DE102021207396A1 - Method for operating a turbomachine and control unit - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Strömungsmaschine (4), insbesondere einer gasgelagerten thermischen Strömungsmaschine (4), bei dem die Strömungsmaschine (4) in einem Betriebsbereich (A) betrieben wird, der einerseits durch eine Pumpgrenze (P) und andererseits durch eine Stopfgrenze (S) limitiert wird, und bei dem zur Erweiterung des Betriebsbereichs (A) um einen Betriebsbereich (B) jenseits der Pumpgrenze (P) folgende Schritte zur Ermittlung der Pumpgrenze (P) oder zumindest eines auf der Pumpgrenze (P) liegenden Grenzpunkts durchgeführt werden:a) Drosseln des Massenstroms (m) bei konstanter Drehzahl (n) der Strömungsmaschine (4), so dass sich das Druckverhältnis (pi) erhöht bis ein maximales Druckverhältnis (pimax) erreicht und überschritten wird,b) Erfassen und Speichern des maximalen Druckverhältnisses (pimax) sowie des zugehörigen Massenstroms (rh) und der zugehörigen Drehzahl (n) als ein Grenzpunkt der Pumpgrenze (P).Die Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät zur Ausführung des Verfahrens oder einzelner Verfahrensschritte.The invention relates to a method for operating a turbomachine (4), in particular a gas-bearing thermal turbomachine (4), in which the turbomachine (4) is operated in an operating range (A) which is defined on the one hand by a surge limit (P) and on the other hand by a The choke limit (S) is limited, and in which, to expand the operating range (A) by an operating range (B) beyond the surge limit (P), the following steps are carried out to determine the surge limit (P) or at least one limit point lying on the surge limit (P). are: a) throttling of the mass flow (m) at a constant speed (n) of the turbomachine (4), so that the pressure ratio (pi) increases until a maximum pressure ratio (pimax) is reached and exceeded, b) recording and storing the maximum Pressure ratio (pimax) and the associated mass flow (rh) and the associated speed (n) as a limit point of the surge limit (P).The invention also relates to a tax Device for carrying out the process or individual process steps.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Strömungsmaschine, insbesondere einer gasgelagerten thermischen Strömungsmaschine. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Steuergerät, das eingerichtet ist, Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen.The invention relates to a method for operating a turbomachine, in particular a gas-bearing thermal turbomachine. In addition, the invention relates to a control unit that is set up to carry out steps of the method according to the invention.
Die Strömungsmaschine kann insbesondere zur Luftverdichtung in einem Brennstoffzellensystem eingesetzt werden.The turbomachine can be used in particular for air compression in a fuel cell system.
Stand der TechnikState of the art
Wasserstoffbasierte Brennstoffzellen gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie lediglich Wasser als Abgas emittieren und schnelle Betankungszeiten ermöglichen.Hydrogen-based fuel cells are considered to be the mobility concept of the future because they only emit water as exhaust gas and enable fast refueling times.
Die elektrochemische Reaktion in den Brennstoffzellen benötigt neben Wasserstoff Sauerstoff als Reaktionsgas. Üblicherweise wird Umgebungsluft als Sauerstofflieferant genutzt. Zur Bereitstellung eines gewissen Luftmassenstroms sowie eines gewissen Druckniveaus wird die benötigte Luft den Brennstoffzellen eines Brennstoffzellensystems mittels eines Luftverdichtungssystems zugeführt. Zum Einsatz gelangen insbesondere Luftverdichtungssysteme mit hochdrehenden Strömungsmaschinen. Da zum Schutz der Brennstoffzellen die zugeführte Luft ölfrei sind muss, werden üblicherweise gasgelagerte Strömungsmaschinen eingesetzt. Neben der Ölfreiheit besitzen Gaslager den Vorteil, dass sie einen nahezu reibungslosen und damit verschleißfreien Betrieb oberhalb einer gewissen Drehzahl (Abhebedrehzahl) ermöglichen. Wird diese jedoch unterschritten, beispielsweise beim Aus- oder Anlaufen, ist der Verschleiß hoch. Ein Start/Stopp-Betrieb stellt daher eine deutliche Mehrbelastung im Vergleich zu einem kontinuierlichen Betrieb der gasgelagerten Strömungsmaschine dar. Häufige Staufahrten und/oder Fahrten im Stadtverkehr tragen somit zu einer Verkürzung der Lebensdauer der Strömungsmaschine bei.In addition to hydrogen, the electrochemical reaction in the fuel cells requires oxygen as a reaction gas. Ambient air is usually used as the oxygen supplier. In order to provide a certain air mass flow and a certain pressure level, the air required is supplied to the fuel cells of a fuel cell system by means of an air compression system. In particular, air compression systems with high-speed turbomachines are used. Since the supplied air must be oil-free to protect the fuel cells, gas-bearing turbomachines are usually used. In addition to being oil-free, gas bearings have the advantage that they enable almost frictionless and therefore wear-free operation above a certain speed (lift-off speed). However, if this is undercut, for example when starting or stopping, the wear is high. A start/stop operation therefore represents a significant additional load compared to continuous operation of the gas-bearing turbomachine. Frequent driving in traffic jams and/or driving in city traffic thus contributes to a reduction in the service life of the turbomachine.
