DE1002913B - Verfahren zur Regelung von UEberschall-Axialverdichtern mit veraenderlicher Belastung - Google Patents

Description

• Verfahren zur Regelung von Uberschall-Axialverdichtern mit veränderlicher Belastung Die Regelung von Überschallverdichtern, bei denen die Verdichtung des angesaugten Mediums durch den Druckanstieg während eines Verdichtungsstoßes, d. h. eines Umschlages der Überschallströmung in eine Unterschallströmung oder eine weniger große Überschallströmung erfolgt, kann nicht wirtschaftlich in der bei Unterschallverdichtern gebräuchlichen Weise vorgenommen werden. So verbietet sich in erster Linie eine Drehzahlregelung, da ein Überschallverdichter sowieso schon mit oder annähernd mit Grenzdrehzahl umläuft und andererseits einer Senkung der Drehzahl wegen der Erfordernisse zur Erzeugung der Überschallgeschwindigkeit enge Grenzen gesetzt sind. Die Drehzahl eines Überschallverdichters muß daher konstant bleiben.
• Ein Überschallverdichter hat bekanntlich eine sehr steile, fast senkrechte Kennlinie, da sich aus der Schallgeschwindigkeit des Fördermittels und dem engsten Durchflußquerschnitt ein unverändertes Ausgangsvolumen des Verdichters ergibt. Je nach der Belastung des Verdichters können sich also bei gleicher Durchsatzmenge und Drehzahl verschiedene Förderhöhen einstellen, die von dem Gegendruck abhängen.
• Nun besteht aber zwischen der Förderhöhe und der jeweils auftretenden Überschallgeschwindigkeit, aus deren kinetischer Energie die erforderliche Stärke des Verdichtungsstoßes zur Überwindung des Gegendruckes aufgebracht werden muß, eine bestimmte Beziehung. Um z. B. einem für einen bestimmten Einsatzfall ausgelegten Überschallverdichter eine auch für zeitweise auftretende Belastungsspitzen ausreichende Druckreserve zu geben, wäre es bei üblichem Vorgehen und Antrieb mit konstanter Drehzahl erforderlich, ihn ständig mit hoher Überschallgeschwindigkeit zu betreiben. Während einerseits bei mäßigen Überschallgeschwindigkeiten der beim Verdichtungsstoß auftretende Stoßverlust, der sich neben einer Vermehrung der Entropie in einer Minderung des bei verlustfreiem Verdichtungsvorgang zu erwartenden Druckanstieges auswirkt, sehr klein ist, erreicht er andererseits bei höheren Überschallgeschwindigkeiten schnell eine Größe, durch die der Einsatz des Verdichters unter normalen Betriebsbedingungen und mit ausreichender Druckreserve im allgemeinen unwirtschaftlich werden würde.
• Zweck der Erfindung ist es, für einen Überschall-Axialverdie!hter mit koriStanterDrehzahl oineBetriebsweise zu finden, bei der der Verdichter unter normaler Belastung mit einem guten Wirkungsgrad des Verdichtungsstoßes arbeitet, also mit mäßiger Überschallströmung betrieben wird, bei einer zeitweisen Belastungsänderung, insbesondere Spitzenbelastung, aber noch Druckreserven hat, so daß eine Förderhöhe über den Ausgangspunkt hinaus in Anspruch genommen werden kann. Da der Stoßverlust von der Überschallgeschwindigkeit abhängt, ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe darin zu sehen, einen Überschallverdichter bei konstanter Drehzahl mit veränderlicher Überschallgeschwindigkeit zu betreiben, um einmal eine hohe Druckreserve zur Verfügung zu haben und zum anderen unter normalen Betriebsbedingungen im Hinblick auf einen günstigen Stoßwirkungsgrad nur die Überschallgeschwindigkeit zuzulassen, die unter Berücksichtigung der notwendigen Reserve gerade ausreicht, einen einwandfreien Betrieb zu gewährleisten.
• Die Erfindung löst diese Aufgabe, allgemein gesehen, dahingehend, daß die Regelung eines mit konstanter Drehzahl umlaufenden Überschall-Axialverdichters auf den besten Stoßwirkungsgrad je nach der Belastung des Verdichters durch eine Beeinflussung der Eintrittstemperatur des angesaugten Mediums erfolgt. Bei fallender Belastung soll die Eintrittstemperatur erhöht und bei steigender Belastung gesenkt werden.
