. In many cases, however, such parabolas are the desired operating curves of centrifugal compressors with variable intake volume, because in many cases the resistances that must be overcome by the centrifugal machine increase with the flow rate according to such a parabolic law (for example, in long-distance transport of gas).
In order to solve this task in connection with the described device, which also allows the flow rate to be determined, all that is required is some suitable device which, for example, influences the machine driving the centrifugal machine so that the pressure difference / \ p does not change remains. This task can be solved almost exactly with the same means as the task, for example to keep the delivery pressure unchanged as such.
As an exemplary embodiment, the following device is shown in FIG. 1: The space 9 is connected by a line 11 to a space 12 which is closed off by a membrane 13. The space 14 above the membrane 13 is in communication with the auxiliary space 8 through line 15. A spindle 16, which is guided at 17 and 18 and connected to a lever 20 by means of a link 19, is attached to the membrane 13.
Lm the point 21, a lever 22 can rotate, which-at 23 is based on the .Spindel 16 and which carries a sliding weight 24 Ge. The lever 20 is connected by a link 25 to a control slide 26, which is freely movable in a control housing 27. 28 is the cylinder of a servo motor, the piston 29 of which is rotatably connected to the lever 20 by piston rod 30 above. At the bottom the piston rod 30 carries a valve body 31 which is arranged in a housing 32 Ge. At 33 pressure fluid enters the control housing 27 and provided in this annular channels 34 and 35 are connected to the lower or upper side of the servo motor cylinder 28.
If, for example, the valve 31 regulates the fluid flow of a turbine which drives the centrifugal compressor, the control process takes place as follows with reference to FIG. 2. In FIG. 2, some characteristics of the centrifugal compressor for are in a Vs, p coordinate system different speeds n1 ....... rh are shown. Let parabola I be the required operating curve and let A be the operating point prevailing before the start of the regulation process. It lies on the parabola mentioned and on r ,.
If, for example, the consumption of the gaseous medium conveyed by the centrifugal compressor decreases, the machine will be relieved and operating point B can be set, for example. This does not lie on the required parabola I. The pressure difference # p, that is to say the V creating force influencing the creation means 13, is too small (which results from
EMI0004.0009
which expression #p is proportional, it gives), the diaphragm 13 therefore sinks and consequently the control slide 26 as well. Pressure fluid occurs via the servo motor piston 29.
This moves down and closes the valve 31; the machine driving the centrifugal compressor therefore begins to run more slowly until the correct operating point C on parabola I is finally reached. It can be readily seen from FIG. 1 that, by virtue of the lever 20, the regulation works with the usual feedback, where the required stability is guaranteed.
The exact same device can be used as a so-called "automatic blow-off device for centrifugal compressors". It is known that the working area of a centrifugal compressor in the pV s coordinate system is divided into a stable and an unstable area by a limit curve. This limit curve is a parabola, which goes through the point V s - 0 and p = suction pressure.
The operating curves that can be set by the device described are indeed parabolas which go through the point V's = 0, p = 0. In most practical cases and especially with high-pressure compressors, however, these parabolas in the practically important area can be brought as close as possible to congruence with the other parabolas mentioned above, the apex of which is somewhat higher. If the described device is used as a blow-off control, the valve 31 means the blow-off valve.
As shown in Fig. 3, it is formed so that it closes when the rod 30 moves upward. For example, let the parabola II be the Grernz curve of the compressor and the load on the regulation should be adjusted accordingly by moving the barrel weight 24. If, for example, the centrifugal compressor is working at operating point D, the pressure difference #p in the ratio of zer parabola II, i.e. the adjusting force, is too great, the diaphragm 13 rises and thus the control slide 26 too.
It occurs under the piston 29 and the valve 31 shown in Fig. 3 closes, and completely, as long as the operating point is to the right of the limit parabola II. If, on the other hand, the operating point D is on the limit parabola, the pressure difference # p reaches equilibrium with the load on the diaphragm 13. If the limit parabola is exceeded, the pressure difference is too small, the control slide 26 moves downwards and the relief valve 31 begins to open up.
