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Einrichtung zur selbsttätigen Regelung von Turboverdichtern Das Betriebsverhalten
von Turboverdichtern kann entsprechend Bild 1 der Zeichnung gekennzeichnet werden
durch Kennlinien, in denen der Druck p abhängig vom Förderstrom Q für jeweils konstante
Drehzahl ni, 112' it3 . . . dargestellt ist. Die Förderung verläuft stetig
nur bis zur Grenzkurve b, z. B. für n,=const. bis zum Puinpgreiizpunkt
B.,. Die Kurve b
verbindet die Pumpgrenzpunlkte B aller Kennlinien
n=coiist. und heißt Drehzahlpumpgrenze.
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Links von b, z_. B. im Punkt P, ist eine stetige Förderung nur möglich,
wenn mindestens die Differenz 1 Ql, zwischen dem Verbrauchsstrom Q,, und
dein Grenzförderstrom Ql, durch ein Ausblase- oder j: mleitventil direkt oder über
eine Entspannungsturbine :tl>gel>lasen wird. Praktisch muß für stabilen Betrieb
der Beginn des Ausblasens schon bei dem etwas gr:3ßeren Förderstrom Qa> QU, also
etwa in Punkt A2, einsetzen und die etwas größere Menge A Q, abgeblasen werden.
Die Kurve a. verbindet die Punkte A für Beginn des Ausblasens aller Kennlinien it=const.
und sei Drelizahl-Ausblasegrenze genannt. Sie sollte für kleinsten Leistungsverbrauch
möglichst dicht rechts neben der Kurve b verlaufen.
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Im folgenden stellt die Kurve a allgemein die Ansprechgrenze für das
Eingreifen einer Regelung zur Verhütung des Pumpens bei veränderlichen Drehzahlen
dar.
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Man kann die Drelizahlpuinpgrenze b - und damit den stabilen Förderbereich
- nach links, d. h. zti kleineren Grenzförderströmen verschieben durch Verstellung
der Leitschaufeln auf der Eintrittsseite ader auf der Austrittsseite der Laufräder.
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Bei Verkleinerung der Schaufelwinkel z. B. von a auf x bzw.
ä' werden die Kennlinien n1 bis it3 auf iti', it2', 1231 ... bzw.
it;i.>". . . mit den Punipgrenzkurven b' und b" nach Bild 2 verschoben. filier
sind also die Kurven b=bma," b' und b" die Drehzahlptunpgrenzen für jeweils
konstante Schaufelstellung ama,. bzw. ä bzw. x', während die Kurven c1, c,
und e3 die Puinpgreiizen sind für jeweils konstante Drehzahlen yti=ni'=iti'
... bzw. n2=n2f= ya.," .
bzw. it3=n3'..., jedoch für veränderliche
Schaufelstellungen (Leitscliaufelpumpgrenzen).
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Wenn ein Turboverdichter nach Bild 1 mit konstanter, z. B. voller
Schaufelöffnung a und mit veränderlicher Drehzahl fit betrieben wird, so kommen
außer anderen üblicherweise, z. B. nach Bild 3, folgende Regelmöglichkeiten in Frage:
1. Regelung auf konstanten Enddruck des Verdichters 2; 2. Regelung auf konstanten
Förderstrom.
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Häufiger ist die Regelung auf konstanten Enddruck. Ein Enddruckregler
3 wirkt dabei auf Regelventile 4 der Turbine 1 so, daß bei abnehmendem Verbrauch,
wobei der Enddruck die Tendenz hat, zu steigen, das Dampfventil 4 gedrosselt und
damit die Drehzahl, soweit notwendig, abgesenkt wird. Die Einwirkung des Druckreglers
3 auf das Ventil 4 kann dabei entweder durch unmittelbare Einwirkung oder durch
Sollwertverstellung des Drehzahlreglers erreicht werden. Die Regelung erfolgt dann
z. B. längs der Linie p1 in Bild 1. Wenn bei stärker abnehmendem Verbrauch der Betriebspunkt
an die Ausblasegrenzkurve a gelangt, so beginnt der Ausblaseregler 5 z. B. in Punkt
A2 das Ausblaseventil 6 zu öffnen. Der Regler 5 wirkt dabei als Grenzstromregler
auf Grund der Messung des Gesaintförderstroms.
