CS273889B1

CS273889B1 - Temperature sensor of turbocompressor's antipumping regulation

Info

Publication number: CS273889B1
Application number: CS91289A
Authority: CS
Inventors: Vratislav Andera; Ladislav Eichler; Jiri Ing Feierfeil; Ivan Ing Goldsmid; Jaroslav Ing Masa; Dusan Ing Misarek; Jiri Ing Nozicka; Vaclav Ing Petak
Original assignee: Vratislav Andera; Ladislav Eichler; Jiri Ing Feierfeil; Goldsmid Ivan; Masa Jaroslav; Misarek Dusan; Nozicka Jiri; Vaclav Ing Petak
Priority date: 1989-02-13
Filing date: 1989-02-13
Publication date: 1991-04-11
Also published as: CS91289A1

Abstract

The solution is suitable for machines operating at extremely low pressure levels of the machine. The temperature sensor (16) contains at least two thermocouples (22). Between each adjacent pair of thermocouples (22) in the insulating insert (20) there is an multiplication element (23), which is conductively connected to adjacent thermocouple (22) and with its second end it is inserted, as well as the thermocouple (22) itself, into flow-through part (25) of the turbocompressor (1). The multiplication element (23) is a cylinder made of electrically and thermally conductive material with diameter (D), which is at least six times larger, then the diameter (d) of thermocouple (22) wires (26). The body (20) of the temperature sensor (16) is on air-mass rising edge equipped with opened protective shield (28).<IMAGE>

Description

Vynález se týká teplotního čidla antipompážní regulace turbokompresoru, určeného pro vyvedení stroje z nestabilní oblasti jeho charakteristiky. Jeho použití je vhodné především u strojů s provozem v extrémně nízkých tlakových hladinách.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a temperature sensor for the anti-composite control of a turbocharger intended to drive a machine from an unstable region of its characteristic. Its use is particularly suitable for machines with extremely low pressure levels.

Provozní charakteristika turbokompresoru, tj. vztah mezi nasávaným množstvím komprimované vzdušiny a celkovým stlačením, se skládá ze dvou větví. V tak zvané pravé, stabilní větvi charakteristiky při snižování komprimovaného množství roste postupně velikost celkového stlačení až do jeho maximální hodnoty. Tento bod charakteristiky při maximálním stlačení je zhruba totožný s tak zvanou mezí pompáže, která tvoří předěl mezi stabilní větví charakteristiky a její levou, nestabilní větví. Při provozu s nižším nasávaným množstvím vzdušiny než odpovídá mezi pompáže, v levé větvi charakteristiky by teoreticky mělo dojít, v závislosti se snižováním množství, ke snižování celkového stlačení. U turbokompresorů však při provozu v blízkosti maximálního stlačení a pod mezi pompáže v nestabilní oblasti charakteristiky dochází k velmi složitým aerodynamickým jevům, z nichž nejzávažnější pro bezpečnost provozu je rotující odtržení proudu vzdušiny a pompáž. Forma a intenzita těchto jevů závisí na mnoha faktorech, například na velikosti stlačení v jednotlivých stupních, na počtu kompresních stupňů, na celkovém stlačení, na hustotě komprimované vzdušiny, na celkovém objemu vnitřních prostor turbokompresoru a připojeného potrubí a na dalších činitelích.The turbocompressor operating characteristic, ie the relationship between the intake amount of compressed air and the total compression, consists of two branches. In the so-called right, stable branch of the characteristic, as the compressed amount decreases, the amount of total compression gradually increases up to its maximum value. This point of characteristic at maximum compression is roughly identical to the so-called limit of pomp, which forms the division between the stable branch of the characteristic and its left, unstable branch. In operation with a lower suction volume of air than corresponds to the pomp, in the left branch of the characteristic the total compression should be reduced in dependence on the quantity reduction. However, turbocompressors experience very complex aerodynamic phenomena when operating near maximum compression and below the pomp in the unstable range of characteristics, of which the most important for the safety of operation is the rotating airflow separation and pomp. The form and intensity of these phenomena depend on many factors, such as the degree of compression in each stage, the number of compression stages, the total compression, the density of the compressed air mass, the total volume of the internal space of the turbocharger and the connected piping, and other factors.