If the extraction point of the blow-off air in the sense of the flow is behind the plate 2 in the pressure line, then immediately as a result of the blow-off there is a reaction on the regulating device and this opens the blow-off valve just to the extent that
than it is absolutely necessary_. in order to avoid crossing the limit parabola 11 to the left. The device described before, which the pressure difference, j #, 1), the Heilfit the adjusting force operating the adjustment means 13, for part of the working area of the centrifugal compressor, d.
1i. on the left side of the (Trenzparabel II remains unchanged) is thus able to open the blow-off valve 31 only once at any number of revolutions, where the critical point is reached and, moreover, to open this valve only so far at any number of revolutions than is strictly necessary.
When using the device to regulate to a specific operating curve, it can also be designed so that instead of acting directly on the regulating valve for the power means of the drive machine of the centrifugal compressor, for example the device for changing the speed of a speed regulator for the one driving the centrifugal compressor Machine influences. In this case, the device only acts indirectly as a control device.
In Fig. 4 it is shown how the device of FIG. 1 is to be modified, for example, for such a case. In this Fig. 4 be 50 indicates a bell which is immersed in a liquid. The space 51 under the bell is connected by line 11 to a space not shown corresponding to space 9 in FIG. 1 and the space 52 above the bell is connected by line 15 to a space corresponding to space 8 in FIG. 1, likewise not shown . The bell 50 is thus under the influence of the adjusting force represented by the pressure difference I #p = p-p1.
The bell 50, which forms an adjustment, is on the other hand under the influence of its own weight and the downward force of the spring-loaded lever 53, which presses on a rod 57 connected to the bell 50 and a control slide 54. The slide 54 controls the flow of pressure fluid to an oil motor 55. Depending on the position of the slide 54, this runs to the right or left, or it stands still. The rotation of the motor 55 is transmitted through a pair of wheels 56, 57 to a threaded spindle 58 with which a sleeve 59 works together. The latter can move as a nut on the thread of the spindle 58 and, depending on the rotation of the motor 55, experiences a movement upwards or downwards.
With the sleeve 59, a return lever 60 is articulated, which is articulated at the other end to a sleeve 61 of a speed regulator 62 for a turbo, not shown, driving the gyro.
A control slide 64 of the steam turbine regulating device is articulated to all of the levers 60 at 63. This slide 64 regulates the inflow and outflow of full pressure fluid to a cylinder 65 in which a piston 66 can move. This is connected to the spindle 58 and through rod 67 to a valve 68 which controls the admission of full steam to the steam turbine, not shown. The parts 55, 56, 57, 58, 59, 60, 64 are designed and mutually arranged in such a way that when the bell 50 moves downward, the valve 68 is moved in the sense of closing.
If the regulating device is designed in the manner shown in FIG. 4, the regulating process fully influenced by the bell 50 takes place as follows:.
It should be the parabola shown in Fig. 2 1- in turn, the required operating curve and A be the operating point prevailing before the start of the regulation process. If, for example, the consumption of the medium pumped by the centrifugal compressor decreases, the operating point A on curve n2 will shift to Bi, since the speed regulation does not allow a change in the number of revolutions n2 before.
The pressure difference Ap to which the bell 50 is exposed is zero but too small, which is why the bell and the control slide 54 are moved downward under the influence of the spring acting on the lever 53. This has the consequence of such a movement of the motor 55 and the spindle 58 that the valve 68 as a result of the corresponding design of the speed regulation and the device cooperating with it downwards,
This means that a decrease in the speed of the turbine and thus of the compressor is moved. As a result, the machine runs more slowly, so that the pressure generated by the compressor drops and the correct operating point C on the parabola Z is finally reached again. As the position of the points B and B1 shows, when using the device described last, smaller speed fluctuations result than when using the device illustrated in FIG. However, all of the designs described have the advantage that they work very precisely and with large adjusting forces. They are also independent of the suction line, so that there is also no such line, i.e. the centrifugal compressor can suck directly from the atmosphere.
It should be mentioned that an additional load on the membrane 13 or the bell 50 has the effect that a flatter operating curve is set and vice versa.
If the control device is used to operate a blow-off valve, the limit curve is also made flatter (i.e. more to the right) when the regulation is heavily loaded. The same effect would, for example, be attached to a smaller plate 2 and vice versa.
