DE102015014438A1

DE102015014438A1 - Regelbares Ab- (BOV) und Umblaseventil (CBV) für Turbokompressoren zur Pumpverhütung

Info

Publication number: DE102015014438A1
Application number: DE102015014438.3A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Hasemann; Klaus Bubbel; Robertus Philipus Lammers; Jueun Lee
Original assignee: Ccturbo GmbH
Current assignee: Ccturbo GmbH
Priority date: 2015-11-07
Filing date: 2015-11-07
Publication date: 2017-05-11

Abstract

1. Bei herkömmlichen Ab- und Umblaseventilen ist eine Regelung des abzublasenden Volumenstroms in der Regel nicht möglich, da die schnelle Öffnung Priorität hat. Das neue SBOV stellt hier einen breiten Regelbereich zur Verfügung ohne die Funktion der schnellen Öffnung einzuschränken. 2.Das neue SBOV besteht im Kern aus zwei ineinander gesteckten Zylindern mit Öffnungen in den jeweiligen Mantelflächen. Durch die relativ große Oberfläche der Mantelflächen und insbesondere die dadurch mögliche Verteilung der Passageöffnungen auf mehrere kleine speziell geformte Öffnungen, ist eine präzisere Feineinstellung des Passagevolumenstromes möglich, als dies bei konventionellen BOV's der Fall ist, wobei die Verstellwege dennoch sehr kurz sind und ein schnelles Öffnen und Schließen erlauben. 3.Das regelbare Ab- und Umblaseventil eignet sich für ein- und mehrstufige Turboverdichter zur sicheren Vermeidung des Pumpens insbesondere auch beim kritischen An- und Abfahren.

Description

Es ist bekannt, dass Turbokompressoren radialer, diagonaler und auch axialer Bauart infolge ihrer Kompaktheit bzw. hohen Leistungsdichte bei guten Wirkungsgraden, ein breites Einsatzspektrum sowohl bezüglich des Durchsatzes als auch des Druckverhältnisses aufweisen und in gewissen Bereichen traditionelle Maschinentypen wie z. B. PD-Blower verdrängen können (Walter Traupel: "Thermische Turbomaschinen, Erster Band. Thermodynamisch-strömungstechnische Berechnung" ISBN: 3540673768, Gerd Heinz Grabow: "Das erweiterte Cordier-Diagramm für Fluidenergiemaschinen und Verbrennungsmotoren", ISSN:0015-7899 (Print) 1434-0860 (Online)).
Neben diesen Vorteilen liegt eine große Schwäche von Turbokompressoren aber in ihrer „Empfindlichkeit” gegen das „Pumpen”. Im Turboverdichter – Kennfeld hin zu kleinen Durchsätzen, gibt es eine charakteristische Begrenzung, jenseits derer ein ordnungsgemäßer Betrieb nicht mehr möglich ist. Im Gegenteil, ein Erreichen oder gar Überfahren dieser als „Pumpgrenze” bezeichneten Begrenzung führt in der Regel zu schweren Instabilitäten im Druckaufbau und in vielen Fällen, neben den Problemen auf der Verbraucherseite, zu erheblichen Beschädigungen der Kompressoranlage mit langen Reparaturzeiten und Kosten.
Es gibt international seit langem diverse Forschungen, bestehende Maßnahmen und Systeme zur Pumpverhütung zu verbessern und neue zu entwickeln. Man beschäftigt sich damit, die Pumpgrenze durch aktive oder passive Maßnahmen zu verschieben. Andere versuchen die Pumpgrenze exakter zu bestimmen um den Sicherheitsabstand geringer und damit das Kennfeld breiter gestalten zu können.
In jedem Fall spielt die Interaktion zwischen dem Pumpbegrenzungssystem mit der Kompressorcharakteristik eine bedeutende Rolle und es ist immer das Gesamtsystem zu betrachten.