Pro provoz stroje zvlášt nebezpečné poměry nastávají u vícestupňových axiálních turbokompresorů s vysokým stlačením v jednotlivých stupních. Dojde-li u těchto strojů k pompáži, zvyšuje se několinásobně namáhání některých vysoce exponovaných částí stroje, jako jsou například rotorové a statorové lopatky a provoz v této oblasti charakteristiky stroje by mohl způsobit havárii celého stroje. Z těchto důvodů se turbokompresory opatřují tak zvanou antipompážní regulací, která má provozu v nestabilní oblasti charakteristiky zabránit. Turbokompresory se na výtlačné straně opatřují přepouštěcim potrubím s přepouštěcí armaturou. Pokud požadovaný odběr komprimované nebo nasávané vzdušiny poklesne pod množství odpovídající mezi pompáže, nechá se turbokompresor pracovat v oblasti těsně nad mezí pompáže a přebytečné množství vzdušiny se přepouštěcí armaturou přepouští bud do sacího potrubí, nebo do atmosféry. Existuje velké množství systémů antipompážní regulace, které naprosto bezpečně vyhovují v technické praxi u strojů pro běžné použití. V některých zvláštních případech však mohou vzniknout takové provozní podmínky, při kterých dosud známé a používané systémy antipompážní regulace nejsou schopny zabránit provozu stroje v nestabilní oblasti jeho charakteristiky. Taková situace se může vytvořit například tím, že dojde ke změně polohy meze pompáže na charakteristice stroje v důsledku změny Reynoldsova čísla při podstatné změně teploty nebo tlakové hladiny, nebo při zanesení průtočné části, nebo při změně nerovnoměrnosti prouděni na vstupu, například při vytvoření námrazy a podobně. A také je tomu tak například při rozběhu stroje, kdy se automatická antipompážní regulace obvykle odpojuje, a stroj může pracovat v nestabilní oblasti charakteristiky.Particularly dangerous conditions for machine operation occur with multi-stage axial turbo compressors with high compression in individual stages. If there is annoyance with these machines, the stresses of some of the highly exposed parts of the machine, such as the rotor and stator blades, are increased several times, and operation in this area of machine characteristics could cause the entire machine to crash. For this reason, the turbochargers are equipped with a so-called anti-composite control to prevent operation in the unstable range of characteristics. On the discharge side, turbo-compressors are equipped with a bypass line with a bypass valve. If the required compressed or aspirated air mass drops below the amount of pomp, the turbocharger is allowed to operate in a region just above the pomp limit and the excess air is passed through the transfer fitting either to the intake manifold or to the atmosphere. There are a large number of anti-compaction control systems that perfectly meet the technical requirements of general purpose machines. However, in some special cases, operating conditions may arise in which the antipomposition control systems known and used so far are not able to prevent the machine from operating in an unstable region of its characteristics. Such a situation may be created, for example, by changing the position of the anchorage point on the machine characteristic as a result of a Reynolds number change when the temperature or pressure level changes substantially, or when the flow section is clogged, or alike. This is also the case, for example, during machine start-up, when the automatic antipomposition control usually disconnects, and the machine can operate in an unstable range of characteristic.

