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Die Erfindung betrifft eine Pumpstoßerfassungsvorrichtung für einen Turbokompressor, einen mit einer solchen Pumpstoßerfassungsvorrichtung ausgerüsteten Turbokompressor und ein Verfahren zum Erfassen von Pumpstößen in einem solchen Turbokompressor.
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Eine Pumpstoßerfassungsvorrichtung der eingangsgenannten Art ist aus
DE 35 40 088 A1 bekannt. Die dort beschriebene Pumpstoßerfassungvorrichtung weist zwei Temperatursensoren auf, die jeweils ein Temperatursignal zur Differenzbildung bereitstellen. Genauer gesagt ist in einem Ansaugkanal eines Turbokompressors ein ein IST-Temperatursignal bereitstellender, schnell ansprechender, erster Temperatursensor unmittelbar vor einem ersten Laufrad des Turbokompressors angeordnet und ist in etwas größerer Entfernung vom ersten Laufrad ein ein Referenztemperatursignal bereitstellender, langsam ansprechender, zweiter Temperatursensor im Ansaugkanal vor dem ersten Temperatursensor angeordnet.
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In der
GB 2 367 627 A wird die Anwendung einer Pumpstoß-Erfassung durch die Auswertung der Eintrittstemperaturänderungsgeschwindigkeit im Verhältnis zum Betrag der Ansaugtemperatur beschrieben. Da sich die
GB 2 367 627 A auf eine Problemstellung bei einem Luftfahrzeug-Triebwerk bezieht, kann die Auswertung der Temperaturänderungsgeschwindigkeit angewendet werden, da gewöhnlich keine schnellen Eintrittstemperaturänderungen erfolgen und auch keine Regelung über die Ansaugtemperatur erfolgt.
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Die für diesen Anwendungszweck benötigten Temperatursensoren müssen robust, zuverlässig und schnellansprechend sein, um pumpstoßbasierte größere Schäden an dem jeweiligen Turbokompressor zu vermeiden. Daher bilden die Temperatursensoren einen nicht zu vernachlässigenden Kostenfaktor bei den Herstellungskosten eines Turbokompressors, wenn aus Verfügbarkeits- und Sicherheitsgründen eine Mehrfach-Instrumentierung gewählt wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Pumpstoßerfassungvorrichtung bereitzustellen, welche mit nur einem einzigen Temperatursensor zur zuverlässigen Erfassung von Pumpstößen in einem Turbokompressor auskommt. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, einen mit einer solchen Pumpstoßerfassungvorrichtung ausgerüsteten Turbokompressor und ein Verfahren zum Erfassen von Pumpstößen in einem solchen Turbokompressor bereitzustellen.
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Die o. g. Aufgaben werden mit einer Pumpstoßerfassungvorrichtung gemäß Anspruch 1, einem Turbokompressor gemäß Anspruch 2 bzw. einem Verfahren gemäß Anspruch 4 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen definiert.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist eine Pumpstoßerfassungsvorrichtung für einen Turbokompressor auf: einen Temperatursensor, der in einem Arbeitsfluidpfad durch den Turbokompressor hindurch unmittelbar vor einem ersten Laufrad des Turbokompressors anzuordnen ist und der einen Signalausgang zum Ausgeben eines Temperatursignals aufweist, eine Steuervorrichtung, die einen ersten Signaleingang und einen zweiten Signaleingang für Temperatursignale aufweist, wobei die Steuervorrichtung eingerichtet ist, eine Differenz aus über den ersten und den zweiten Signaleingang empfangenen Temperatursignalen zu bilden, aus der Differenz einen Kontrollwert zu bilden und ein Pumpstoßerfassungssignal auszugeben, wenn der Kontrollwert einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet, und wobei der Signalausgang des Temperatursensors mit dem ersten Signaleingang der Steuervorrichtung signalverbunden ist.
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Die erfindungsgemäße Pumpstoßerfassungsvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass zusätzlich ein „delta T/dt Begrenzer” mit einem Signaleingang und einem Signalausgang vorgesehen ist, wobei der Signaleingang des „delta T/dt Begrenzer” mit dem Signalausgang eines einzigen schnellansprechenden Temperatursensors signalverbunden ist, und wobei der Signalausgang des „delta T/dt Begrenzer” mit dem zweiten Signaleingang der Steuervorrichtung signalverbunden ist.