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Im Betriebsbereich links der Kurve a, in dem das Ausblaseventil arbeitet,
ist bei konstantem Enddruck auch die Drehzahl konstant. Ist der Enddruck p im Betrieb
-in wesentlichen immer der gleiche, so genügt die Einstellung des Ausblasereglers
auf ein bestimmtes Grenzvolumen Q, Soll dagegen der Enddruck p im Betrieb in weiteren
Grenzen, z. B. zwischen p1 uiid p2, geändert werden, so muß der Sollwert des Grenzstroinreglers
5 druckabhängig verstellt werden, entsprechend der Kurve a, so daß bei niedrigerem
Enddruck der Ansprechbeginn des Grenzstromreglers auf kleineren Förderstrom verschoben
wird. Diese druckabhängige Sollwertverstellung ist in Bild 3 durch die von einem
weiteren enddruckabhängigen 1-Ießwerk 7 zur Impulslinie zwischen dem Regler 5 und
dein Ventil 6 geführte Einflußlinie symbolisiert. Das Pluszeichen bedeutet, daß
mit steigendem Enddruck der Sollwert des Reglers 5 erhöht, mit abnehmendem Enddruck
herabgesetzt wird. Diese Sollwertverstellung des Grenzstromreglers 5 durch den Enddruck
kann mechanisch, hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch ausgeführt werden. Man
kann sie innerhalb gewisser Grenzen auch einfach dadurch erreichen, daß man die
Förderstrommessung 7 für den Regler 5 nicht auf der Saugseite, sondern auf der Druckseite
des Verdichters, aber vor dem Abzweig
des Ausblaseventils 6 anschließt.
Die Kurve a für den Ansprechbeginn des Reglers 5 ist dann im p-Q-Scliaubild angenähert
eine quadratische Parabel durch den Nullpunkt; sie folgt der Pumpgrenzktirve b zwar
nicht äquidistant, jedoch in genügend weitem Betriebsbereich mit genügender Annäherung.
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Es ist auch bekannt, das Ausblaseventil durch eine Kombination von
Enddruck- und Drehzahlimpulsen zu regeln, z. B. primär abhängig vom Enddruck, und
zwar so, daß der Sollwert des Grenzdrucks, bei dem das Ventil 6 zu öffnen beginnt,
abhängig von der Drehzahl des Verdichters verstellt wird, wobei höheren Drehzahlen
höhere Grenzdrücke entsprechen.
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Haben Turboverdichter für veränderliche Drehzahl zusätzlich noch verstellbare
Leitschaufeln, so war es bisher üblich, diese Verstellung der Schaufeln nur von
Hand je nach dem jeweiligen Förderstrom und Enddruck vorzunehmen, z. B. auf Grund
einer Betriebsvorschrift in Tabellen- oder Kurvenform. Dies ist möglich und zulässig,
wenn der Arbeitsbereich sich in der Regel nur in relativ engen Grenzen ändert. in
weiteren Grenzen jedoch nur entweder in voraussehbaren Zeitperioden, z. B. nachts,
sonntags, bei Schichtwechsel oder aber bei anders voraussehbarer Zuschaltung oder
Abschaltung eines oder mehrerer Großverbraucher. z. B. von Hochöfen, chemischen
oder physikalischen Apparaturen usw. Es ist bei Handverstellung der Verdichterschaufeln
notwendig, mindestens aber zweckmäßig, entsprechend der Verlagerung der Pumpgrenzkurve
b nach b' bzw. b" auch die Ansprechgrenzen ä bzw.
a " für die Ausblaseregelung mit in Richtung kleineren Grenzförderstroms
zu verschieben, damit bei unvorhergesehener Unterschreitung der jeweiligen Drehzahlpumpgrenze
b' bzw. b" (las Ausblaseventil jeweils rechtzeitig öffnet.
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Diese Sollwertverstellung des Ausblasereglers 5, abhängig von der
Schaufelstellung, ist in Bild 3 angedeutet durch eine weitere Impulslinie, die von
der Schaufelverstellvorrichtung 8 auf die Impulslinie des Grenzstromreglers 5 zum
Ausblaseventil 6 geführt ist.
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Es erscheint nun naheliegend, eine automatische Steuerung der verstellbaren
Verdichterschaufeln, abhängig vom Nutzförderstrom, so auszuführen, daß bei konstantem
Enddruck jedem Förderstrom eine bestimmte Schaufelstellung x zugeordnet wird, bei
der sicher noch ein Pumpen vermieden wird.
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Hierbei ist aber zu beachten, daß die Schaufelputnpgrenzen c für jeweils
konstante Drehzahl nach Bild 2 und 4 nach links abfallen, d. h. daß abnehmendem
Förderstrom ein niedrigerer Grenzdruck entspricht.
