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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Testvorrichtung für einen Verdichter. Speziell beschreibt die vorliegende Erfindung ein kalibriertes Strömungssteuerungsmodul zum Testen eines Verdichters.
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HINTERGRUND
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Verdichter werden häufig in Gasturbinen, Strahltriebwerken und vielfältigen sonstigen industriellen Anwendungen verwendet. Ein Verdichter enthält gewöhnlich mehrere Schaufelstufen, um das Arbeitsfluid fortschreitend zu verdichten. Jede Schaufelstufe weist umlaufende Flügel auf, die auch als Laufschaufeln oder Rotoren bekannt sind und die dazu dienen, das Arbeitsfluid zu beschleunigen. Auch als Statoren oder Leitschaufeln bekannte stationäre Schaufeln, verlangsamen das Arbeitsfluid und lenken dessen Strömungsrichtung in Richtung der umlaufenden Schaufeln der nächsten Stufe um. Auf diese Weise erzeugt der Verdichter einen fortlaufenden Strom von verdichtetem Arbeitsfluid für eine anschließende Verbrennung und Expansion, um Arbeit zu verrichten.
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Es bestehen vielfältige Einrichtungen zum Testen der Betriebsleistung von Verdichtern. Beispielsweise beschreibt das
US-Patent 6 220 086 B1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Testen des Stoßdruckverhältnisses in Verdichtern für Turbinen. Die Einrichtung enthält eine Verrohrung, die das Arbeitsfluid über ein Drosselventil dem Verdichtereinlass zuführt. Die Stellung des Drosselventils wird vorübergehend verändert, um den Arbeitsfluidstrom in den Verdichtereinlass während des Testens für kurze Zeit zu verringern.
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Die in dem
US-Patent 6 220 086 B1 beschriebene Testvorrichtung weist nicht die Fähigkeit auf, den in den Verdichtereinlass strömenden Arbeitsfluidstrom genau zu messen. Darüber hinaus ist die Testvorrichtung nicht in der Lage, die Temperatur des Arbeitsfluids zu steuern, bevor es in den Verdichtereinlass eintritt. Falls die vorübergehende Änderung des Arbeitsfluidstroms nicht ausreicht, um den gewünschten Test durchzuführen, muss der Vorgang folglich wiederholt werden, und das Drosselventil muss vorübergehend verändert werden, um den Arbeitsfluidstrom in den Verdichtereinlass nochmals für kurze Zeit zu verringern, um den gewünschten Test durchzuführen. Dementsprechend kann die Testvorrichtung einen wiederholten Vorgang erfordern, um die richtige Drosselstellung zu ermitteln, die geeignet ist, den Arbeitsfluidstrom in den Verdichtereinlass ausreichend zu reduzieren, um den gewünschten Test durchzuführen.
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Aus der JPH 10197414 A ist ein Testaufbau für den Test von Abgasturboladern bekannt. Die Turbine des Abgasturboladers ist mit einer Testvorrichtung verbunden, die eine Drossel sowie Drucksensoren vor und hinter der Drossel aufweist.
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Folglich besteht der Bedarf nach einer Testvorrichtung, die in der Lage ist, in genauer Weise einen gewünschten Arbeitsfluidstrom zu einem zu testenden Verdichter zu liefern. Darüber hinaus besteht der Bedarf nach einer Testvorrichtung, die in der Lage ist, die Temperatur des Arbeitsfluids vor dessen Eintritt in den Verdichtereinlass zu erhöhen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Aspekte und Vorteile der Erfindung sind nachstehend in der folgenden Beschreibung unterbreitet oder können sich offensichtlich aus der Beschreibung ergeben oder können durch die Praxis der Erfindung erfahren werden.
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In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung enthält eine Testvorrichtung für einen Verdichter ein Ventil, das mit dem Verdichter verbunden ist, und eine Verrohrung, die mit dem Ventil verbunden ist. Eine Strömungsdüse ist mit der Verrohrung verbunden, und die Strömungsdüse weist einen entsprechenden Strömungskoeffizienten auf. Ein Drucksensor, der mit der Strömungsdüse verbunden ist, misst einen Druck eines Arbeitsfluids, das durch die Strömungsdüse strömt, und eine Strömungsrate des Arbeitsfluids wird anhand des Arbeitsfluiddrucks und des Strömungskoeffizienten für die Strömungsdüse berechnet.