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Ein „delta T/dt Begrenzer” im Sinne der Erfindung kann die Änderungsgeschwindigkeit eines analogen Eingangssignals errechnen und diese mit einem Grenzwert für positive Änderungen bzw. einem Grenzwert für negative Änderungen vergleichen.
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Wenn der Betrag der Änderungsgeschwindigkeit des Eingangssignals größer ist als die durch den jeweiligen Grenzwert vorgegebene maximale Änderungsgeschwindigkeit, kann die Größe eines Ausgangssignals nur um die per Grenzwert definierte zugelassene Änderungsgeschwindigkeit verändert werden.
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Wenn der Betrag der Änderungsgeschwindigkeit des Eingangssignals im zulässigen Bereich ist, kann das Eingangssignal bzw. dessen Wert durchgereicht werden, so dass das Ausgangssignal dem Eingangssignal entspricht.
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Gemäß der Erfindung wird der zweite Signaleingang der Steuervorrichtung über einen „delta T/dt Begrenzer” mit dem Temperatursignal eines schnellansprechenden Temperatursensors, welcher z. B. von einem Thermoelement gebildet ist, beschaltet.
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Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung einer Pumpstoßerfassungsvorrichtung ist eine nicht unerhebliche Reduzierung der Im Arbeitsfeld benötigten Instrumentierung von Anlagen mit Turbokompressoren, wie z. B. Axialkompressoren und Radialkompressoren, möglich. Die Erfindung erzielt ferner eine Optimierung des Maschinenschutzes durch eine genauere Erfassung von Folge-Pumpstößen, da durch den „delta T/dt Begrenzer”, welcher einen Temperaturanstieg am zweiten Signaleingang der Steuervorrichtung verzögert in Form eines unter Umständen in der Änderungsgeschwindigkeit reduzierten Ausgangssignals ausgibt, eine gegenüber der Lösung mit zwei separaten Temperatursensoren erhöhte Differenz aus den beiden am ersten und zweiten Signaleingang der Steuervorrichtung anliegenden Temperatursignalen, wie z. B. eine Temperaturdifferenz ΔT, bereitgestellt wird.
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Durch die insbesondere frei vorgebbare Konfiguration des „delta T/dt Begrenzers” ist eine beliebige Anpassung bzw. Nachbildung der gemäß dem Stand der Technik durch den zweiten, entfernter vom ersten Laufrad des Turbokompressors angeordneten Temperatursensor realisierten Referenztemperaturverzögerung möglich.
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Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung könnten pro Anwendung drei Temperaturmessstellen mit z. B. einem Gesamtbeschaffungswert von ca. 5000,- EUR eingespart werden. Weitere Einsparungen in Bezug auf materialwirtschaftliche Aufwendungen eines Herstellers sind möglich.
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Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pumpstoßerfassungsvorrichtung ist der „delta T/dt Begrenzer” derart eingerichtet, dass er eine positive Änderungsgeschwindigkeit eines über seinen Signaleingang von dem Temperatursensor empfangenen Temperatursignals mit einem von Null abweichenden Betrag dämpft und eine negative Änderungsgeschwindigkeit eines über seinen Signaleingang von dem Temperatursensor empfangenen Temperatursignals ungedämpft lässt.
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Gemäß einer Ausgestaltung dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pumpstoßerfassungsvorrichtung kann z. B. eine positive Änderungsgeschwindigkeit des Temperatursignals bzw. der gemessenen Temperatur mit 1 K/min (auch mehr bzw. schneller wäre möglich) bedämpft sein, wohingegen eine negative Änderungsgeschwindigkeit des Temperatursignals bzw. der gemessenen Temperatur nicht bedampft wird.
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Dadurch kann eine gegenüber der Lösung mit zwei separaten Temperatursensoren erhöhte Differenz aus den beiden am ersten und zweiten Signaleingang der Steuervorrichtung anliegenden Temperatursignalen, wie z. B. eine Temperaturdifferenz ΔT, insbesondere auch bei schnell folgenden positiven Temperaturflanken bestimmt werden.