• Diese Lehre gründet sich auf bekannte Beziehungen zwischen den Größen, die bei einem Verdichtungsstoß eine Rolle spielen, und weist in der Erkenntnis der Wechselwirkungen dieser Beziehungen im Hinblick auf die gestellte Aufgabe einen Weg, einen Überschall-Axialverdichter regeln zu können.
• Die theoretischen Grundlagen der Erfindung werden wie folgt erläutert: Die Schallgeschwindigkeit des Fördermittels an einer bestimmten Stelle des Verdichters ist eine Funktion seiner Temperatur an dieser Stelle. Sie ist in einem gasförmigen Mittel bekanntlich proportional der Wurzel aus der absoluten Temperatur: wobei a die Schallgeschwindigkeit, T die absolute Temperatur, x das Verhältnis der spezifischen Wärmemengen, R die Gaskonstante und g die Erdbeschleunigung ist.
• Durch eine Erhöhung oder Verminderung der Ansaugetemperatur kann also die Höhe der Schallgeschwindigkeit des in den Verdichter einströmenden Fördermittels und damit bei an sich festliegenden Strömungsgeschwindigkeiten auch die relative Höhe der Überschallströmung im Verdichter geändert werden, die ihrerseits den Stoßwirkungsgrad beeinflußt.
• Eine Erhöhung der Eintrittstemperatur kann gemäß der weiteren Erfindung dadurch bewirkt werden, daß die fühlbare Wärme des verdichteten Mediums herangezogen wird, sei es, indem ein veränderlicher Teilstrom des durch die Verdichtung erwärmten Mediums über ein Druckminderorgan zur Saugseite des Verdichters zurückgeleitet `und mit dem übrigen angesaugten Medium vereinigt wird oder eine veränderliche Menge des durch die Verdichtung erwärmten Mediums, gegebenenfalls die gesamte Menge, einen Wärmeaustauscher durchströmt, in dem die ganze oder ein Teil der Ansaugluft erwärmt wird. Eine derartige Überströmung eines veränderlichen Teilstromes des durch Verdichtung erwärmten Mediums über ein Druckminderorgan zur Saugseite zwecks Beeinflussung des Kennlinienverlaufs für Teillastbetrieb ist bei einem mehrstufigen Axialverdichter an sich bekannt.
• Die Senkung der Eintrittstemperatur bei steigender Belastung, die zur Schaffung einer Druckreserve, z. B. bei dem Einsatz eines Überschallverdichters als Hochofengebläse, erhöhte praktische Bedeutung hat, wird gemäß der Erfindung dadurch herbeigeführt, daß das angesaugte Medium ganz oder im veränderlichen Teilstrom ein dem Verdichter vorgeschaltetes Turbinenlaufrad unter Abgabe äußerer Arbeit durchströmt und gegebenenfalls hinter diesem Laufrad mit dem übrigen angesaugten Medium vereinigt wird. Das Turbinenlaufrad wird vom Fördermittel im Zustand Tox, pox angeströmt. Nach adiabatischer Expansion im Laufrad stellt sich hinter dem Laufrad der Zustand To < To'; Po < Po' ein. Dies ist der Anfangszustand des Fördermittels für den Verdichter. Die Eintrittstemperatur To kann Tox mehr oder weniger unterschreiten, je nachdem, wieviel Fördermittel, das nicht durch das Turbinenlaufrad gegangen ist, noch hinzugefügt wird. Derart vorgeschaltete Regelluftturbinen sind bei Kreiselverdichtern an sich bekannt.
• Zur Durchführung dieses Verfahrens wird ein Überschallverdichter in der Weise ausgebildet, daß der Verdichter einen äußeren Ringkanal für eine vom Verdichterteil angesaugte Teilmenge des Mediums und einen inneren Ringkanal mit Düsenring für die übrige, gegebenenfalls die ganze Menge des Mediums aufweist, die ein auf der Verdichterwelle angeordnetes Turbinenlaufrad anströmt, wobei die konzentrischen Ringkanäle sich hinter dem Turbinenlaufrad, d. h. vor der ersten Verdichterstufe, vereinigen, und daß der Zuströmungsquerschnitt für das unmittelbar und/oder für das mittelbar über das Turbinenlaufrad dem Verdichter zugeführte Medium veränderlich ist.