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Wenn man sich nun bemüht, die Schaufeln immer möglichst weit zu öffnen,
d. h. ihre Schließbewegung jeweils erst kurz vor Erreichen der Pumpgrenzen einzuleiten,
so ergeben sich für jeweils konstante Drehzahl, aber variable Schaufelöffnungen,
die Schaufelöffnungsgrenzen dl, d2, d3, die möglichst dicht unter den Scliaufelpumpgrenzen
cl, c_" c3 liegen sollten, also gleichfalls nach links abfallen. Analog zu Bild
2 ergeben sich dann auch Steuerkurven a."., a', ä' bis a,";" für jeweils
konstante Schaufelöffnung und variable Drehzahl, die möglichst nahe an den Drehzahl-Pumpgrenzkurven
b.""> b', b" bis b,";" liegen. Die -Neigung der Kurven d bedingt aber z.
B. für konstanten 1?nddruck eine Erhöhung der Drehzahl bei abnehmendem Förderstrom
im Bereich gedrosselter Leitschaufeln.
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In Bild 4 zeigt die Kurve ei den Verlauf der Drehzahl n, wenn bei
konstantem Enddruck p1 die Leitschaufeln z. B. abhängig vom Förderstrom jeweils
erst dicht vor der Pumpgrenze verstellt, also so gesteuert werden, daß jedem Förderstrom
die Schaufelstellung a', x' . . . entsprechend dem Schnitt der Linie p =
const. mit den Steuerkurven a', a" bis a,";" zugeordnet ist.
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Tatsächlich ist eine solche förderstroniabhängige Schaufelsteuerung
früher auch versucht worden. Der Erfindung liegt unter anderem die Erkenntnis zugrunde.
daß eine solche Steuerung nicht befriedigend arbeiten kann, da sie im Prinzip labil
ist. Wenn nämlich nach Bild 4 z. B. beim Enddruck p1 der Verbrauch im Netz dem Punkt
P bei der Schaufelöffnung ä entspricht, so würde eine kleine Abnahme des Förderstroms
automatisch eine Schließbewegung der Laufschaufeln und damit eine Verschiebung der
Kennlinie z. B. von x in Richtung ä' auslösen. Da aber - und das ist wesentlich
- infolge der Speicherfähigkeit des Drucknetzes der Druck p1 momentan konstant ist,
so würde durch diese Schließbewegung der Schaufeln momentan eitre weitere Abnahme
des Förderstroms bewirkt und dadurch ein weiterer Impuls auf Schließen der Schaufeln
ausgeübt werden, bis die Schaufeln womöglich ganz geschlossen sind. Umgekehrt würde
bei einer kleinen Vergrößerung des Verbrauchs im Punkt P durch die förderstromabhängige
Steuerung ein labiler Impuls bis zur vollen Öffnung der Schaufeln gegeben werden.
Man kann nun zwar z. B. durch Steuerung mit unterbrochenen Impulsen oder durch besonders
lange Schließzeit der Laufschaufeln im Verhältnis zur Zeitkonstanten des Netzes
den Steuervorgang stabilisieren; darin kommt aber bei raschen und größeren Änderungen
des Verbrauchs im Netz die Schaufelverstellung unter Umständen zu spät, so daß zeitweise
immer das Ausblaseventil mit öffnen müßte, und zwar abhängig von Förderstrom, Enddruck
und Schaufelstellung. Dies ist schwierig und kompliziert. Andererseits ist eine
automatische Schaufelverstellung aber gerade darin besonders erwünscht, wenn der
Verbrauch sich betrieblich rasch und in Größe und Richtung unvorhersehbar in weiten
Grenzen ändert, so daß eine rechtzeitige Handverstellung nicht befriedigend möglich
oder sogar unwirtschaftlich wäre. In erhöhtem Maße gilt dies, wenn nicht nur der
Förderstrom, sondern auch der Sollwert des Enddrucks sich betrieblich rasch in weiteren
Grenzen ändert, wie z. B. bei Stahlwerksgebläsen, besonders bei Betrieb von mehreren
Konvertern, deren Blasperioden unabhängig voneinander wechseln und sich teils überschneiden,
teils ablösen.