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Die reale physikalische Totzeit bzw. Verzögerung eines zweiten Temperatursensors (Referenzelementes) kann über die ausschließlich positive Bedämpfung des „delta T/dt Begrenzers” nachgebildet werden. Externe Einflüsse, wie eine plötzlich ansteigende Ansaugtemperatur in einem Ansaugkanal des Turbokompressors (z. B. durch einen warmen Luftstrom oder Öffnen eines Umblaseventils), könnten so durch eine geringere Bedämpfung ausgeglichen werden.
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Gemäß der Erfindung können kurz hintereinander auftretende Pumpstöße besser erfasst werden, als mit einem physikalisch vorhandenen zweiten Temperatursensor (Referenzelement). Ein solcher zweiter Temperatursensor gemäß dem Stand der Technik ist auch negativ bedämpft, was eine Reduzierung der Differenz aus den beiden am ersten und zweiten Signaleingang der Steuervorrichtung anliegenden Temperatursignalen, wie z. B. eine Reduzierung der Temperaturdifferenz ΔT, verursacht.
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Der erfindungsgemäß vorgesehene „delta T/dt Begrenzer” übernimmt dagegen die abfallende Flanke eines durch einen Pumpstoß erzeugten Temperaturanstiegs bzw. nachfolgenden Temperaturabfalls unmittelbar als Referenz und nicht physikalisch verzögert. Damit erhöht sich auf vorteilhafte Weise die Wahrscheinlichkeit für die Erfassung von Folge-Pumpstößen.
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Im Fazit realisiert die Erfindung die Bildung eines Ersatzwertes für den langsam ansprechenden Temperatursensor, so dass dieser entfallen kann, wobei das grundlegende Konzept für die thermische Pumpstoßerfassung erhalten bleibt.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Turbokompressor mit einer Pumpstoßerfassungsvorrichtung gemäß einer, mehreren oder allen zuvor beschriebenen Ausführurngsformen der Erfindung in jeder denkbaren Kombination bereitgestellt, wobei der Temperatursensor der Pumpstoßerfassungsvorrichtung in einem Arbeitsfluidpfad durch den Turbokompressor hindurch unmittelbar vor einem ersten Laufrad des Turbokompressors angeordnet ist.
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Gemäß Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Turbokompressors ist dieser von einem Axialkompressor oder einem Radialkompressor gebildet.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Erfassen von Pumpstößen in einem Turbokompressor gemäß einer, mehreren oder allen zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung in jeder denkbaren Kombination bereitgestellt, wobei bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mittels des Temperatursensors ein zu einer Temperatur im Arbeitsfluidpfad durch den Turbokompressor hindurch unmittelbar vor dem ersten Laufrad des Turbokompressors korrespondierendes Temperatursignal erzeugt wird; das Temperatursignal in einem ersten Signalpfad als ein erstes Auswertesignal direkt bzw. unmodifiziert an den ersten Signaleingang der Steuervorrichtung übertragen wird; das Temperatursignal in einem zweiten Signalpfad an den Signaleingang des „delta T/dt Begrenzers” übertragen wird; ein aus dem Temperatursignal gebildetes am Signalausgang des „delta T/dt Begrenzers” bereitgestelltes zweites Auswertesignal an den zweiten Signaleingang der Steuervorrichtung übertragen wird; in der Steuervorrichtung aus dem ersten und dem zweiten Auswertesignal eine Differenz gebildet und aus der Differenz ein Kontrollwert gebildet wird; der Kontrollwert mit einem vorbestimmten Grenzwert verglichen wird, und ein Pumpstoßerfassungssignal ausgegeben wird, wenn der Kontrollwert den vorbestimmten Grenzwert überschreitet.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in dem „delta T/dt Begrenzer” eine positive Änderung eines über seinen Signaleingang von dem Temperatursensor empfangenen Temperatursignals mit einem von Null abweichenden Betrag gedämpft, wohingegen eine negative Änderung eines über seinen Signaleingang von dem Temperatursensor empfangenen Temperatursignals ungedämpft belassen wird.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren detaillierter beschrieben.