Zum Schutz der Gaslager ist daher im Leerlaufbetrieb eine Mindestdrehzahl einzuhalten. Eine maximale Drehzahl ist ebenfalls vorgegeben. Des Weiteren wird der Betriebsbereich einer Strömungsmaschine durch eine Pumpgrenze einerseits und eine Stopfgrenze andererseits eingeschränkt.To protect the gas bearings, a minimum speed must therefore be maintained during idling. A maximum speed is also specified. Furthermore, the operating range of a turbomachine is limited by a surge limit on the one hand and a choke limit on the other.
Ein typisches Kennfeld einer thermischen Strömungsmaschine ist beispielhaft in der
Ein Überschreiten der Pumpgrenze gilt es daher zu vermeiden. Üblicherweise ist hierzu in die Systemsteuerung eine applizierbare Grenz-Betriebskennlinie implementiert. Da im Realbetrieb die Pumpgrenze nicht exakt für alle Betriebsbedingungen bekannt ist und Alterungseffekte zu einer Verschiebung der Pumpgrenze führen können, hält die implementierte Grenz-Betriebskennlinie einen Sicherheitsabstand zur Pumpgrenze ein (siehe schraffierten Bereich in der
Im Leerlauf- und unteren Teillastbetrieb ist daher eine Erweiterung des Betriebsbereichs wünschenswert. Idealerweise wird hierzu nicht nur der üblicherweise einzuhaltende Sicherheitsabstand zur Pumpgrenze überschritten, sondern ferner die Pumpgrenze selbst. Dies ist zumindest in niedrigen Drehzahlbereichen weitgehend unkritisch. Denn bevor der Druckaufbau komplett zusammenbricht und es zu einem Rückströmen durch die Strömungsmaschine, dem sogenannten „Pumpen“ (engl.: „deep surge“), kommt, treten lediglich lokale Strömungsablösungen auf, welche auf einzelne Schaufelbereiche begrenzt sind. Die dabei entstehenden lokalen Ablösegebiete sind nicht ortsfest, sondern umlaufen die Schaufelbereiche in Umfangsrichtung und werden daher auch „rotierende Ablösung“ (engl.: „rotating stall“) genannt. Die Strömungsmaschine befindet sich dann in einem quasi-stabilen Zustand bzw. quasi-stabilen Bereich (engl.: „mitd surge“). Im Unterschied zum „Pumpen“ kehrt sich die Strömungsrichtung nicht um, sondern bleibt erhalten.An extension of the operating range is therefore desirable in idling and lower part-load operation. Ideally, not only is the safety distance to the surge limit that is usually to be maintained exceeded, but also the surge limit itself. This is largely uncritical, at least in the low speed ranges. Because before the pressure build-up completely collapses and there is a backflow through the turbomachine, the so-called "pumping" (English: "deep surge"), only local flow separations occur, which are limited to individual blade areas. The resulting local stall areas are not stationary, but run around the blade areas in the circumferential direction and are therefore also called “rotating stall”. The turbomachine is then in a quasi-stable state or quasi-stable range ("with surge"). In contrast to "pumping", the direction of flow does not reverse, but remains the same.
Durch Nutzung des „mitd surge“ Bereichs kann im Leerlaufbetrieb bzw. in den unteren Teillastbereichen bei sehr geringen Druckverhältnissen der Massenstrom und damit die Leistungsaufnahme der Strömungsmaschine reduziert werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft im stationären Betrieb, beispielsweise im Start/Stopp-Betrieb eines das Brennstoffzellensystem aufweisenden Fahrzeugs bei abgeschaltetem Verdichteraggregat, im Stand-by-Betrieb sowie beim Aus- oder Anlaufen der Strömungsmaschine. Ferner können die Betriebspunkte des Brennstoffzellenstapels bei Teillast gezielter und energieoptimaler getroffen werden, da bei reduziertem Luftmassenstrom weniger Luft nutzlos über einen Bypasspfad zur Umgehung des Brennstoffzellenstapels abgeströmt werden muss.By using the "mitd surge" range, the mass flow and thus the power consumption of the turbomachine can be reduced in idle operation or in the lower partial load ranges with very low pressure conditions. This is particularly advantageous in stationary operation, for example in start/stop operation of a vehicle having the fuel cell system with the compressor unit switched off, in stand-by operation and when the turbomachine is started or stopped. Furthermore, the operating points of the fuel cell stack can be met in a more targeted and energy-optimal manner at part load, since less air has to be flown away uselessly via a bypass path to bypass the fuel cell stack when the air mass flow is reduced.