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In noch einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung enthält eine Testvorrichtung für einen Verdichter ein Ventil, das mit dem Verdichter verbunden ist, und eine Verrohrung, die mit dem Ventil verbunden ist. Eine Strömungsdüse ist mit der Verrohrung verbunden, und die Strömungsdüse weist einen entsprechenden Strömungskoeffizienten auf. Ein Mittel zum Messen einer Strömungsrate eines Arbeitsfluids durch die Strömungsdüse ist mit der Strömungsdüse verbunden.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Testen eines Verdichters. Das Verfahren beinhaltet die Schritte: Betreiben des Verdichters bei einem ersten Leistungspegel, Messen einer Strömungsrate eines Arbeitsfluids zu dem Verdichter bei dem ersten Leistungspegel, und Anpassen des Arbeitsfluiddrucks, bis der Druck des in den Verdichter eintretenden Arbeitsfluids mit einem ersten vorbestimmten Druck übereinstimmt. Das Verfahren beinhaltet ferner den Schritt: Messen von Betriebsparametern des Verdichters bei dem ersten Leistungspegel, wobei der Druck des in den Verdichter eintretenden Arbeitsfluids bei dem ersten vorbestimmten Druck liegt. Das Verfahren beinhaltet weiter die Schritte: Anpassen des Arbeitsfluiddrucks, bis der Druck des in den Verdichter eintretenden Arbeitsfluids mit einem zweiten vorbestimmten Druck übereinstimmt, und Messen von Betriebsparametern des Verdichters bei dem ersten Leistungspegel, wobei der Druck des in den Verdichter eintretenden Arbeitsfluids bei dem zweiten vorbestimmten Druck liegt.
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Dem Fachmann werden die Ausstattungsmerkmale und Aspekte solcher und weiterer Ausführungsbeispiele nach dem Lesen der Beschreibung verständlicher.
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Figurenliste
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Eine vollständige und verwirklichbare Offenlegung der vorliegenden Erfindung, die den für den Fachmann besten Modus der Erfindung beinhaltet, ist in der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Figuren mehr im Einzelnen beschrieben:
- 1 zeigt in einer vereinfachten Draufsicht ein Ausführungsbeispiel eines Strömungssteuerungsmoduls, das in einer Verdichtertestvorrichtung enthalten sein kann;
- 2 zeigt eine vereinfachte Draufsicht einer Testvorrichtung, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
- 3 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Testvorrichtung gemäß einem veränderten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Es wird nun im Einzelnen auf vorliegende Ausführungsbeispiele der Erfindung eingegangen, wobei ein oder mehrere der Beispiele in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind. Die detaillierte Beschreibung verwendet numerische und alphabetische Bezeichnungen, um auf Ausstattungsmerkmale in den Figuren Bezug zu nehmen. In den Figuren und in der Beschreibung wurden übereinstimmende oder ähnliche Bezeichnungen verwendet, um auf übereinstimmende oder ähnliche Elemente der Erfindung Bezug zu nehmen.
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Sämtliche Beispiele dienen der Erläuterung der Erfindung und sollen diese nicht beschränken. Der Fachmann wird ohne weiteres erkennen, dass Modifikationen und Änderungen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom dem Schutzumfang oder Gegenstand der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können Ausstattungsmerkmale, die als Teil eines Ausführungsbeispiels veranschaulicht oder beschrieben sind, auf ein anderes Ausführungsbeispiel angewendet werden, um noch ein weiteres Ausführungsbeispiel hervorzubringen. Die vorliegende Erfindung soll daher solche Modifikationen und Abweichungen abdecken, soweit diese in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche und deren äquivalenten Formen fallen.
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1 zeigt in einer vereinfachten Draufsicht ein Ausführungsbeispiel eines Strömungssteuerungsmoduls 10, das in einer Verdichtertestvorrichtung enthalten sein kann. Wie gezeigt, enthält das Strömungssteuerungsmodul 10 im Wesentlichen ein Ventil 12, eine Verrohrung 14, eine Strömungsdüse 16 und ein Mittel 18, um die Strömungsrate des durch die Strömungsdüse 16 strömenden Arbeitsfluids zu messen.