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1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines als Axialkompressor ausgebildeten Turbokompressors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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2 zeigt eine schematische Schnittansicht eines als Radialkompressor ausgebildeten Turbokompressors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Wie in 1 gezeigt, weist ein hier als Axialkompressor ausgebildeter Turbokompressor 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ein Gehäuse 10 sowie einen in dem Gehäuse 10 ausgebildeten Ansaugkanal 20, welcher einen Anfang eines Arbeitsfluidpfades durch den Turbokompressor 1 hindurch bildet, und wenigstens ein in dem Gehäuse 10 angeordnetes Laufrad 30 auf, welches auf einer drehbar im Gehäuse 10 gelagerten Kompressorwelle 40 befestigt ist.
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Der Turbokompressor 1 weist ferner eine Pumpstoßerfassungsvorrichtung 50 auf, die ihrerseits einen einzigen Temperatursensor 51, einen „delta T/dt Begrenzer” 52, eine Steuervorrichtung 53 und eine Pumpschutzeinrichtung 54 aufweist.
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Der Temperatursensor 51 ist im Ansaugkanal 20 des Turbokompressor 1 unmittelbar vor einem ersten Laufrad 30, hier unmittelbar vor dem einzigen Laufrad 30, des Turbokompressors 1 angeordnet und weist einen Signalausgang 51a zum Ausgeben eines Temperatursignals auf.
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Die Steuervorrichtung 53 weist einen ersten Signaleingang 53a und einen zweiten Signaleingang 53b für Temperatursignale des Temperatursensors 51 auf, wobei die Steuervorrichtung 53 per Software und/oder Hardware und/oder Firmware eingerichtet ist, eine Differenz aus über den ersten Signaleingang 53a und den zweiten Signaleingang 53b empfangenen Temperatursignalen zu bilden, aus der Differenz einen Kontrollwert zu bilden und über einen Signalausgang 53c und eine Signalleitung (nicht bezeichnet) ein Pumpstoßerfassungssignal PS an einen Signaleingang 54a der Pumpschutzeinrichtung 54 auszugeben, wenn der Kontrollwert einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet. Wie aus 1 ersichtlich, ist der Signalausgang 51a des Temperatursensors 51 über eine Signalleitung (nicht bezeichnet) mit dem ersten Signaleingang 53a der Steuervorrichtung 53 signalverbunden.
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Im Detail weist die Steuervorrichtung 53 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ein Differenzbildungsglied 53d auf, das als Differenz eine Temperaturdifferenz ΔT aus den beiden am ersten Signaleingang 53a und am zweiten Signaleingang 53b der Steuervorrichtung 53 anliegenden Temperatursignalen bildet.
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Der „delta T/dt Begrenzer” 52 weist einen Signaleingang 52a und einen Signalausgang 52b auf, wobei der Signaleingang 52a des „delta T/dt Begrenzers” 52 über eine Signalleitung (nicht bezeichnet) mit dem Signalausgang 51a des Temperatursensors 51 signalverbunden ist, und wobei der Signalausgang 52b des „delta T/dt Begrenzers” 52 über eine Signalleitung (nicht bezeichnet) mit dem zweiten Signaleingang 53b der Steuervorrichtung 53 signalverbunden ist.
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Der „delta T/dt Begrenzer” 52 ist per Software und/oder Hardware und/oder Firmware derart eingerichtet, dass er eine positive Änderungsgeschwindigkeit eines über seinen Signaleingang 52a von dem Temperatursensor 51 empfangenen Temperatursignals an seinem Signalausgang 52b mit einem von Null abweichenden Betrag dämpft und eine negative Änderungsgeschwindigkeit eines über seinen Signaleingang 52a von dem Temperatursensor 51 empfangenen Temperatursignals an seinem Signalausgang 52b ungedämpft lässt.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der „delta T/dt Begrenzer” 52 derart eingerichtet, dass eine positive Änderung des Temperatursignals bzw. der gemessenen Temperatur mit 1 K/min (auch mehr bzw. schneller wäre möglich) bedämpft ist, wohingegen eine negative Änderung des Temperatursignals bzw. der gemessenen Temperatur nicht bedämpft ist.
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Wie in 2 gezeigt, weist ein hier als Radialkompressor ausgebildeter Turbokompressor 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ein Gehäuse 10' sowie einen in dem Gehäuse 10' ausgebildeten Ansaugkanal 20', welcher einen Anfang eines Arbeitsfluidpfades durch den Turbokompressor 1' hindurch bildet, und wenigstens ein in dem Gehäuse 10' angeordnetes Laufrad 30' auf, welches auf einer drehbar im Gehäuse 10' gelagerten Kompressorwelle 40' befestigt ist und welches gemäß der Ausführungsform von 2 das erste und einzige Laufrad 30' ist.