• In weiterer Abwandlung kann eine Senkung der Eintrittstemperatur auch dadurch herbeigeführt werden, daß ein veränderlicher Teilstrom des verdichteten Mediums einen Kühler und anschließend ein dem Verdichter vorgeschaltetes Turbinenlaufrad unter Abgabe äußerer Arbeit durchströmt und hinter dem Laufrad gegebenenfalls mit dem übrigen angesaugten Medium vereinigt wird. Hierzu wird der Verdichter so weitergebildet, daß die Eintrittsseite des Turhinenlaufrades mit der Druckseite des Verdichters in Verbindung steht und in der Verbindungsleitung ein Kühler zum Kühlen einer abgezweigten Teilmenge des verdichteten Mediums angeordnet ist.
• Da mit der Beeinflussung der Eintrittstemperatur das anfängliche Durchsatzgewicht des Verdichters geändert wird, so kann es erforderlich sein, diesem Umstand Rechnung zu tragen. Es wird vorgeschlagen, während der Temperaturänderung die Fördermenge durch eine an sich bekannte veränderliche Ringblende od. dgl. anzupassen.

Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur Regelung eines mit konstanter Drehzahl laufenden überschall-Axialverdichters auf den besten Wirkungsgrad des Verdichtungsstoßes je nach der Belastung des Verdichters, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittstemperatur des angesaugten Mediums bei fallender Belastung erhöht oder bei steigender Belastung gesenkt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1 mit Erhöhung der Eintrittstemperatur, dadurch gekennzeichnet, daß ein veränderlicher Teilstrom des durch die Verdichtung erwärmten Mediums über ein Druckminderorgan zur Saugseite des Verdichters zurückgeleitet und mit dem übrigen angesaugten Medium vereinigt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 mit Erhöhung der Eintrittstemperatur, dadurch gekennzeichnet, daß eine veränderliche Menge des durch die Verdichtung erwärmten Mediums, gegebenenfalls die gesamte Menge, einen Wärmeaustauscher durchströmt, in dem die ganze oder ein Teil der Ansaugluft erwärmt wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 mit Senkung der Eintrittstemperatur, dadurch gekennzeichnet, daß das angesaugte Medium ganz oder im veränderlichen Teilstrom ein dem Verdichter vorgeschaltetes Turbinenlaufrad unter Abgabe äußerer Arbeit durchströmt und hinter dem Laufrad mit dem übrigen angesaugten Medium vereinigt wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 mit Senkung der Eintrittstemperatur, dadurch gekennzeichnet, daß ein veränderlicher Teilstrom des verdichteten Mediums einen Kühler und anschließend ein dem Verdichter vorgeschaltetes Turbinenlaufrad unter Abgabe äußerer Arbeit durchströmt und hinter dem Laufrad mit dem übrigen angesaugten Medium vereinigt wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausgleich der durch die Beeinflussung der Eintrittstemperatur bewirkten Änderung des Durchsatzgewichtes des Fördermittels die Fördermenge durch eine an sich bekannte veränderliche Ringblende od. dgl. geändert wird.
7. 7. Zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 4 eingerichtet--r Verdichter, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter einen äußeren Ringkanal für eine vom Verdichterteil angesaugte Teilmenge des Mediums und einen inneren Ringkanal mit Düsenring für die übrige, gegebenenfalls die ganze Menge des Mediums aufweist, die ein auf der Verdichterwelle angeordnetes Turbinenlaufrad anströmt, wobei die konzentrischen Ringkanäle sich hinter dem Turbinenlaufrad, d. h. vor der ersten Verdichterstufe, vereinigen, und daß der Zuströmquerschnitt für das unmittelbar und/oder für das mittelbar über das Turbinenlaufrad dem Verdichter zugeführte Medium veränderlich ist. B. Verdichter nach Anspruch 7 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daB die Eintrittsseite des Turbinenlaufrades mit der Druckseite des Verdichters in Verbindung steht und in der Verbindungsleitung ein Kühler angeordnet ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 913 342, 890117; schweizerische Patentschrift Nr. 233 935; BBC Mitteilungen, 1941, S. 113 und 114.