Da der Leerlaufbetrieb nach dem vorgeschlagenen Verfahren weniger energieintensiv ist, können Leerlaufphasen verlängert werden. Auf diese Weise kann die Anzahl der Start-Stopp-Vorgänge reduziert werden. Die Gaslager der Strömungsmaschine werden demnach weniger auf Verschleiß beansprucht, so dass die Lebensdauer der Strömungsmaschine steigt.Since idling operation is less energy-intensive according to the proposed method, idling phases can be extended. In this way, the number of start-stop processes can be reduced. The gas bearings of the turbomachine are therefore subjected to less wear, so that the service life of the turbomachine increases.
Die Nutzung des „mitd surge“ Bereichs setzt jedoch eine möglichst genaue Kenntnis der Pumpgrenze und des Kennfelds in diesem Bereich voraus. Ferner ist die Kenntnis der maximalen Drehzahl/Grenzdrehzahl zwischen „mitd surge“ und „deep surge“ erforderlich. Denn bei höheren bzw. hohen Drehzahlen der Strömungsmaschine kann ein Überschreiten der Pumpgrenze abrupt in ein „Pumpen“ übergehen und die Strömungsmaschine Schaden nehmen. In den höheren bzw. hohen Drehzahlbereichen bleibt demnach nicht nur die Einhaltung der Pumpgrenze, sondern darüber hinaus die Einhaltung eines Sicherheitsabstands zur Pumpgrenze sinnvoll.However, the use of the "mitd surge" range requires as precise knowledge as possible of the surge limit and the map in this range. Furthermore, knowledge of the maximum speed/limit speed between "mitd surge" and "deep surge" is required. Because at higher or high speeds of the turbomachine, exceeding the surge limit can suddenly turn into "pumping" and the turbomachine can be damaged. In the higher or high engine speed ranges, it is therefore not only sensible to maintain the surge limit, but also to maintain a safety distance from the surge limit.
Zur Überwachung der Pumpgrenze sind aus dem Stand der Technik verschiedene Verfahren bekannt. Beispielsweise können Schwingungen erfasst und ausgewertet werden, die beim „Pumpen“ an Drucksensoren und/oder Luftmassenmessern auftreten. Abhängig von dem Ergebnis der Auswertung und ggf. weiterer Informationen (z. B. Vorbedatungen und/oder Beobachterstrukturen in der Software) kann dann mit Hilfe der Systemsteuerung eine Abschaltung oder eine Reduzierung des Lastpunkts vorgenommen werden. Im vorliegend adressierten Betriebsbereich ist jedoch das Erfassen von Schwingungen nicht oder nur bedingt funktional, da zu ungenau. Denn im Leerlauf- oder unteren Teillastbetrieb treten Schwingungen kaum oder gar nicht auf.Various methods are known from the prior art for monitoring the surge limit. For example, vibrations that occur when “pumping” on pressure sensors and/or air mass meters can be recorded and evaluated. Depending on the result of the evaluation and any additional information (e.g. pre-programming and/or observer structures in the software), the system control can then be used to switch off or reduce the load point. In the operating range addressed here, however, the detection of vibrations is not functional, or only functional to a limited extent, since it is too imprecise. This is because vibrations hardly occur or do not occur at all in idling or lower part-load operation.
Die vorliegende Erfindung versucht hier Abhilfe zu schaffen. Insbesondere soll ein Verfahren zur möglichst genauen Ermittlung der Pumpgrenze im niedrigen bis mittleren Drehzahlbereich einer Strömungsmaschine angegeben werden.The present invention tries to remedy this. In particular, a method for determining the surge limit in the low to medium speed range of a turbomachine as precisely as possible is to be specified.
Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird ein Steuergerät zur Ausführung des Verfahrens bzw. einzelner Verfahrensschritte angegeben.To solve the problem, the method with the features of
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben einer Strömungsmaschine, insbesondere einer gasgelagerten thermischen Strömungsmaschine, wird die Strömungsmaschine in einem Betriebsbereich A betrieben, der einerseits durch eine Pumpgrenze und andererseits durch eine Stopfgrenze limitiert wird. Zur Erweiterung des Betriebsbereichs A um einen Betriebsbereich B jenseits der Pumpgrenze werden folgende Schritte zur Ermittlung der Pumpgrenze oder zumindest eines auf der Pumpgrenze liegenden Grenzpunkts durchgeführt:
- a) Drosseln des Massenstroms bei konstanter Drehzahl der Strömungsmaschine, so dass sich das Druckverhältnis erhöht und ein maximales Druckverhältnis erreicht und überschritten wird,
- b) Erfassen und Speichern des maximalen Druckverhältnisses sowie des zugehörigen Massenstroms und der zugehörigen Drehzahl als ein Grenzpunkt der Pumpgrenze.
- a) throttling of the mass flow at a constant speed of the turbomachine, so that the pressure ratio increases and a maximum pressure ratio is reached and exceeded,
- b) detecting and storing the maximum pressure ratio and the associated mass flow and the associated speed as a limit point of the surge limit.
Das Verfahren ermöglicht die Ermittlung mindestens eines auf der Pumpgrenze liegenden Grenzpunkts im Realbetrieb der Strömungsmaschine, so dass das Ergebnis sehr genau ist. Liegt der ermittelte Grenzpunkt nicht auf einer als Kennlinie hinterlegten Pumpgrenze, kann diese Abweichung erfasst und berücksichtigt werden. Gründe für die Abweichung können Bauteilstreuungen und/oder ein verändertes Komponentenverhalten sein.The method makes it possible to determine at least one limit point lying on the surge limit in real operation of the turbomachine, so that the result is very precise. If the limit point determined is not on a surge limit stored as a characteristic curve, this deviation can be recorded and taken into account. Reasons for the deviation can be component variations and/or changed component behavior.
Um Herauszufinden, ob das maximale Druckverhältnis erreicht worden ist, muss dieser Punkt überschritten werden. Denn mit Eintritt in den „mitd surge“ Bereich bzw. den Bereich B sinkt das Druckverhältnis wieder ab. Vorteilhafterweise wird die ganze Kennlinie durchgefahren und die Kurve anschließend ausgewertet.In order to find out whether the maximum pressure ratio has been reached, this point must be exceeded. Because when entering the "mitd surge" range or range B, the pressure ratio drops again. Advantageously, the entire characteristic curve is run through and the curve is then evaluated.
Bevorzugt werden die Schritte a) und b) des Verfahrens für unterschiedliche Drehzahlen wiederholt. Auf diese Weise können eine Vielzahl von Grenzpunkten ermittelt werden, die in ihrer Gesamtheit die Pumpgrenze wiedergeben. Ferner können die Betriebskennlinien für einzelne Drehzahlen, vorzugsweise das ganze Betriebskennnfeld, ermittelt werden, und zwar bevorzugt für Drehzahlen größer als oder gleich der Leerlaufdrehzahl des Aggregats und kleiner als die maximal zulässige Grenzdrehzahl für den „mitd surge“ Bereich bzw. den Bereich B.Steps a) and b) of the method are preferably repeated for different speeds. In this way, a large number of limit points can be determined, which in their entirety reflect the surge limit. Furthermore, the operating characteristics for individual speeds, preferably the entire operating map, can be determined, preferably for speeds greater than or equal to the idle speed of the unit and less than the maximum permissible limit speed for the "mitd surge" range or range B.
Des Weiteren bevorzugt werden die mehreren ermittelten Grenzpunkte zu einer Grenzlinie verbunden, die dann als Kennlinie gespeichert wird. Die Kennlinie definiert dann die Pumpgrenze. In Kenntnis der genauen Pumpgrenze kann der Betriebsbereich der Strömungsmaschine exakt bestimmt werden. Ferner kann in den niedrigen bis mittleren Drehzahlbereichen der Betriebsbereich erweitert werden, um den Betrieb der Strömungsmaschine energetisch zu optimieren. Die genaue Kenntnis der Pumpgrenze hilft beim Umschalten zwischen den Betriebsbereichen. Die genaue Kenntnis des Betriebskennfelds im „mitd surge“ Bereich bzw. im Bereich B hilft bei der Regelung des Luftsystems im Betriebsmodus B.Furthermore, the several boundary points determined are preferably connected to form a boundary line, which is then stored as a characteristic line. The characteristic curve then defines the surge limit. Knowing the exact surge limit, the operating range of the turbomachine can be determined exactly the. Furthermore, the operating range can be expanded in the low to medium speed ranges in order to optimize the operation of the turbomachine in terms of energy. Exact knowledge of the surge line helps when switching between the operating ranges. Exact knowledge of the operating map in the "mitd surge" area or in area B helps to regulate the air system in operating mode B.