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Das Ventil 12 kann eine beliebige, dem Fachmann bekannte Konstruktion aufweisen, die dazu dient, einen Strom zuzulassen und zu verhindern. In speziellen Ausführungsbeispielen kann das Ventil 12 außerdem in der Lage sein, eine Drosselung durchzuführen, um den Druck an dem Einlass des zu testenden Verdichters zu reduzieren. Beispielsweise kann das Ventil 12 ein Kugelventil, ein Drosselventil, ein Schieberventil, ein Klappenventil oder ein Ventil einer beliebigen äquivalenten Konstruktion sein. Der speziell ausgewählte Typ eines Ventils wird von Betriebsfaktoren abhängen, z.B. von der erwarteten Strömungsrate, Temperatur und/oder dem Einlassdruck an dem Verdichter. Beispielsweise ist ein 36-Zoll-Klappenventil, das ein mit einem Flansch versehenes Ende und einen nachgiebigen Sitz aufweist, ein geeignetes Ventil, das einen ausreichenden Arbeitsfluidstrom erlaubt, über das Ventil hinweg einen minimalen Druckabfall erzeugt und eine Drosselfunktion vorsieht.
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Das Ventil 12 kann außerdem einen Aktuator 20 aufweisen, um Fernbetrieb zu ermöglichen. Der Aktuator 20 kann ein Elektromotor, ein Druckluftantrieb, ein hydraulischer Antrieb oder eine beliebige sonstige äquivalente Einrichtung sein, die dazu dient, das Ventil 12 ferngesteuert zu betätigen.
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Die Verrohrung 14 verbindet die Strömungsdüse 16 mit dem Ventil 12 und schafft einen Strömungspfad für das Arbeitsfluid. Die Verrohrung 14 kann aus einem beliebigen geeigneten Material hergestellt sein, z.B. aus Blech, Kunststoff, Urethan oder Polyvinylchlorid. Die Verrohrung 14 ist bemessen, um auf der Grundlage des ASME-Düsenhalsdurchmessers ein gewünschtes Beta-Verhältnis zu erhalten. Beispielsweise kann eine geeignete Verrohrung 14 für eine 24-Zoll-ASME-Lang-Radius-Strömungsdüse und einem gewünschten Beta von 0,5 einen Innendurchmesser von 48 Zoll aufweisen. Zusätzliche Anschlussstücke 21 können erforderlich sein, um die Verrohrung 14 mit der Strömungsdüse 16 oder dem Ventil 12 zu verbinden.
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Die Strömungsdüse 16 lenkt den Arbeitsfluidstrom in die Verrohrung 14. Die Strömungsdüse 16 weist im Wesentlichen einen Einlass 22 und einen Hals 24 auf, durch den das Arbeitsfluid strömt. Eine geeignete Strömungsdüse 16, die dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung entspricht, kann eine 24-Zoll-ASME-Lang-Radius-Strömungsdüse sein.
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Das Strömungssteuerungsmodul 10 ist kalibriert, um die Rate der Strömung des Arbeitsfluids, das durch die Strömungsdüse 16, und somit in den Verdichter strömt, genau zu messen. Die Kalibrierung des Strömungssteuerungsmoduls 10 bestimmt für das Strömungssteuerungsmodul 10 ein Verhältnis des Strömungskoeffizienten (c) zur Reynoldszahl (Rd).
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Das Mittel 18 zum Messen der Strömungsrate des Arbeitsfluids kann einen oder mehrere Drucksensoren, Druckdifferenzsensoren, Staudruckmesser, Impulsrohre oder vergleichbare, dem Fachmann bekannte Vorrichtungen zum Messen eines Fluidstroms beinhalten. Beispielsweise kann die Strömungsdüse 16 einen oder mehrere Drucksensoren 26, z.B. ein Impulsrohr, an dem Einlass 22 und an dem Hals 24 der Strömungsdüse 16 aufweisen. Die Drucksensoren 26 können genutzt werden, um ein Druckdifferenzsignal 28 zu erzeugen, das dann mit dem Strömungskoeffizienten eingesetzt werden kann, um den durch das Strömungssteuerungsmodul 10 fließenden Arbeitsfluidstrom zu berechnen. Die Strömungsdüse 16 kann ferner eine oder mehrere Temperatursensoren 30 aufweisen, die die Temperatur des Arbeitsfluids messen, so dass die berechnete Strömungsrate mit Blick auf Änderungen der Temperatur des Arbeitsfluids angepasst werden kann.