Z uvedených důvodů se axiální turbokompresory určené pro provoz v mimořádných podmínkách mimo vlastní antipompážní regulace opatřují ještě zvláštním ochranným zařízením, které má vyloučit, aby stroj pracoval v nebezpečné oblasti. V okamžiku, kdy samotná antipompážní regulace nezabrání tomu, že stroj spadne do nebezpečné provozní oblasti, zasáhne toto zařízení a stroj z této oblasti vyvede nebo zajistí odstavení poháněcího motoru. Je známa řada takovýchto ochranných zařízení, například čs. autorské osvědčení č. 206 124. Všechna jsou v podstatě založena na tom, že jejich teplotní čidlo reaguje na náhlé zvýšení teploty a popřípadě i na změnu smyslu proudění komprimované vzdušiny při vzniku rotujícího odtržení a pompáže. Všechna teplotní čidla těchto ochranných zařízení se však ukázala jako málo účinná za provozu turbokompresoru při enormně nízké tlakové hladině na úrovni několika setin nebo dokonce jen několika tisícin atmosférického tlaku. Takovéto podmínky se vyskytuji například při provozu turbokompresoru pro výzkumná a experimentální zařízení. Při těchto extrémně nízkých tlacích a s tím i extrémně malé hustotě komprimované vzdušiny je množství tepla předaného teplotnímu čidlu vzdušinou velmi malé ' CS 273889 Bl 2 vůči množství tepla odvedeného z čidla sáláním nebo vedením. A tak i při zvýšení teploty řádově o sto stupňů, indikuje teplotní čidlo'pouze zvýšení teploty o několik stupňů. Známá provedení teplotních čidel, která jinak bezpečně pracují při vyšších tlacích, při extrémně nizké tlakové hladině naprosto selhávají. Nevyhovuje ani stínění známých teplotních čidel, a to jak funkčně, tak co do vlastní konstrukce. Klecovíté uzavřené stínící prvky o několika otvory jsou jednak výrobně komplikované a jednak v podmínkách enormně nízkých tlaků vzdušiny při provozu mají příliš vysokou funkční časovou prodlevu na náhlé a prudké zvýšení teploty při počínajícím přechodu provozu stroje do nestabilní oblasti charakteristiky.For this reason, axial turbochargers intended for use in extreme conditions outside of the anti-slip regulation itself are provided with a special protective device to prevent the machine from operating in the hazardous area. When the anti-compaction control itself does not prevent the machine from falling into the hazardous operating area, it will interfere with the machine and lead the machine out or ensure the shutdown of the drive motor. A number of such protective devices are known, e.g. No. 206,124. All of them are basically based on the fact that their temperature sensor responds to a sudden increase in temperature and possibly to a change in the direction of flow of the compressed air mass resulting in a rotating detachment and pomp. However, all the temperature sensors of these protective devices have proven to be inefficient in operation of the turbocharger at an enormously low pressure level of several hundredths or even a few thousandths of atmospheric pressure. Such conditions occur, for example, in the operation of a turbocompressor for research and experimental equipment. At these extremely low pressures and, therefore, the extremely low density of the compressed air mass, the amount of heat transferred to the temperature sensor by the air mass is very low relative to the amount of heat dissipated from the sensor by radiation or conduction. Thus, even with a temperature increase of the order of one hundred degrees, the temperature sensor only indicates a temperature increase of several degrees. Known designs of temperature sensors that otherwise operate safely at higher pressures fail completely at extremely low pressure levels. The shielding of known temperature sensors, both functionally and in terms of the design itself, is also not suitable. The cage-shaped, closed, multi-aperture screening elements are both complicated to manufacture and, on the other hand, in conditions of extremely low air pressure during operation, have too high a functional time delay for sudden and rapid temperature rise as the machine moves into unstable characteristic range.

Pro uvedené extrémní tlakové podmínky vyhovuje však teplotní čidlo pro vyvedení turbokompresoru z nestabilní oblasti charakteristiky podle vynálezu. Jeho podstatou jo, že mezi každou sousední dvojicí termočlánků je v izolační vložce uložen alespoň jeden multiplikační element, který je ve vnitřním prostoru teplotního Čidla vodivě napojen na sousední termočlánky. Druhým koncenf je vložen stejně jako termočlánky do průtočné části turbokompresoru.For these extreme pressure conditions, however, a temperature sensor for discharging the turbocharger from the unstable region of the present invention is suitable. Its essence is that between each adjacent pair of thermocouples, at least one multiplication element is placed in the insulating insert, which is conductively connected to adjacent thermocouples in the interior of the temperature sensor. The second concen- tration, like thermocouples, is inserted into the flow section of the turbocharger.