Ferner bevorzugt wird der mindestens eine erfasste Grenzpunkt oder eine sich hieraus ergebende Grenzlinie in einem nichtflüchtigen Speicher eines Steuergeräts oder Computers, beispielsweise Bordcomputers, gespeichert. Bei Einsatz der Strömungsmaschine als Luftverdichter in einem Brennstoffzellensystem kann der nichtflüchtige Speicher insbesondere ein Steuergerät zur Systemsteuerung sein.Furthermore, the at least one detected boundary point or a boundary line resulting therefrom is preferably stored in a non-volatile memory of a control device or computer, for example an on-board computer. When the turbomachine is used as an air compressor in a fuel cell system, the non-volatile memory can in particular be a control device for system control.
Vorteilhafterweise wird das Verfahren in regelmäßigen oder unregelmäßigen zeitlichen Abständen wiederholt. Auf diese Weise können das Komponentenverhalten beeinflussende Alterungseffekte erfasst und berücksichtigt werden. Dies ermöglicht eine adaptive Systemsteuerung über die Lebenszeit der Strömungsmaschine.The method is advantageously repeated at regular or irregular time intervals. In this way, aging effects influencing the component behavior can be recorded and taken into account. This enables adaptive system control over the lifetime of the turbomachine.
Das vorgeschlagene Verfahren kann beispielsweise periodisch, das heißt nach Zeitablauf, und/oder dann durchgeführt werden, wenn sich die Gelegenheit dazu ergibt. Dies ist insbesondere im Stand-by-Betrieb des Brennstoffzellenstapels oder bei abgestelltem Brennstoffzellenstapel der Fall, da dann der Systembetrieb nicht gestört wird. Der Verdichtermassenstrom wird dann bevorzugt über einen den Brennstoffzellenstapel umgehenden Bypass abgeführt. Ferner kann das Verfahren nach Bedarf durchgeführt werden. Die Durchführung kann dann insbesondere vom Lastprofil, den Randbedingungen und/oder dem Betriebsverhalten der Strömungsmaschine abhängig gemacht werden.The proposed method can, for example, be carried out periodically, ie after the time has elapsed, and/or when the opportunity arises. This is the case in particular when the fuel cell stack is in stand-by mode or when the fuel cell stack is switched off, since system operation is then not disturbed. The compressor mass flow is then preferably discharged via a bypass bypassing the fuel cell stack. Further, the process can be performed as needed. The implementation can then be made dependent in particular on the load profile, the boundary conditions and/or the operating behavior of the turbomachine.
Findet sich im Betrieb der Strömungsmaschine kein geeigneter Zeitpunkt, kann der Durchführung des Verfahrens eine höhere Priorisierung eingeräumt werden. Bei Einsatz der Strömungsmaschine als Luftverdichter in einem Brennstoffzellensystem eines Fahrzeugs kann beispielsweise durch Powersplit, das heißt durch Leistungsaufteilung, der Betrieb des Brennstoffzellensystems kurzzeitig ausgesetzt und der Fahrbetrieb über eine Batterie ermöglicht werden, so dass das Verfahren durchgeführt werden kann.If no suitable point in time can be found during operation of the turbomachine, the implementation of the method can be given a higher priority. When the turbomachine is used as an air compressor in a fuel cell system of a vehicle, the operation of the fuel cell system can be temporarily suspended and driving via a battery can be enabled, so that the method can be carried out, for example by power splitting, i.e. by splitting the power.
Idealerweise wird das Verfahren als Auto-Kalibrierung durchgeführt. Die Adaption der Systemsteuerung kann somit automatisiert werden.Ideally, the procedure is carried out as an auto-calibration. The adaptation of the system control can thus be automated.
Des Weiteren bevorzugt wird das Verfahren erstmalig bei einer Bandende-Kalibrierung oder mit Inbetriebnahme der Strömungsmaschine durchgeführt. Somit liegen von Beginn an Daten vor, die eine genaue Ermittlung der Pumpgrenze und damit einen energieoptimierten Betrieb der Strömungsmaschine ermöglichen. Vorzugsweise wird gleich das gesamte Betriebskennfeld ermittelt.Furthermore, the method is preferably carried out for the first time during end-of-line calibration or when the turbomachine is started up. This means that data is available right from the start, which enables the surge limit to be precisely determined and thus energy-optimized operation of the turbomachine. The entire operating characteristics map is preferably determined at the same time.