1) By Ali Ghanbariannaeeni and Ghazalehsadat Ghazanfarihashemi, Tehran, Iran | March 2012, Vol. 239 No. 3 http://pipelineandgasnournal.com/protectinq-centrifugal-compressor-surge
2) SURGE AVOIDANCE FOR COMPRESSOR SYSTEMS by Robert C. White Principal Engineer and Rainer Kurz Manager, Systems Analysis Solar Turbines Inc. San Diego, California PROCEEDINGS OF THE THIRTY-FIFTH TURBOMACHINERY SYMPOSIUM • 2006
3) Arnulfi, G. L., Giannatasio, P., Micheli, D., and Pinamonti, P., 2000, "An Innovative Control of Surge in Industrial Compression Systems," ASME 2000-GT-352.
4) Bakken, L. E., Bjorge, T., Bradley, T. M., and Smith, N., 2002, "Validation of Compressor Transient Behavior," ASME GT-2002-30279.
5) Blanchini, F., Giannatasio, P., Micheli, D., and Pinamonti, P., 2001, "Experimental Evaluation of a High-Gain Control for Compressor Surge Suppression," ASME 2001-GT-0570.
6) Day, I. J., 1991, "Axial Compressor Performance During Surge," Proceedings of the 10th International Symposium on Air Breathing Engines, Nottingham, United Kingdom, pp. 927–934.
7) Epstein, A. H., Ffowcs Williams, J. E., and Greitzer, E. M., 1994, "Active Suppression of Compressor Instabilities," AIAA-86-1994.
8) Kurz, R. and White, R. C., 2004, "Surge Avoidance in Gas Compression Systems," TransASME Jturbo, 126, pp. 501–506.
9) Kurz, R., McKee, R., and Brun, K., 2006, "Pulsations in Centrifugal Compressor Installations," ASME GT2006-90070.
10) McKee, R. J. and Deffenbaugh, D., 2003, "Factors that Affect Surge Precursors in Centrifugal Compressors," Proceedings of GMRC Gas Machinery Conference, Salt Lake City, Utah.
11) Nakayama, Y., 1988, Visualized Flow, Oxford, United Kingdom: Pergamon Press.
12) Sentz, R. H., 1980, "The Analysis of Surge," Proceedings of the Ninth Turbomachinery Symposium, Turbomachinery Laboratory, Texas A&M University, College Station, Texas, pp. 57–61.

Obwohl die Parameter des Gesamtsystems insgesamt betrachtet werden müssen, spielt das Pumpverhütungsventil (BOV) und seine Charakteristik eine entscheidende Rolle bei der Pumpverhütung. Die neue Entwicklung zielt darauf, hier ein besseres BOV zu entwickeln.
Während traditionelle Verfahren und Abblaseventile (BOV) durch abruptes Öffnen des Bypass die Gefahr des Pumpens abwenden und die Maschine abregeln, strebt das hier vorgestellte spezielle regelbare Ventil (SBOV) eine sanftere und definierte Vorgehensweise an. Durch die Möglichkeit das Ventil partiell und stufenlos zu öffnen und zu schließen, kann der Ab- bzw. Umblasvorgang bereits beim Annähern an die Pumpgrenze eingeleitet werden, was einem „Abbremsvorgang” gleichkommt, den Betriebsbereich quasi virtuell kurzzeitig erweitert und die Chancen erhöht, den Kompressor nicht gleich abregeln zu müssen, sondern Zeit für andere geeignete Gegenmaßnahmen zu gewinnen, um den Kompressor wieder in den sicheren Kennfeldbereich zu fahren.
Traditionelle BOV's bzw. BOV's mit herkömmlicher Geometrie sind nicht in der Lage den sie passierenden Volumenstrom zu regeln. Die im neuen Ventil SBOV eingesetzte Technologie kann den Volumenstrom fein justieren.
Dies ist möglich durch die relativ große zur Verfügung stehende Oberfläche der verwendeten Zylinder, bzw. Kegelstümpfe. Durch die Verdrehung der Zylinder bzw. Kegelstümpfe gegeneinander kann die Passageöffnung fein und stufenlos reguliert werden, wobei die Verstellwege dennoch sehr kurz ausfallen und somit eine nahezu verzögerungsfreie Action erlauben.
Dabei stellen pneumatische oder elektrische Aktuatoren oder Motoren sicher, dass die Verdrehung, bzw. Verschiebung mit der notwendigen Geschwindigkeit und Präzision erfolgt.
Bild 1 zeigt eine Prinzipskizze der Komponenten und der Funktionsweise des Ventils. Kern der Anlage sind die zwei ineinander geschobenen Hohlzylinder/Rohre mit zylindrischer Berührungsfläche bei Typ A und B, sowie konischer Berührungsfläche bei Typ C und D, die gegeneinander verdreh- (Typ A und C) oder verschiebbar (Typ B und D) geführt sind. Beide Rohre sind mit Löchern in den Mantelflächen versehen, die durch verdrehen oder axiales Verschieben übereinander geschoben werden können, so dass sich ein freier Querschnitt einstellen läßt, durch den das Medium passieren kann. Das äußere Rohr ist mit einer Gleitbeschichtung versehen, um den Reibwiderstand zu minimieren. Die Führung/Lagerung erfolgt in den mit I bzw. II bezeichneten Bereichen. Die Verdrehung/Verschiebung wird von elektrischen oder pneumatischen Aktuatoren oder Motoren im Controller III durchgeführt, der über eine genormte Schnittstelle angesprochen werden kann. Durch die Geometrie des Zylinders kann bereits durch geringe Regelbewegungen ein großer Durchströmquerschnitt freigegeben werden. Auf der anderen Seite ist durch eine entsprechende Gestaltung der Flächen, eine Feinjustierung des Passagestroms möglich.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, einstufige und insbesondere auch mehrstufige Turbokompressoren nicht nur im Normalbetrieb, sondern auch beim kritischen An- und Abfahrvorgang vor einer zu starken und zu schnellen Annäherung an die Pumpgrenze zu bewahren und natürlich das Pumpen zu verhüten!
Dies Problem wird durch das im Patentanspruch 1 aufgeführte regelbare Ab- und Umblaseventil mit Feineinstellung des Durchsatzes gelöst:

– als Abblaseventil mit integrierbarem Schalldämpfer zum direkten Ausblasen in die Umgebung. Bild 2 zeigt das Ventil als Abblaseventil BOV mit einem direkt angeflanschten Schalldämpfer.
– als Umblaseventil mit integriertem Flansch zum direkten Einblasen in ein Rohrsystem. Bild 3 zeigt das Ventil als Umblaseventil mit einem direkt angeflanschten Rohr zur Rückführung.
– als Umblaseventil mit integriertem Flansch zum Anbringen eine Adapters. Bild 4 zeigt das Ventil als Umblaseventil mit einem angeflanschten Adapter zur Reduzierung des Rohrquerschnitts.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass statt eines simplen Ab- bzw. Umblasens des gesamten Fördervolumens, nur eine fein regelbare Teilmenge des Durchsatzes abgeführt wird, wobei der normale Betrieb des Kompressors aufrecht erhalten werden kann. Dies vermeidet unnötige Ab- und Anfahrzeiten und sorgt durch eine quasi scheinbare Verschiebung der Pumpgrenze zu kleineren Volumenströmen für eine Stabilisierung des Betriebs. Dies ist insbesondere für mehrstufige Kompressoren sehr bedeutsam. Die Feineinstellung wird dadurch erreicht, das sich die in den äußeren und inneren Zylinder-, bzw. Kegelstumpf- Mantelflächen eingebrachten Löcher durch Verdrehung bzw. Verschiebung gegeneinander so überlappen, dass die sich ergebenden Öffnungen einen Teil der Luft passieren lassen. Durch die geometrischen Bedingungen sind nur geringe Verstellwege, bzw. Verdrehwinkel nötig, um eine ausreichend große Passage zu öffnen. Die Verstellung kann daher in sehr kurzer Zeit erfolgen, was für ein BOV vitale Bedeutung hat.
Gleichzeitig erlaubt die unterschiedliche Gestaltung der Löcher in den beiden Flächen auch eine stufenlose Regelung des Durchsatzes zur Ab- bzw. Umblasung nur eines Teilstromes, d. h. durch die Gestaltung der Löcher kann die Charakteristik des Ventils eingestellt und an die Erfordernisse angepaßt werden.
Bild 5 zeigt die abgewickelten Mantelflächen der direkt übereinander liegenden Hohlkörper mit den verschiedenen Bereichen für Führung und Öffnungen. Die Darstellung erfolgt hier für die sich berührenden Zylindermantelflächen. Bei der Variante mit leichter Konizität der Flächen ist das Bild im Prinzip gleich aufgebaut, wobei der Bereich der Führung in diesem Fall auch zylindrisch sein muss.
Bild 6 zeigt ein einfaches Beispiel für in die Mantelflächen eingebrachte Passageöffnungen. Die Öffnungen des inneren Zylinders sind fest und so konzipiert, daß sie die maximale Passageöffnung darstellen, während die Öffnungen der äußeren Mantelfläche an die speziellen Anforderungen der Maschine angepasst werden können.
Bild 7 zeigt die Verdrehung der in Bild 6 erläuterten Mantelflächen gegeneinander und zeigt die zunehmenden Überlappung der Passageflächen. Die Pfeile zeigen den Verdrehweg, bzw. Verdrehwinkel, der relativ klein ist.
Das in Bild 8 dargestellte Beispiel zeigt Öffnungen für eine bessere Feineinstellung des Passagestroms, die stufenlos geschehen kann und Bild 9 zeigt die Verdrehung der Zylinder gegeneinander mit zunehmender Überlappung.
Man erkennt, das zunächst nur eine kleine Fläche freigegeben wird, während aber auch hier durch weitere Drehung schnell die volle Öffnung erreicht wird.