Těleso teplotního čidla je s výhodou na čelní, náběhové etraně, opatřeno ochranným štítem. Ochranný štít je otevřený pouze s radiálním a šířkovým přesahem vůči vodičům termočlánků i multiplikačním elementům.The temperature sensor body is preferably provided with a protective shield on the front side of the inlet side. The shield is open only with radial and width overlap to the thermocouple wires and multiplier elements.

MiMe

Hlavní výhoda provedení teplotního čidla podle vynálezu spočívá v tom, že zabezpečení axiálního turbokompresoru proti provozu v nestabilní oblasti charakteristiky stroje je možno aplikovat i u turbokompresorů pracujících při enormně nízké tlakové hladině.The main advantage of the embodiment of the temperature sensor according to the invention is that securing the axial turbocompressor against operation in the unstable region of the machine characteristic can also be applied to turbocompressors operating at an extremely low pressure level.

Tak lze předejít možnosti velmi vážných následků při provozu včetně havárie i takového stroje, který je vybaven běžnou antipompážní ochranou.This prevents the possibility of very serious consequences during operation, including an accident, even of a machine that is equipped with normal anti-composite protection.

Nejvýhodnější časovou konstantu a optimální charakteristiku teplotního čidla pro daný případ použití je možno dosáhnout jednak volbou počtu termočlánků a multiplikačních elementů a také vhodnými rozměry, délkou přečnívajícího konce a použitým materiálem multiplikačniho elementu.The most advantageous time constant and optimum temperature sensor characteristics for a given application can be achieved by selecting the number of thermocouples and multiplication elements as well as the appropriate dimensions, the length of the protruding end and the material of the multiplier element.

Přiklad umístění teplotního čidla v axiálním turbokompresoru, základní schéma jeho zapojení v antipompážní ochraně stroje a příklady vlastního provedení teplotního čidla podle vynálezu jsou znázorněny na připojeném výkresu, kde na obr. 1 je zobrazeno základní schéma umístění a zapojení teplotního čidla v antipompážní ochraně turbokompresorového soustrojí, na obr. 2 je zakreslen detail podélného řezu průtočné části turbokompresoru v místě uložení teplotního čidla a přiklad jeho konstrukce, na obr. 3 je znázorněn podélný řez alternativním provedením teplotního čidla a na obr. 4 je potom čelní pohled na teplotní čidlo z obr, 3.An example of a temperature sensor location in an axial turbocompressor, a basic diagram of its connection in the anti-complex protection of the machine and examples of the actual temperature sensor according to the invention are shown in the attached drawing. Fig. 2 shows a detail of a longitudinal section of the flow part of the turbocharger at the location of the temperature sensor and an example of its construction; Fig. 3 shows a longitudinal section of an alternative embodiment of the temperature sensor; .