Im Betrieb der Strömungsmaschine wird vorzugsweise der mindestens eine erfasste und gespeicherte Grenzpunkt als Trigger zum Umschalten zwischen den beiden Betriebsbereichen A und B genutzt. Da in hohen Drehzahlbereichen das Überschreiten der Pumpgrenze die Strömungsmaschine beschädigen kann, wird ferner vorgeschlagen, dass die Pumpgrenze lediglich in niedrigen bis mittleren Drehzahlbereichen überschritten wird. Das heißt, dass ein Umschalten lediglich in den niedrigen bis mittleren Drehzahlbereichen erfolgt.During operation of the turbomachine, the at least one recorded and stored boundary point is preferably used as a trigger for switching between the two operating ranges A and B. Since exceeding the surge limit can damage the turbomachine in high speed ranges, it is also proposed that the surge limit is exceeded only in low to medium speed ranges. This means that switching only takes place in the low to medium speed ranges.
Ferner wird vorgeschlagen, dass zur Erkennung eines Pumpens der Strömungsmaschine Schwingungen erfasst und ausgewertet werden. Das heißt, dass ergänzend konventionelle Detektions- und Diagnosefunktionen zum Einsatz gelangen können, die über Schwingungserkennung, das heißt Schwingungen des Massenstroms und/oder der Drücke, ein beginnendes Pumpen erkennen lassen, so dass unmittelbar Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können. Diese können das Abschalten der Strömungsmaschine oder eine Verschiebung des Betriebspunkts beinhalten. Des Weiteren kann auf diese Weise eine Grenzdrehzahl ermittelt werden, für die der Betrieb im „mitd surge“ Bereich bzw. im Bereich B noch möglich ist. Die Grenzdrehzahl definiert dann den Übergang vom „mitd surge“ Bereich bzw. Bereich B in den „deep surge“ Bereich bzw. Bereich D, die beide jenseits der Pumpgrenze liegen.It is also proposed that vibrations be detected and evaluated in order to detect pumping of the turbomachine. This means that conventional detection and diagnostic functions can be used in addition, which indicate the onset of pumping via vibration detection, ie vibrations in the mass flow and/or the pressures, so that countermeasures can be initiated immediately. These can include shutting down the turbomachine or shifting the operating point. In addition, a limit speed can be determined in this way for which operation in the "mitd surge" range or in range B is still possible. The limit speed then defines the transition from the "mid surge" range or range B to the "deep surge" range or range D, both of which are beyond the surge limit.
Darüber hinaus wird ein Steuergerät vorgeschlagen, das eingerichtet ist, Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Beispielsweise kann mit Hilfe des Steuergeräts ein Ventil oder eine Drosselklappe angesteuert werden, um in Schritt a) den Massenstrom zu drosseln. Das Ventil bzw. die Drosselklappe kann insbesondere stromabwärts der Strömungsmaschine angeordnet sein. Bei Einsatz der Strömungsmaschine in einem Brennstoffzellensystem kann beispielsweise das Ventil bzw. die Drosselklappe in einem Bypasspfad zur Umgehung eines Brennstoffzellenstapels und/oder in einem Abluftpfad zum Abführen der aus dem Brennstoffzellenstapel austretenden Luft angeordnet sein.In addition, a control unit is proposed that is set up to carry out steps of the method according to the invention. For example, a valve or a throttle flap can be activated with the aid of the control device in order to throttle the mass flow in step a). The valve or the throttle flap can in particular be arranged downstream of the turbomachine. When the flow machine is used in a fuel cell system, the valve or the throttle flap can be arranged in a bypass path for bypassing a fuel cell stack and/or in an exhaust air path for discharging the air emerging from the fuel cell stack.
Alternativ oder ergänzend kann mit Hilfe des Steuergeräts das maximale Druckverhältnis einschließlich des zugehörigen Massenstroms und der zugehörigen Drehzahl erfasst und gespeichert werden (Schritt b) des Verfahrens). Zudem kann das Betriebskennfeld für den „mitd surge“ Bereich ermittelt und gespeichert werden. Ferner kann die Grenzdrehzahl zwischen Bereich B („mild surge“) und Bereich D („deep surge“) ermittelt und gespeichert werden.Alternatively or additionally, the maximum pressure ratio, including the associated mass flow and the associated speed, can be recorded and stored using the control unit (step b) of the method). In addition, it can Operating map for the "mitd surge" range can be determined and saved. Furthermore, the limit speed between range B ("mild surge") and range D ("deep surge") can be determined and saved.
