Die Erfindung bezieht sich auf einen Zentrifugalturbokompressor gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Kompressors.
In Zentrifugalturbomaschinen wie Gaskompressoren wird die kinetische Energie des strömenden Mediums, das mit hoher Geschwindigkeit aus dem Laufrad austritt, in Druckenergie umgewandelt, und der Wirkungsgrad und die Stabilität des Kompressors sind von den Einrichtungen zum Umwandeln der kinetischen Energie in statischen Druck abhängig. Eines der Hauptprobleme, das bei der Verwendung von mit festen Drehzahlen arbeitenden Zentrifugalturbokompressoren für Kälteanlagen auftritt, in denen sich die Kompressionsbelastung über einem breiten Bereich ändert, ist die Strömungsstabilisierung durch den Kompressor. Der Kompressoreinlass, das Laufrad und der Diffusorkanal müssen so bemessen werden, dass sich der gewünschte maximale Mengendurchsatz ergibt.
Wenn jedoch die Kapazitätssteuerung der Maschine vorgenommen wird, indem die Position einer Reihe von einstellbaren Leitschaufeln verändert wird, die an dem Einlass der Maschine angeordnet sind, wogegen der Diffusorverengungsquerschnitt fest ist, wird der Mengendurchsatz an Kältemittel, das zu dem Laufrad gefördert wird, verändert, um ihn den sich än dernden Belastungen der Maschine anzupassen. Bei maximaler Strömung kann jedoch das das Laufrad verlassende Kältemittel mehr sein als der feste Diffusor aufnehmen kann, so dass die Strömung in der Diffusorverengung gedrosselt wird. Wenn ein niedriger Mengendurchsatz durch einen solchen Kompressor vorhanden ist, kann der Diffusor zu gross sein und die Strömung wird instabil. Wenn der Mengendurchsatz ab einem stabilen Bereich vergrössert wird, erfolgt der Eintritt in einen Bereich von etwas instabiler Strömung.
In diesem Bereich etwas instabiler Strömung löst sich die Strömung sowohl in dem Laufrad als auch in dem Diffusor von der Wand auf der gesamten Länge des Strömungskanals ab, und es scheint zu einer teilweisen Strömungsumkehr in dem Diffusorkanal zu kommen, wodurch Geräusche erzeugt werden und der Kompressorwirkungsgrad verringert wird. Unterhalb dieses etwas instabilen Bereiches tritt in dem Kompressor sogenanntes Pumpen auf, bei dem es zu periodischen vollständigen Strömungsumkehrungen in dem Diffusorkanal kommt, durch die der Wirkungsgrad der Maschine zerstört wird.
Viele Hochleistungszentrifugalstufen haben einen Diffusorabschnitt mit festen Leitschaufeln, um die Umkehr der kinetischen Energie zu erzielen, da ein beschaufelter Diffusor bei dem Entwurfseinstellwinkel wirksamer ist als ein unbeschaufelter Diffusor. Der untere Strömungsgrenzwert entspricht dem Einsetzen eines Pump- oder Strömungsabrisszustands, der auftritt, wenn die Fluidströmung aus dem Laufrad tangentialer wird, wenn die Strömung abnimmt. Das erzeugt einen grossen Strömungswinkel und eine starke Strömung in bezug auf die Vorderkante der feststehenden Diffusorleitschaufeln, wodurch eine kräftige Instabilität erzeugt wird. Der obere Strömungsgrenzwert entspricht einem Drosselzustand, der verursacht wird, wenn die Fluidströmung aus dem Laufrad radialer wird und schliesslich die Diffusorverengung unter sehr grossem Verlust an kinetischer Energie verstopft.
Da ein schaufelloser Diffusor eine bessere Leistung bei vom Entwurfswert abweichendem Betrieb als ein beschaufelter Diffusor hat, weil bei ihm die mit dem Einfallswinkel verbundenen Verluste nicht auftreten, wird er häufig dort gewählt, wo es beträchtlichen vom Entwurfswert abweichenden Betrieb gibt.
Verschiedene Methoden sind angewandt worden, um den Bereich zwischen den Pump- und Verstopfungsgrenzwerten eines Kompressors zu vergrössern. Leitschaufeln in dem Einlass des Kompressors sind benutzt worden, um die Strömungsrichtung und -menge des eintretenden Gases zu verändern. Bewegliche Diffusorleitschaufeln sind ebenfalls benutzt worden, um das Ausrichten der Leitschaufeln auf die sich ändernde Strömungsrichtung zu gestatten, wenn sich die Durchflussrichtung ändert.