It should also be mentioned that the opening 10 is omitted and an opening in the space 14 respectively. 52 can be provided (cover 36 or 55), the embodiments shown have the advantage that a leak in the guide 17 or in the guide 56 has no harmful effect, since air or gas has to be removed from these spaces anyway . A change in the opening 10 to a certain extent has no influence on the play of the regulation in that the poppet valve 7 is simply adjusted accordingly.
In the embodiment shown in FIG. 5, 100 denotes the suction line of a centrifugal compressor, in the center of which a plate 101 corresponding to the plate 2 of the first embodiment is arranged. This is movably connected to a valve 104 by means of an angle lever 102, a link 103 and a rod 105. The latter dominates the connection between a space 106, which is connected to the pressure line, not shown, of the centrifugal compressor, and an auxiliary space 107, from which means flow through a line 108 containing an adjustment valve into a space 109 connected to the suction line 100 can. As a result of this arrangement, it is not necessary for the valve rod 105 to be carried out tightly at 110, since medium must flow out of the auxiliary space 107 anyway.
If P denotes the flow pressure on the plate 101, Vs the suction volume, ps the pressure in the suction line and Ts the absolute temperature in the suction line, it is known
EMI0006.0003
In most cases p8 and T, can be regarded as practically constant, so that P prop results. V, 2.
This flow pressure P is in equilibrium position of the system in equilibrium with the resulting force P 'on the valve 104, which respectively under the influence of the pressures p and pr in the spaces 106. 107 stands. The pressure p corresponds to the static pressure in the pressure line of the centrifugal compressor.
This results in the relationship: 1) _pl-C. i8 = where C is a constant of the apparatus, or J -.p1 If the pressure p1 in the auxiliary space <B> 107 </B> is kept constant by some means (some regulation to constant pressure), the above equation means a Parabola in a right-angled coordinate system with Z e as abscissa and p as ordinate.p1 then has the meaning of the distance between the apex of the parabola and the zero point.
The constant p1 can be set in the simplest way for any type of pressure regulation (changing the load on a bell, piston or diaphragm). So it is up to you to set the starting point of the parabola in any way for Vs - 0. In particular, it is possible to choose p1 equal to atmospheric pressure or equal to the pressure in the suction line, thereby realizing a parabola, as is desired in many cases.
In Fig. 5, the auxiliary space 107 is ver by a line 111 with a space 112 connected, which is bounded above by a bell 113 immersed in a liquid speed. 114 denotes a space that is connected to the atmosphere. The bell 113 is connected to a spool 115 which, in the same way as the spool 54 of the arrangement shown in FIG. 4, controls the inflow of hydraulic fluid to an oil motor, not shown, which to a device for changing the number of revolutions, also not shown Speed regulation for the centrifugal compressor belongs and which device serves to keep p1, that is to say the actuating force of the adjusting means 113, indirectly constant.
As mentioned, the steepness of the parabola depends on the constant C. This constant can be changed by changing the size of the plate 101, or the valve 104, or by changing the translation of the lever 102. FIG. 6 shows an embodiment which allows the lever ratio between plate 101 and valve 104, not shown in this FIG. 6, to be changed. A lever 119, which is rotatable about the fixed point 120, is connected between the arm 117 of the angle lever and the rod 105. So probably on the lever arm 116 of the angle lever than on the lever 119 is a hollow threaded rod 121 respectively. 122 attached. On these threaded rods sit nuts 123 respectively. 124, which are connected by a bracket 125.
By rotating the hollow threaded rods 121 and 122, the tab 125 can be shifted to the right or to the left, whereby the transmission ratio is changed.
The steepness of the parabola can also be changed by the fact that the pressure in the space 106 is not made identical to the delivery pressure p, but that dopt a pressure is set which is in a certain ratio to the delivery pressure p. For this purpose, for example, the space 106 can be connected to any stage of the latter instead of the pressure line of the centrifugal compressor.
When conveying air, the line 108 shown in FIG. 5 can be omitted and the space 107 can be connected to the atmosphere by means of a screen.
The control devices described can also be used, for example, to adjust the regulating resistor of an electric motor that drives the centrifugal compressor, or to operate a throttle valve in the suction line as a control element in an electrically powered compressor, or to operate on a Device for adjusting diffuser blades or other diffusers to act.