Des Weiteren kann mit Hilfe des Steuergeräts das erfindungsgemäße Verfahren automatisiert und als Auto-Kalibrierung durchgeführt werden.Furthermore, with the aid of the control device, the method according to the invention can be automated and carried out as an auto-calibration.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
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1 eine grafische Darstellung eines typischen Kennfelds einer thermischen Strömungsmaschine, -
2 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einer Strömungsmaschine zur Luftverdichtung, -
3 eine graphische Darstellung eines Kennfelds einer thermischen Strömungsmaschine mit erweitertem Betriebsbereich und -
4 eine graphische Darstellung eines Kennfelds einer thermischen Strömungsmaschine mit einem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelten Grenzpunkt bei einer Drehzahl n1.
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1 a graphical representation of a typical map of a thermal turbomachine, -
2 a schematic representation of a fuel cell system with a turbomachine for air compression, -
3 a graphical representation of a characteristic map of a thermal fluid machine with extended operating range and -
4 a graphical representation of a characteristic diagram of a thermal turbomachine with a limit point determined by the method according to the invention at a speed n1.
Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings
Das Kennfeld zeigt den stabilen Betriebsbereich der Strömungsmaschine. Dieser wird einerseits von einer Pumpgrenze P und andererseits von einer Stopfgrenze S begrenzt. Bei Überschreiten der Pumpgrenze P verlässt die Strömungsmaschine den stabilen Betriebsbereich und es kommt zum sogenannten „Pumpen“ der Strömungsmaschine. Um dies zu verhindern, wird der als schraffierter Bereich dargestellte Sicherheitsabstand zur Pumpgrenze P eingehalten. Dieser engt jedoch den Betriebsbereich der Strömungsmaschine ein.The map shows the stable operating range of the turbomachine. This is limited on the one hand by a surge limit P and on the other hand by a choke limit S. If the surge limit P is exceeded, the turbomachine leaves the stable operating range and so-called "pumping" of the turbomachine occurs. In order to prevent this, the safety distance to the surge limit P shown as a hatched area is maintained. However, this narrows the operating range of the turbomachine.
Eine thermische Strömungsmaschine mit einem entsprechenden Kennfeld kann beispielsweise in einem Brennstoffzellensystem zur Luftverdichtung eingesetzt werden. Der
Mit Hilfe der in der
Die in der
Zum Absperren des Brennstoffzellenstapels 2 von der Luftversorgung sind Absperrventile 9, 10 vorgesehen, die insbesondere im Abstellfall geschlossen werden. Ferner kann ein Teilmassenstrom oder der gesamte Luftmassenstrom über einen Bypasspfad 5 am Brennstoffzellenstapel 2 vorbeigeführt werden. Hierzu wird ein im Bypasspfad 5 angeordnetes Ventil 7 teilweise oder ganz geschlossen. Durch zumindest teilweises Schließen des Ventils 7 und/oder eines in einem Abluftpfad 6 angeordneten Ventils 8 kann der dem Brennstoffzellenstapel 2 zugeführte Luftmassenstrom gedrosselt werden. Durch Abströmen der verdichteten Luft über den Bypasspfad 5 geht jedoch Energie ungenutzt verloren.To shut off the fuel cell stack 2 from the air supply, shut-off
Für einen energieoptimierten Betrieb der Strömungsmaschine kann in niedrigen bis mittleren Drehzahlbereichen der stabile Betriebsbereich „Area A“ um den Betriebsbereich „Area B“ erweitert werden. Das heißt, dass kein Sicherheitsabstand zur Pumpgrenze P eingehalten und die Pumpgrenze P bewusst überschritten wird. In diesem Drehzahlbereich wird somit der Betriebsbereich der Strömungsmaschine nicht nur um den Bereich „Area B“, sondern ferner um eine nicht eingehaltene Sicherheitszone A2 erweitert. Neben der Pumpgrenze P kann zudem eine Grenzdrehzahl definiert werden, die den Bereich B („mild surge“) vom Bereich D („deep surge“) trennt.For energy-optimized operation of the turbomachine, the stable operating range "Area A" can be expanded to include the operating range "Area B" in the low to medium speed ranges. This means that there is no safety margin to the surge limit P and the surge limit P is deliberately exceeded. In this speed range, the operating range of the turbomachine is not only about the area "Area B", but also further expanded to include a safety zone A2 that has not been complied with. In addition to the surge limit P, a limit speed can also be defined, which separates area B (“mild surge”) from area D (“deep surge”).