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2 zeigt eine vereinfachte Draufsicht einer Testvorrichtung 32 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel enthält die Testvorrichtung 32 mehrere Strömungssteuerungsmodule 34, die durch einen Sammelraum 36 mit einem Verdichter 38 verbunden sind. Die tatsächliche Anzahl von Strömungssteuerungsmodulen 34 in der Testvorrichtung hängt von den Strömungsanforderungen des zu testenden Verdichters ab und kann im Bereich von Eins bis Vierundzwanzig oder darüber liegen. Die Gesamtförderrate des Arbeitsfluids wird als die Summe der Strömungsraten durch jedes Strömungssteuerungsmodul 34 berechnet.
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Wie in 2 dargestellt, kann die Testvorrichtung 32 an dem Einlass zu den Strömungssteuerungsmodulen 34 einen Schalldämpfer 40 enthalten. Der Schalldämpfer 40 kann einen Schirm, ein Parallelleitblech, einen Schalldämpfer oder eine geeignete äquivalente, aus dem Stand der Technik bekannte Konstruktion beinhalten, die dazu dient, Schall zu dämpfen und/oder ein Eindringen von Fremdkörpern in die Testvorrichtung 32 zu verhindern. Ein Schalldämpferrohr 42 verbindet den Schalldämpfer 40 mit den Strömungssteuerungsmodulen 34.
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Jedes Strömungssteuerungsmodul 34 enthält, wie zuvor mit Bezug auf 1 beschrieben, ein Ventil 44, eine Verrohrung 46, eine Strömungsdüse 48 und ein Mittel 50 zum Messen einer Strömungsrate.
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Der Sammelraum 36 verbindet die Strömungssteuerungsmodule 34 mit dem Verdichter 38. Der Sammelraum 36 kann aus einem beliebigen geeigneten Material hergestellt sein, z.B. aus Blech, Kunststoff, Urethan oder Polyvinylchlorid, und ist bemessen, um die gewünschten Strömungsraten aufzunehmen, die für den Verdichter 38 erwartet werden. Der Sammelraum 36 sollte in der Lage sein, Druck- und Unterdruckänderungen standzuhalten, die durch den Verdichtertestvorgang verursacht werden. Beispielsweise kann ein typischer Verdichtertestvorgang Druckschwankungen von etwa 1,5 Atmosphären und Unterdruckschwankungen von 200 Zoll Wassersäule in dem Sammelraum 36 stromabwärts der Strömungssteuerungsmodule 34 hervorbringen.
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Der Sammelraum 36 kann ein Leitblech oder perforierte Platten 52 enthalten, um den Arbeitsfluidstrom so zu lenken, dass er stromabwärts der Strömungssteuerungsmodule 34 die gewünschten Strömungsgeschwindigkeiten erzielt. Eine geeignete Anordnung kann beispielsweise drei versetzte perforierte Platten 52 beinhalten, die eine perforierte Fläche von etwa 48,5 % aufweisen.
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3 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Testvorrichtung 54, die mit einem Verdichter 56 verbunden ist, gemäß einem veränderten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Testvorrichtung 54 enthält, wie zuvor mit Bezug auf 1 und 2 erörtert, einen Schalldämpfer 58, ein oder mehrere Strömungssteuerungsmodule 60 und einen Sammelraum 62. Das Arbeitsfluid strömt durch den Schalldämpfer 58 zu den Strömungssteuerungsmodulen 60. Die Strömungssteuerungsmodule 60 messen den Arbeitsfluidstrom genau, und die Stellungen der Ventile 64 werden angepasst, um an dem Einlass des zu testenden Verdichters 56 den gewünschten Druck des Arbeitsfluids zu erreichen. In dem Sammelraum 62 angeordnete perforierte Platten 66 lenken den Arbeitsfluidstrom über unterschiedliche Krümmer 68 und Übergangsstücke 70, die den Sammelraum 62 mit dem Verdichter 56 verbinden, zu dem Verdichter 56.
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Die in 3 dargestellte Testvorrichtung 54 weist ferner ein Abzapfsystem 72 auf, um das Arbeitsfluid zu erwärmen, bevor es in den Verdichter 56 eintritt. Ein erstes Ende 74 des Abzapfsystems 72 ist mit dem Auslass des Verdichters 56 verbunden, und ein zweites Ende 76 des Abzapfsystems 72 ist mit der Testvorrichtung 54 verbunden. Das Abzapfsystem 72 verzweigt einen Teil des verdichteten und erwärmten Arbeitsfluids zurück zu der Testvorrichtung 54, beispielsweise zu dem stromabwärts der Strömungssteuerungsmodule 60 gelegenen Sammelraum 62. Das Abzapfsystem 72 kann ein Durchflussregelventil 78 enthalten, das ferngesteuert betätigbar ist, um die Menge der umgeleiteten Luft zu regeln/steuern, die der Testvorrichtung 54 zugeführt wird.