Bild 10 zeigt ein Beispiel für die in die Mantelflächen eingebrachten Öffnungen bei der SBOV-Variante für axiale Verschiebung der Hohlkörper gegeneinander. Die Stufen der axialen Verschiebung sind in Bild 11 dargestellt.
Die schwarzen Pfeile in den Bildern zeigen, das die Verschiebewege auch hier sehr klein sind.
Dies sind nur einige Beispiele für Passageöffnungen. Es lassen sich diverse Anpassungen vornehmen, um dem SBOV die gewünschte Charakteristik zu geben, wobei die sichere Maximalöffnung immer kurzzeitig zu erreichen ist.
Neben den mechanischen Möglichkeiten der Einstellung des ab- bzw. umzublasenden Volumenstromes erlauben die elektrischen/pneumatischen Standard Steuer- und Regelelemente kurze Verstellzeiten und ermöglichen eine komfortable Integration in die bestehende Steuerelektronik und Steuersoftware.
Die elektrischen/pneumatischen Steuereinheiten befinden sich außerhalb des unter Druck stehenden SBOV-Gehäuses und die nach außen durchgeführten mechanischen Wellen oder Gestänge sind mit entsprechenden Abdichtungen gegen rotatorische oder translatorische Bewegungen versehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Walter Traupel: ”Thermische Turbomaschinen, Erster Band. Thermodynamisch-strömungstechnische Berechnung” ISBN: 3540673768 [0001]
Gerd Heinz Grabow: ”Das erweiterte Cordier-Diagramm für Fluidenergiemaschinen und Verbrennungsmotoren”, ISSN:0015-7899 (Print) 1434-0860 (Online) [0001]
By Ali Ghanbariannaeeni and Ghazalehsadat Ghazanfarihashemi, Tehran, Iran | March 2012, Vol. 239 No. 3 http://pipelineandgasnournal.com/protectinq-centrifugal-compressor-surge [0004]
SURGE AVOIDANCE FOR COMPRESSOR SYSTEMS by Robert C. White Principal Engineer and Rainer Kurz Manager, Systems Analysis Solar Turbines Inc. San Diego, California PROCEEDINGS OF THE THIRTY-FIFTH TURBOMACHINERY SYMPOSIUM • 2006 [0004]
Arnulfi, G. L., Giannatasio, P., Micheli, D., and Pinamonti, P., 2000, ”An Innovative Control of Surge in Industrial Compression Systems,” ASME 2000-GT-352 [0004]
Bakken, L. E., Bjorge, T., Bradley, T. M., and Smith, N., 2002, ”Validation of Compressor Transient Behavior,” ASME GT-2002-30279 [0004]
Blanchini, F., Giannatasio, P., Micheli, D., and Pinamonti, P., 2001, ”Experimental Evaluation of a High-Gain Control for Compressor Surge Suppression,” ASME 2001-GT-0570 [0004]
Day, I. J., 1991, ”Axial Compressor Performance During Surge,” Proceedings of the 10th International Symposium on Air Breathing Engines, Nottingham, United Kingdom, pp. 927–934 [0004]
Epstein, A. H., Ffowcs Williams, J. E., and Greitzer, E. M., 1994, ”Active Suppression of Compressor Instabilities,” AIAA-86-1994 [0004]
Kurz, R. and White, R. C., 2004, ”Surge Avoidance in Gas Compression Systems,” TransASME Jturbo, 126, pp. 501–506 [0004]
Kurz, R., McKee, R., and Brun, K., 2006, ”Pulsations in Centrifugal Compressor Installations,” ASME GT2006-90070 [0004]
McKee, R. J. and Deffenbaugh, D., 2003, ”Factors that Affect Surge Precursors in Centrifugal Compressors,” Proceedings of GMRC Gas Machinery Conference, Salt Lake City, Utah [0004]
Nakayama, Y., 1988, Visualized Flow, Oxford, United Kingdom: Pergamon Press [0004]
Sentz, R. H., 1980, ”The Analysis of Surge,” Proceedings of the Ninth Turbomachinery Symposium, Turbomachinery Laboratory, Texas A&M University, College Station, Texas, pp. 57–61 [0004]