In dem erweiterten Betriebsbereich „Area B“ befindet sich die Strömungsmaschine in einem quasi-stabilen Zustand bzw. in einem quasi-stabilen Bereich. Das heißt, dass es zu Strömungsabrissen kommen kann, diese aber lokal begrenzt sind. Ferner bleibt die Hauptströmungsrichtung unverändert, so dass es nicht zu einem „Pumpen“ der Strömungsmaschine kommt. Dies ist lediglich im Betriebsbereich „Area D“ der Fall, so dass in dem entsprechenden Drehzahlbereich der Pumpgrenze P die Sicherheitszone A1 vorgelagert ist, um ein „Pumpen“ der Strömungsmaschine sicher zu vermeiden.In the extended operating range “Area B”, the turbomachine is in a quasi-stable state or in a quasi-stable range. This means that stalls can occur, but these are locally limited. Furthermore, the main direction of flow remains unchanged, so that there is no "pumping" of the turbomachine. This is only the case in the operating range "Area D", so that in the corresponding speed range of the surge limit P, the safety zone A1 is upstream in order to reliably avoid "surge" of the turbomachine.
Der Betrieb der Strömungsmaschine 4 in dem erweiterten Betriebsbereich „Area B“ setzt die genaue Kenntnis der Pumpgrenze P sowie vorzugsweise des Betriebskennfelds des Bereichs B bzw. der Grenzdrehzahl zwischen den Bereichen B und D voraus. Diese kann bzw. können mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt werden, das nachfolgend anhand der
Der Startpunkt S1 des Verfahrens wird so gewählt, dass der Betriebspunkt sicher im Bereich „Area A“ liegt. Die Messung kann komplett entdrosselt starten (S1 rechts) oder sie kann zeitoptimiert bereits mit einer gewissen Drosselung starten (S1 Mitte oder S1 links). Anschließend wird der Strömungsquerschnitt verkleinert bzw. die Drosselung erhöht, so dass sich der Massenstrom verkleinert und das Druckverhältnis erhöht (siehe Pfeil). Die Verkleinerung des Strömungsquerschnitts kann dabei schrittweise mit zeitlichen Haltephasen oder durch eine kontinuierliche Rampe durchgeführt werden. Das Verfahren wird fortgesetzt bis E1 bzw. bis zur gewünschten Kennfelderweiterung. Dabei sinkt das Druckverhältnis bei gleicher Drehzahl etwas ab, was auf lokale Rückströmungen zurückzuführen ist.The starting point S1 of the procedure is selected in such a way that the operating point is definitely in the "Area A" area. The measurement can start completely de-throttled (S1 right) or it can start time-optimized with a certain throttling (S1 middle or S1 left). The flow cross-section is then reduced or the throttling increased, so that the mass flow decreases and the pressure ratio increases (see arrow). The flow cross-section can be reduced step by step with timed holding phases or by a continuous ramp. The process is continued up to E1 or up to the desired expansion of the map. The pressure ratio drops slightly at the same speed, which can be attributed to local backflows.
Das maximal erreichte Druckverhältnis pimax gibt einen Grenzpunkt der Pumpgrenze für die Drehzahl n1 bei einem Luftmassenstrom mAir 1 an und kann aus der gemessenen Trajektorie ermittelt werden. Der Grenzpunkt und vorzugsweise auch die Betriebskennlinie im Bereich B wird bzw. werden erfasst und gespeichert. Der Ablauf wird dann entsprechend für weitere Drehzahlen n2, n3 usw. wiederholt. Die Ergebnispunkte pimax[n], mAir[n] für n = n1... N ergeben dann die Grenzkennlinie bzw. die Pumpgrenze für den Übergang von „Area A“ nach „Area B“. Die Ergebniskennlinien pi=f(mAir, n) links von der Grenzkennlinie ergeben dann das erweiterte Kennfeld für den Betrieb der Strömungsmaschine im „mitd surge“ Bereich. Die Grenzdrehzahl zwischen den Bereichen B und D kann durch die üblichen Diagnosefunktionen für Pumpschutz ermittelt werden.The maximum pressure ratio p imax reached indicates a limit point of the surge limit for the speed n1 at an air
Das Verfahren kann im Betrieb der Strömungsmaschine 4 durchgeführt werden, insbesondere als Auto-Kalibrierung, das durch Zeitablauf und/oder den gegebenen Randbedingungen getriggert wird. Durch Wiederholung des Verfahrens über die Lebensdauer der Strömungsmaschine können Bauteilstreuungen oder Alterungseffekte eliminiert werden.The method can be carried out during operation of the
Zur Durchführung des Verfahrens in einem Brennstoffzellensystem 1 gemäß der
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FR2911371B1 (en) * | 2007-01-16 | 2009-04-17 | Peugeot Citroen Automobiles Sa | METHOD AND DEVICE FOR MEASURING THE LIMIT OF PUMPING A TURBOCHARGER SUPPLYING A VEHICLE ENGINE |
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