Turbokompresorové soustrojí podle obr. 1 je tvořeno axiálním turbokompresorem £ propojeným přes spojku £ s elektromotorem, £. V sacím potrubí £ axiálního turbokompresoru £ je umístěna regulační armatura 5 s prvním servopohonem £ a ve výtlačném potrubí £ je zabudována regulační a uzavírací armatura 8, s druhým servopohonem 9,. V přepouštěcím potrubí 10, kterým je v příkladu provedení propojeno výtlačné potrubí £ se sacím potrubím 4, je uložena přepouštěcí armatura 11 se třetím servopohonem £2. Ve stěně skříně 13 turbokompresoru £ v mezeře mezi dvěma vstupními statorovými lopatkami £4, za kterými je znázorněna první řada rotorových lopatek 15, je uchyceno· teplotní čidlo 16. Teplotní čidlo 16 je propojeno s relém 17, které je součástí zařízení pro vyvedení stroje z nestabilní oblasti jeho charakteristiky. Relé ££ je elektricky propojeno se servopohony 6, 9, 12 armatur 5, a podle obr. lis vypínacím ústrojím £8 elektromotoru 3. Teplotní čidlo 16 podle obr. 2 se skládá z tělesa 19, ve kterém jsou v izolační vložce 20 uloženy a ve vnitřním prostoru 21 teplotního čidla 16 vzájemně sériově propojeny dva termočlánky 22. Mezi termočlánky 22 je v izolační vložce 20 uložen multiplikační element 23, který ve vnitřním prostoru 21 teplotního čidla 16 je svým jedním koncem vodivě napojen na oba termočlánky 22. Druhým koncem zasahuje stejně jako,.měřici spoje 24 termočlánků 22 do průtočné části 25 turbokompresoru £. Multiplikační elément 23 je váleček z elektricky a tepelně vodivéhoThe turbo-compressor set according to FIG. 1 is formed by an axial turbo-compressor 6 connected via a clutch 6 to an electric motor 6. In the suction line 4 of the axial turbo compressor 6 a control valve 5 with a first actuator 8 is arranged and in the discharge line 8 a control and shut-off valve 8 with a second actuator 9 is incorporated. In the transfer line 10, which in the exemplary embodiment, the discharge line 4 is connected to the suction line 4, there is a transfer valve 11 with a third actuator 72. A temperature sensor 16 is mounted in the wall of the turbocompressor housing 13 in the gap between the two inlet stator blades 4, after which the first row of rotor blades 15 is shown. The temperature sensor 16 is coupled to a relay 17 which is part of the machine extraction device. unstable areas of its characteristics. The relay 54 is electrically connected to the actuators 6, 9, 12 of the valves 5, and, according to FIG., The press switch 8 of the electric motor 3. The temperature sensor 16 according to FIG. 2 consists of a body 19 in which two thermocouples 22 are connected in series in the inner space 21 of the temperature sensor 16. Between the thermocouples 22, a multiplication element 23 is placed in the insulating insert 20, which in its interior 21 as a measuring connection 24 of the thermocouples 22 to the flow part 25 of the turbocharger. The multiplier element 23 is an electrically and thermally conductive roller

CS 273889 Bl materiálu o průměru D nejméně šestinásobně větším, než je průměr d vodičů 26 termočlánků 22. Těleso 19 teplotního čidla £6 je ve stěně skříně 13 turbokompresoru £ uchyceno závitovým spojem 27. Na obr. 3 a 4 je teplotní čidlo 16 tvořeno třemi sériově propojeným termočlánky 22, Každá dvojice sousedících termočlánků £ je vodivě napojena na jeden multiplikační element 23, takže v příkladu provedení podle obr. 4 jsou mezi třemi termočlánky 22 vodivě napojeny dva multiplikační elementy 23. Druhým koncem zasahují termočlánky 22 i oba multiplikační elementy 23 opět do průtočné části 25 turbokompresoru £, Teplotní čidlo 16 je na čelni náběhové straně opatřeno ochranným štítem 28 vytvořeným jak radiálně, tak co do šířky s přesahem vůči vodičům 26 termočlánků 22 i vůči multiplikačním elementům 23.CS 273889 B1 of a material with a diameter D of at least six times greater than the diameter d of the thermocouple conductors 26. The temperature sensor body 19 is mounted in the wall of the turbocharger housing 13 by a threaded connection 27. In FIGS. Each pair of adjacent thermocouples 9 is conductively connected to one multiplier element 23, so that in the embodiment of FIG. 4, two multiplier elements 23 are conductively connected between three thermocouples 22. At the other end, the thermocouples 22 and both multiplier elements 23 again The temperature sensor 16 is provided on the front leading-in side with a protective shield 28 formed both radially and in width overlapping the conductors 26 of the thermocouples 22 and the multiplication elements 23.