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Die in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Testvorrichtungen können mit dem Einlass eines Verdichters verbunden werden, um die Strömungsrate des Arbeitsfluids genau zu messen und den Druck des in den Verdichter eintretenden Arbeitsfluids anzupassen, während der Verdichter bei unterschiedlichen Leistungspegeln arbeitet. Wenn der Verdichter, wie in einem speziellen Test gefordert, beispielsweise bei einem ersten Leistungspegel arbeitet, können die Testvorrichtungen die Strömungsrate des Arbeitsfluids zu dem Verdichter genau messen und die Ventilstellungen anpassen, bis der Druck des in den Verdichter eintretenden Arbeitsfluids mit einem ersten vorbestimmten Druck übereinstimmt. Betriebsparameter des Verdichters, z.B. die Abgastemperatur, der Auslassdruck und das Kompressionsverhältnis, können bei dem ersten Leistungspegel gemessen und aufgezeichnet werden, wobei der Druck des Arbeitsfluids an dem Einlass des Verdichters bei dem ersten vorbestimmten Druck liegt. Die Testvorrichtungen können anschließend die Ventile anpassen, bis der Druck des in den Verdichter eintretenden Arbeitsfluids mit einem zweiten vorbestimmten Druck übereinstimmt, und Betriebsparameter des Verdichters können nochmals gemessen und aufgezeichnet werden.
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Der Testvorgang kann anschließend wiederholt werden, wobei der Verdichter bei einem zweiten Leistungspegel arbeitet. Wie zuvor messen die Testvorrichtungen die Strömungsrate genau und passen den Druck des in den Verdichter eintretenden Arbeitsfluids an dritte und vierte vorbestimmte Druckwerte an, um die Betriebsleistung des Verdichters zu testen. Der dritte und vierte vorbestimmte Druckwert können mit dem ersten bzw. zweiten vorbestimmten Druckwert übereinstimmen.
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Während des Verdichtertestvorgangs kann die Testvorrichtung außerdem die Temperatur des Arbeitsfluids bei den unterschiedlichen Leistungspegeln des Verdichters messen. Weiter kann die Testvorrichtung, falls der Verdichtertestvorgang eine spezielle Temperatur des Arbeitsfluids erfordert, das Abzapfsystem benutzen, um das Arbeitsfluid zu erwärmen, bevor es in den Verdichter eintritt. Außerdem kann die Testvorrichtung das Arbeitsfluid vor dem Eintritt in den Verdichter durch perforierte Platten leiten, um den Arbeitsfluidstrom in den Verdichter zu regeln/steuern.
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Dem Fachmann sollte klar sein, dass Modifikationen und Abweichungen an den Ausführungsbeispielen der im Vorliegenden erörterten Erfindung vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den beigefügten Patentansprüchen und deren äquivalenten Formen dargelegt ist.
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Eine Testvorrichtung für einen Verdichter enthält ein Ventil 12 und eine Verrohrung 14, die mit dem Ventil 12 verbunden ist. Eine Strömungsdüse 16, die mit der Verrohrung 14 verbunden ist, weist einen entsprechenden Strömungskoeffizienten auf. Ein Drucksensor 26, der mit der Strömungsdüse 16 verbunden ist, misst einen Druck eines Arbeitsfluids, und es wird anhand des Drucks und des Strömungskoeffizienten eine Strömungsrate des Arbeitsfluids berechnet. Ein Verfahren zum Testen eines Verdichters beinhaltet die Schritte: Betreiben des Verdichters bei einem ersten Leistungspegel, Messen einer Strömungsrate eines Arbeitsfluids bei dem ersten Leistungspegel, Anpassen des Arbeitsfluiddrucks, um mit einem ersten vorbestimmten Druck übereinzustimmen, und Messen von Betriebsparametern des Verdichters bei dem ersten Leistungspegel. Das Verfahren beinhaltet ferner die Schritte: Anpassen des Arbeitsfluiddrucks, so dass dieser mit einem zweiten vorbestimmten Druck übereinstimmt, und Messen von Betriebsparametern des Verdichters bei dem ersten Leistungspegel, wobei der Druck des Arbeitsfluids bei dem zweiten vorbestimmten Druck liegt.