Claims

Regelbares Ab-(BOV) und Umblaseventil (CBV) für Turbokompressoren zur Pumpverhütung. Bezeichnung: Smart Blow off Valve (SBOV) dadurch gekennzeichnet, dass die spezielle Konstruktion des Ventils (SBOV) neben der normalen traditionellen Funktion des schnellen Öffnens zum Pumpschutz, auch die Möglichkeit besitzt, den ab- oder umzublasenden Massenstrom stufenlos einzustellen, um damit eine definierte und sichere Annäherung an die Pumpgrenze zu ermöglichen.
Ab- und Umblaseventil A (SBOV) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil aus zwei ineinander gepassten, gegeneinander verdrehbaren, einseitig durch eine Kreisfläche/Kreisringfläche abgeschlossenen zylindrischen Hohlkörpern (Hohlzylinder/Rohr) besteht, die durch Überlappung von Öffnungen in den Zylindermantelflächen die auszublasende Gasmenge durch Verdrehung regeln. Eine entsprechende Führung und Lagerung gegeneinander sowie eine Beschichtung der berührenden Oberflächen ermöglicht eine leichte Verdrehung auch bei höheren Drücken.
Ab- und Umblaseventil B (SBOV) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil aus zwei ineinander gepassten, gegeneinander axial verschiebbaren, einseitig durch eine Kreisfläche/Kreisringfläche abgeschlossenen zylindrischen Hohlkörpern (Hohlzylinder/Rohr) besteht, die durch Überlappung von Öffnungen in den Zylindermantelflächen die auszublasende Gasmenge durch axiale Verschiebung regeln. Eine entsprechende Führung und Lagerung gegeneinander sowie eine Beschichtung der berührenden Oberflächen ermöglicht eine leichte Verschiebung auch bei höheren Drücken.
Ab- und Umblaseventil C (BOV) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil aus zwei ineinander gepassten, gegeneinander verdrehbaren, einseitig durch eine Kreisfläche/Kreisringfläche abgeschlossenen zylindrischen Hohlkörpern mit kegeliger Berührungsfläche (Konusflächen) besteht, die durch Überlappung von Öffnungen in den Kegelmantelflächen die auszublasende Gasmenge durch Verdrehung regeln. Eine entsprechende Führung und Lagerung gegeneinander sowie eine Beschichtung der berührenden Oberflächen ermöglicht eine leichte Verdrehung auch bei höchsten Drücken.
Ab- und Umblaseventil D (BOV) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil aus zwei ineinander gepassten, gegeneinander axial verschiebbaren, einseitig durch eine Kreisfläche/Kreisringfläche abgeschlossenen zylindrischen Hohlkörpern mit kegeliger Berührungsfläche (Konusflächen) besteht, die durch Überlappung von Öffnungen in den Kegelmantelflächen die auszublasende Gasmenge durch axiale Verschiebung regeln. Eine entsprechende Führung und Lagerung gegeneinander sowie eine Beschichtung der berührenden Oberflächen ermöglicht eine leichte Verdrehung auch bei höchsten Drücken.
Ansprüche nach 1, 2, 3, 4 und 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil für das Ab- und Umblasen jeweils baugleich ist und – durch das direkte Anflanschen eines Schalldämpfers zum Abblaseventil, sowie – durch das direkte Anflanschen eines Rohres, bzw. über einen Flanschadapter zum Umblaseventil variiert werden kann.
Ansprüche nach 1, 2, 3, 4, 5 und 6 dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil für das Ab- und Umblasen jeweils durch einen Schritt- oder Servomotor oder einen anderen geeigneten elektrischen Antrieb über ein Zahnradpaar, ein Getriebe, ein Gestänge oder einen Zahnriemen verdreht, bzw. axial verschoben wird, wobei der elektrische Antrieb, jeweils über eine Steuerelektronik angesteuert wird, die eine Standard Controller Schnittstelle zur Ansteuerung bereitstellt und eine Einbindung des Ventils in eine Maschinensteuerung erlaubt.
Ansprüche nach 1, 2, 3, 4, 5 und 6 dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil für das Ab- und Umblasen jeweils durch einen pneumatischen Aktuator bzw. Mechanismus verdreht, bzw. axial verschoben wird, wobei die Pneumatik jeweils über eine Steuerelektronik angesteuert wird, die eine Standard Controller Schnittstelle zur Ansteuerung bereitstellt und eine Einbindung des Ventils in die Maschinensteuerung erlaubt.