Drehzahlveränderliche Kompressoren, bei denen die Drehzahl des Laufrades verändert wird, um Änderungen in den Durchflussleistungen zu gestatten, sind mit einigem Erfolg im Stand der Technik benutzt worden. Diese drehzahlveränderlichen Maschinen sind jedoch sehr komplex und deshalb teuer in der Herstellung und im Betrieb. Infolgedessen haben sie im Stand der Technik und insbesondere in der Kälteindustrie keine allgemeine Verbreitung gefunden.
Eine erfolgreichere Methode des Verbesserns sowohl des Wirkungsgrades als auch des Betriebsbereiches eines Zentrifugalturbokompressors ist die Verwendung eines in veränderlicher Breite beschaufelten Diffusors. In diesem besonderen Fall enthält der Diffusor eine bewegliche Wand, die in bezug auf eine feste Wand wahlweise positioniert werden kann, um dazwischen die Strömung von Kältemittel zu steuern. Bei der Steuerung mit beweglicher Wand werden die Einlassleitschaufeln des Kompressors auf herkömmliche Weise benutzt, um die Mas senströmung von Kältemittel durch die Maschine zu regulieren, wogegen die Diffusorwandposition verändert wird, um Pumpen zu verhindern. Das Prinzip des beschaufelten Diffusors mit beweglicher Wand wird benutzt, um einen optimalen Einfallswinkel unabhängig von den Belastungszuständen aufrechtzuerhalten.
Das Einquetschen der Strömung durch Bewegen der verstellbaren Wand nach innen und somit Reduzieren der Breite des Diffusors wird eine radialere Strömungsrichtung ergeben, da die Breitenverringerung die radiale Geschwindigkeitskomponente (Massenkonservation) vergrössert, aber die tangentiale Komponente unbeeinflusst lässt (Drallkonservation).
Der Zentrifugalturbokompressor nach der Erfindung ist im Patentanspruch 1. gekennzeichnet. Anspruch 2. betrifft eine bevorzugte Ausgestaltung desselben. In Anspruch 3. ist das erfindungsgemässe Verfahren zum Betrieb des Kompressors nach der Erfindung angegeben.
Bei dem Zentrifugalturbokompressor nach der Erfindung lässt sich die Kapazität verändern. Dadurch wird ein breiter Bereich von stabilen Durchflussleistungen erreicht.
Weiter lässt sich bei dem Zentrifugalturbokompressor nach der Erfindung, die Gasströmung bei extrem niedrigen Durchflussleistungen stabilisieren
Der Wirkungsgrad des erfindungsgemässen Zentrifugalturbokompressors ist über einem breiten Bereich von Durchflussleistungen optimiert. Durch den Diffusor mit dem beweglichen Büchsenring lässt sich der stabile Betriebsbereich des Zentrifugalkompressors ausdehnen, indem der umlaufende Strömungsabriss in dem beschaufelten Diffusor auf später verlegt wird.
Weiter gestattet die Erfindung verdrehte Diffusorleitschaufeln in Kombination mit dem beweglichen Büchsenring.
Schliesslich sind bei dem Zentrifugalturbokompressor nach der Erfindung Strömungsverluste aufgrund von Leckage durch den Spalt zwischen den Leitschaufeln und den Schlitzen in einer beweglichen Wand eliminiert und ein Kontakt und ein Hängenbleiben zwischen der beweglichen Wand und den Leitschaufeln beseitigt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit den beigefügtenen Zeichnungen, die ein Teil dieser Beschreibung sind und in denen gleiche Teile gleiche Bezugszahlen tragen und in denen
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Zentrifugalturbokompressionskälteanlage mit einem beweglichen Ring nach der Erfindung ist; und
Fig. 2 in Seitenansicht und teilweise im Schnitt einen Teil des in Fig. 1 gezeigten Zentrifugalturbokompressors nach der Erfindung zeigt, dessen Diffusorbüchsenring in offener Position dargestellt ist.
Fig. 1 zeigt eine Zentrifugalturbodampfkompressionskälteanlage 31 mit einem Steuersystem 33 zum Betreiben der Kälteanlage 31. Gemäss Fig. 1 enthält die Kälteanlage 31 einen Kompressor 32, einen Konensator 34, einen Verdampfer 35 und eine Expansionsvorrichtung 36. Im Betrieb wird komprimiertes gasförmiges Kältemittel von dem Kompressor 32 über eine Kompressorauslassleitung 37 an den Kondensator 34 abgegeben, in welchem das gasförmige Kältemittel durch relativ kaltes Kondensationswasser, das durch eine Rohrleitung 38 in dem Kondensator 34 strömt, zum Kondensieren gebracht wird. Das kondensierte flüssige Kältemittel aus dem Kondensator geht durch die Kältemittelleitung 39 und die Expansionsvorrichtung 36 hindurch zu dem Verdampfer 35.