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Der Turbokompressor 1' weist ferner eine solche Pumpstoßerfassungsvorrichtung 50 auf, wie sie mit Bezug auf 1 bereits beschrieben wurde, weshalb hier auf eine erneute detaillierte Beschreibung der Pumpstoßerfassungsvorrichtung 50 verzichtet werden kann. Im Folgenden wird ein Verfahren zum Erfassen von Pumpstößen in einem Turbokompressor 1, 1' gemäß 1 oder 2 beschrieben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird mittels des Temperatursensors 51 ein zu einer Temperatur im Ansaugkanal 20, 20' unmittelbar vor dem ersten Laufrad 30, 30' des Turbokompressors 1, 1' korrespondierendes Temperatursignal erzeugt.
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Das Temperatursignal wird dann einerseits in einem ersten Signalpfad als ein erstes Auswertesignal direkt an den ersten Signaleingang 53a der Steuervorrichtung 53 übertragen und andererseits in einem zweiten Signalpfad an den Signaleingang 52a des „delta T/dt Begrenzers” 52 übertragen.
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In dem „delta T/dt Begrenzer” 52 wird eine positive Änderung des über seinen Signaleingang 52a von dem Temperatursensor 51 empfangenen Temperatursignals mit einem von Null abweichenden Betrag gedämpft, wohingegen eine negative Änderung des Temperatursignals ungedämpft belassen wird.
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Ein aus dem Temperatursignal gebildetes am Signalausgang 52b des „delta T/dt Begrenzers” 52 bereitgestelltes zweites Auswertesignal wird dann an den zweiten Signaleingang 53b der Steuervorrichtung 53 übertragen.
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In der Steuervorrichtung 53 wird dann aus dem ersten und dem zweiten Auswertesignal eine Differenz, wie z. B. die Temperaturdifferenz ΔT und ggf. die zeitliche Ableitung dΔT/dt davon gebildet und aus der Differenz ein Kontrollwert, welcher bevorzugt entweder von der Temperaturdifferenz ΔT, von deren zeitlicher Ableitung dΔT/dt oder von beiden gebildet wird, realisiert.
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Der Kontrollwert wird dann mit einem vorbestimmten Grenzwert, nämlich bevorzugt einem vorgegebenen Grenzwert ΔTmax für die Temperaturdifferenz ΔT und/oder einem vorgegebenen Grenzwert dmax für die zeitliche Ableitung dΔT/dt, verglichen.
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Schließlich wird, wenn der Kontrollwert einen oder beide vorbestimmten Grenzwert(e) überschreitet, von der Steuervorrichtung an ihrem Signalausgang 53c das Pumpstoßerfassungssignal PS ausgegeben und zur Verarbeitung über deren Signaleingang 54a an die Pumpschutzeinrichtung 54 übertragen, welche dann ihrerseits nicht dargestellte Stellglieder, wie z. B. Ventilstellglieder, Leitschaufelverstellglieder, Umblaseklappenstellglieder usw., betätigt, so dass der Pumpstoßausbildung entgegengewirkt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Turbokompressor
- 1'
- Turbokompressor
- 10
- Gehäuse
- 10'
- Gehäuse
- 20
- Ansaugkanal
- 20'
- Ansaugkanal
- 30
- erstes Laufrad
- 30'
- erstes Laufrad
- 40
- Kompressorwelle
- 40'
- Kompressorwelle
- 50
- Pumpstoßerfassungsvorrichtung
- 51
- Temperatursensor
- 51a
- Signalausgang
- 52
- ”delta T/dt Begrenzer”
- 52a
- Signaleingang
- 52b
- Signalausgang
- 53
- Steuervorrichtung
- 53a
- erster Signaleingang
- 53b
- zweiter Signaleingang
- 53c
- Signalausgang
- 53d
- Differenzbildungsglied
- 53e
- Grenzwertbildung
- 54
- Pumpschutzeinrichtung
- 54a
- Signaleingang
- PS
- Pumpstoßerfassungssignal