Teplotní čidlo 16 podle vynálezu pracuje tak, že při počátku přechodu stroje do nestabilní oblasti charakteristiky reaguje ve velmi krátkém časovém rozmezí a velmi výrazně na prudké zvýšení teploty způsobené začínající pompáži, popřípadě odtržením proudu vzdušiny. Děje se tak impulsem od teplotního čidla 16, který je relém 17 přenášen na ovládací prvky soustrojí, podle obr. 1 alternativně na některý ze servopohonů 6, 9, 12 armatur 5, £, 11 a popřípadě i na vypínací ústrojí 18 elektromotoru 3. Multiplikační element 23 přitom působí určitou dobu jako přídavný referenční spoj do série zapojených termočlánků 12 a teplotní čidlo 16 generuje několikanásobné hodnoty teploty ve srovnání s běžným provedením čidla. Po vyvadění stroje z nestabilní charakteristiky stroje, například otevřením přepouštěcí armatury 11 a odvedením části vzdušiny z výtlačného potrubí £ do sacího potrubí £ dochází k vyrovnání teplot všech elementů teplotního čidla 16 a tak při pomalém, přirozeném zvyšování teploty komprimované vzdušiny teplotní čidlo 16 se chová tak, jako by multiplikační elementy 23 nebyly v teplotním čidle 16 zapojeny.The temperature sensor 16 according to the invention operates in such a way that, at the beginning of the transition of the machine to the unstable region of the characteristic, it reacts in a very short time range and very strongly to a sharp temperature increase caused by starting pompage or breakage. This is effected by an impulse from the temperature sensor 16, which is transmitted by the relay 17 to the actuating elements of the set, according to FIG. 1, alternatively to one of the actuators 6, 9, 12 of the valves 5, 8, 11 and possibly also to the switching device 18 of the electric motor 3. The element 23 acts for some time as an additional reference connection in series of connected thermocouples 12 and the temperature sensor 16 generates multiple temperature values compared to a conventional sensor design. After disengaging the machine from the unstable characteristics of the machine, for example by opening the transfer fitting 11 and discharging a portion of the air from the discharge line 4 to the suction line 6, the temperature of all elements of the temperature sensor 16 is equalized. as if the multiplication elements 23 were not connected in the temperature sensor 16.

Ochranný štít 28 plní tři funkce, předně chrání přečnívající části teplotního čidla 16 před poškozením nečistotami nasávané vzdušiny ve směru s. Dále potom při vznikající pompáži a rotujícím odtržení vzdušiny, kdy dochází k proudění vzdušiny obráceným směrem, působí ochranný štít 28 jako brzdicí element, který zvyšuje restituční faktor teplotního čidla 16.The shield 28 performs three functions, first protecting the protruding parts of the temperature sensor 16 from damaging the contaminants of the sucked air in the s direction. Furthermore, in the event of an upset and rotating air separation, the air shield reverses the air. increases the restitution factor of the temperature sensor 16.

Tím se přibližuje teplota teplotního čidla 16 celkové teplotě vzdušiny v ustáleném stavu. Třetí funkce ochranného štítu 28 spočívá v prodloužení časové konstanty teplotního čidla 16 v normálním provozy stroje, v pravé větvi charakteristiky, kdy je teplotní čidlo 16 obtékáno ze strany ochranného štítu 28, což zabraňuje vzniku rušivého signálu způsobeného jinými příčinami, například rychlou změnou teploty nasávaného plynu.This brings the temperature of the temperature sensor 16 closer to the total temperature of the air mass at steady state. The third function of the shield 28 is to extend the time constant of the temperature sensor 16 in normal machine operation, in the right-hand side of the characteristic, when the temperature sensor 16 is bypassed by the shield 28, preventing interference from other causes, e.g. .

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

1. A temperature sensor of an anti-composite turbo-compressor control system designed to drive a machine from an unstable region of its characteristic, in particular for machines operating at pressure levels of several hundredths or thousandths of atmospheric pressure, consisting of a temperature sensor body in which they are housed; at least two thermocouples extending through the conductors into the flow part of the machine, characterized in that between each adjacent pair of thermocouples (22), a multiplication element (23) is arranged in the insulating insert (20), which is The thermocouple (22) is connected to the adjacent thermocouples (22) and is inserted into the flow part (25) of the turbocharger (1) as well as the thermocouples (22).

Temperature sensor according to Claim 1, characterized in that the housing (20) of the temperature sensor (16) is provided on the front, inlet side of the air stream with an open protective shield (28) formed only with radial and width interference with the conductors (26). thermocouples (22) and multiplication elements (23).