In dem Verdampfer 35 wird das flüssige Kältemittel verdampft, um ein Wärmeübertragungsfluid, wie beispielsweise Wasser, abzukühlen, das durch eine Rohrleitung 10 in dem Verdampfer 35 strömt. Dieses kalte Wärmeübertragungsfluid wird zum Kühlen eines Gebäudes oder für andere derartige Zwecke benutzt. Das gasförmige Kältemittel aus dem Verdampfer 35 strömt durch die Kompressorsaugleitung 11 zurück zu dem Kompressor 32 unter der Steuerung von Kompressoreinlassleitschaufeln 12. Das gasförmige Kältemittel, das in den Kompressor 32 eintritt, wird von dem Kompressor 32 an eine Auslassspirale 47 und über die Kompressorauslassleitung 37 abgegeben, um den Kältezyklus zu vervollständigen. Dieser Kältezyklus wiederholt sich während des normalen Betriebes der Kälteanlage 31 ständig.
Weiter weist gemäss der Darstellung in Fig. 1 der Zentrifugalturbokompressor 32 der Kälteanlage 1 einen Elektromotor 25 zum Antreiben des Kompressors 32 auf, der unter der Steuerung einer Steueranordnung 33 steht. Die Kompressoreinlassleitschaufeln 12 werden durch einen Leitschaufelstellantrieb 14 geöffnet und geschlossen, der durch die Steueranordnung 33 gesteuert wird. Ein beweglicher Büchsenring 41 und 42 wird durch Steuerventile 50 und 51 sowie durch einen Stellantrieb 53 gesteuert.
Die Steueranordnung 33 enthält einen Kompressormotoranlasser 22, eine Systemschnittstellenkarte 16 und eine Prozessorkarte 17. Ausserdem ist ein Temperatursensor 13 zum Messen der Temperatur des den Verdampfer 35 über die Rohrleitung 10 verlassenden Wärmeübertragungsfluids durch elektrische Leitungen 20 direkt an die Prozessorkarte 17 angeschlossen.
Der Temperatursensor 13 ist vorzugsweise eine temperaturempfindliche Widerstandsvorrichtung, beispielsweise ein Thermistor, dessen Messteil in dem den Verdampfer 35 verlassenden Wärmeübertragungsfluid angeordnet ist, wobei dessen Widerstand durch die Prozessorkarte 17 überwacht wird. Selbstverständlich kann der Temperatursensor 13 irgendeiner von vielen Temperatursensoren sein, die zum Erzeugen eines Signals geeignet sind, das die Temperatur des den Verdampfer 35 verlassenden Wärmeübertragungsfluids angibt und dieses erzeugte Signal an die Prozessorkarte 17 anlegt.
Die Prozessorkarte 17 kann irgendeine Vorrichtung oder Kombination von Vorrichtungen sein, die mehrere Eingangssignale empfängt, die empfangenen Eingangssignale gemäss vorprogrammierten Prozeduren verarbeitet und gewünschte Ausgangssteuersignale auf die empfangenen und verarbeiteten Eingangssignale hin erzeugt. Zum Beispiel kann die Prozessorkarte 17 einen Mikrocomputer umfassen, beispielsweise das Modell 8031 der Intel Corporation, Santa Clara, California.
Die Systemschnittstellenkarte 16 weist mehrere Schaltvorrichtungen zum Steuern des elektrischen Stromflusses von einer Stromversorgung (nicht dargestellt) über die Systemschnittstellenkarte 16 zu dem Leitschaufelstellantrieb 14, dem Steuerventilstellantrieb 53 und dem Motor 25 zum Antreiben des Kompressors 32 auf. Jede Schaltvorrichtung kann ein Triac sein, z.B. das Modell SC-140 der General Electric Company, Auburn, New York. Selbstverständlich können statt Triac-Schaltern auch andere Schalter als Schaltvorrichtungen benutzt werden.
Die Schaltvorrichtungen auf der Systemschnittstellenkarte 16 werden aufgrund von Steuersignalen gesteuert, die durch die Schaltvorrichtungen von der Prozessorkarte 17 empfangen werden. Auf diese Weise werden der Leitschaufelstellantrieb 14, der Steuerventilstellantrieb 53, die Betriebssteuerventile 50 und 51 und der den Kompressor 32 antreibende Motor 25 durch die Prozessorkarte 17 gesteuert.
Der Leitschaufelstellantrieb 14 und der Steuerventilstellantrieb 53 können irgendwelche Vorrichtungen sein, die geeignet sind, die Leitschaufeln 12 entweder in deren vollständig geöffnete oder in deren vollständig geschlossene Position zu bewegen oder die Steuerventile 50 und 51 aufgrund von elektrischen Signalen, die über elektrische Leitungen 21 bzw. 23 empfangen werden, zu öffnen oder zu schliessen.
Beispielsweise können der Leitschaufelstellantrieb 14 und die Steuerventilstellantriebe 53 ein Elektromotor sein, wie z.B. das Modell MC-351 der Barber-Coleman Company, Rockford, Illinois, um die Leitschaufeln 12 und die Steuerventile 50 und 51 entweder in deren vollständig geöffnete oder in deren vollständig geschlossene Position zu bewegen, je nachdem, welche der beiden Schaltvorrichtungen auf der Systemschnittstellenkarte 16 durch die Steuersignale betätigt wird, welche die Schaltvorrichtungen von der Prozessorkarte 17 empfangen.
Der Leit schaufelstellantrieb 14 und die Steuerventilstellantriebe 53 können gesteuert werden, um die Leitschaufeln 14 und die Steuerventile 50 und 51 in deren vollständig geöffnete oder vollständig geschlossene Position gemäss irgendeinem von vielen Steuerschemata zu bewegen, welche so ausgelegt sind, dass die Kapazität der Kälteanlage 31 derart gesteuert wird, dass sie der Belastung der Kälteanlage 31 angepasst ist und dass der Strömungswinkel dem Leitschaufelwinkel an dem beschaufelten Diffusoreinlass angepasst ist. Vorzugsweise werden die Ventile 50 und 51 aufgrund der Position der Leitschaufeln 12 betätigt, die durch eine Fühleinrichtung 55 abgefühlt wird.
Die Fühleinrichtung 55 kann ein Grenzschalter oder ein Steuergestänge sein, das durch die Leitschaufel aufgrund der Bewegung der Leitschaufel 12 in vorbestimmte Positionen betätigt wird, die eine begrenzte Strömung durch den Kompressor 32 anzeigen. Der Kompressormotoranlasser 22 ist eine Vorrichtung, die elektrischen Strom von der Stromversorgung 23 zu dem Elektromotor 25 des Kompressors 32 leitet, um den Motor 25 anzulassen und zu betreiben. Z.B. kann der Kompressormotoranlasser 22 ein herkömmliches Stern-Dreieck (Y- DELTA )-Motoranlassschütz sein. Selbstverständlich kann der Kompressormotoranlasser 22 irgendeines von vielen Systemen sein, die in der Lage sind, elektrischen Strom von der Stromquelle 23 zu dem Elektromotor 25 des Kompressors 32 zu leiten, um den Motor 25 anzulassen und zu betreiben.
Die Steuerventile 50 und 51 und die Stellantriebe 53 können irgendwelche Vorrichtungen sein, die geeignet sind, die beweglichen Ringe 41 und 42 in axialer Richtung in dem Diffusorkanal 46 zu bewegen, in dem auch die feststehenden Leitschaufeln 48 untergebracht sind.
Gemäss der Erfindung und der Darstellung in Fig. 2 ist der bewegliche Ring 41 zur Bewegung in einer Aussparung 28 und in dem Diffusorkanal 16 zwischen einer offenen Position und einer vollen Drosselposition gelagert. In der vollen Drosselposition drosselt der bewegliche Ring 41 die Dampfströmung durch den Diffusorkanal 16, und, vorzugsweise, in der offenen Position gestattet der bewegliche Ring eine ungehinderte Dampfströmung durch den Diffusorkanal. Eine Vorspanneinrichtung 19 ist zwischen dem beweglichen Büchsenring 41 und einem Kolben 63 vorgesehen, um den beweglichen Büchsenring 41 in die voll offene Position zu drücken. Die Vorspanneinrichtung 19 weist vorzugsweise eine elastische Einrichtung auf, z.B. eine Feder, die in der Aussparung 28 angeordnet ist.
Das Steuerventil 51, das im allgemeinen an einem Gehäuse 67 befestigt ist, erzeugt eine Druckkraft an dem Kolben 63 in einer Richtung, die zu der Kraft der Vorspanneinrichtung 19 entgegengesetzt ist, um den beweglichen Ring 41 in Richtung auf die Position vollständiger Drosselung zu bewegen. Wenn sich der bewegliche Büchsenring 41 vorwärts bewegt, in den Zeichnungen von links nach rechts, wird er durch den Fluiddruck in einer Leitung 65 gesteuert, die durch das Steuerventil 51 gesteuert wird, welches seinerseits durch den Ventilstellantrieb 53 geöffnet oder geschlossen wird. Der bewegliche Büchsenring 41 ist in unmittelbarer Nähe der feststehenden Leitschaufeln 48 positioniert, um Strömungsverluste zu minimieren und einen höheren Kompressorwirkungsgrad bei Vollast zu erzielen.
Die Erfindung ist zwar hier unter Bezugnahme auf eine besondere Ausführungsform beschrieben worden, sie beschränkt sich jedoch nicht auf die hier angegebenen Einzelheiten, denn diese Anmeldung soll alle Modifizierungen oder Änderungen umfassen, die im Rahmen der Erfindung liegen.