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Das Problem, bei rasch wechselnden Betriebsverhältnissen durch kombinierte
automatische Verstellung von Drehzahl und Schaufelwinkel den Druck und die Fördermenge
in weitesten Grenzen dem Bedarf raschestens anzupassen und dabei gleichzeitig Pumpstöße
mit Sicherheit zu vermeiden, soll durch die vorliegende Erfindung befriedigend gelöst
werden, wobei festgestellt sei, daß die Stellglieder zur Drehzahlverstellung, Schaufelverstellung
und Ausblaseregelung je für sich bekannt sind. Das Grundprinzip der Erfindung besteht
darin, daß der gesamte Regelbereich durch Kopplung der Stellglieder in drei nacheinander
zur Wirkung kommende Regelbereiche unterteilt ist, nämlich in I. einen ersten Bereich,
der allein durch Änderung der Drehzahl bzw. der Energiezufuhr zur Antriebsmaschine
bestimmt ist.
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In diesem Bereich wird z. B. bei Turbinenbetrieb als Stellglied zur
Anpassung des Druckes an den Förderstrom nur das Dampfeinlaßventil4 betätigt. Erfindungsgemäß
wird nun dieser Arbeitsbereich reiner Drehzahlregelung nicht bis zur
Drehzahlpumpgrenze
bmax bzw. a"ux für volle Schaufelöffnung geführt, sondern bis zu einer Grenzkurve
f rechts von a"x, deren Bestimmung im folgenden erläutert wird; 11. einen
zweiten Bereich, in welchem jedem Enddruck des Verdichters eine bestimmte, angenähert
konstante Drehzahl zugeordnet ist und in welchem die Strömung des zu verdichtenden
Mittels durch Verstellen der Leit- oder Laufschaufeln beeinflußt wird.
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In diesem Bereich arbeitet der Verdichter erfindungsgemäß mit einer
jedem Enddruck angenähert konstant zugeordneten Drehzahl, während als Stellglied
zur Anpassung des Druckes an den jeweiligen Förderstromverbrauch nur die Schaufelverstellung
druckabhängig geregelt wird; 111. einen dritten Bereich, in welchem ein Pumpen
des Verdichters durch Ausblaseregelung bei konstanter (kleinster) Schaufelöffnung
vermieden wird, während die Drehzahl den im zweiten Bereich festgelegten Wert behält.
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In diesem Bereich ist die Schaufelstellung konstant = am;", während
die Drehzahl dem Enddruck konstant zugeordnet ist und die Anpassung des Verdichters
an den Förderstrombedarf durch druckabhängige Betätigung des Ausblaseventils 6 erfolgt.
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Die Grenzkurve f für den Übergang zwischen der Regelung durch reine
Drehzahlverstellung (Bi) und der Regelung durch Schaufelverstellung (BII) wird dabei
z. B. im Punkt D durch denjenigen Druck auf der einer bestimmten Drehzahl nj, n2
oder lt, zu-
geordneten p-Q-Kennlinie für volle Schaufelöffnung bestimmt,
bei welchem die Schaufelöffnungsgrenzen dl, d2, d3 für die betreffende Drehzahl
die Ausblasegrenze a,";" für kleinste Schaufelöffnung schneiden, z_. B. im Punkt
A (Bild 5).
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Durch dieses Prinzip der unterteilten Arbeitsbereiche zwischen Drehzahlregelung,
Schaufelregelung und Ausblaseregelung mit jeweils nur eiaem Stellglied wird ein
genaues und rasches Arbeiten der Regelung ohne gegenseitige Störung der einzelnen
Stellglieder erreicht.
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Für die praktische Durchführung dieses Prinzips zeigen die Bilder
6 bis 9 Beispiele.
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Bild 6 stellt die Regelung eines Turboverdichters 2 mit Dampfturbinenantrieb
1 für die Konverteranlage eines Stahlwerks dar. Die Aufgabe der Regelung ist dabei,
den Enddruck pE in einer Windleitung für z. B. drei Konverter auf einen Solldruck
pE,s einzuregeln, der von der Konverterbühne aus bestimmt wird. Dabei soll jeweils
der höchste der drei einstellbaren Solldrücke maßgebend sein. Dies kann z. B. dadurch
erreicht werden, daß an eine Hilfsdruckleitung mit konstantem Luftdruck pHI über
drei Blenden B1 bis B3 drei Handventile Hl, Hz, H3 angeschlossen sind, durch deren
Betätigung auf der Konverterbühne der jeweils an den drei Konvertern gewünschte
Solldruck eingestellt und an den Manometern
31 abgelesen wird. Durch die
drei Rückschlagklappen R1, R2. R3 wird erreicht, daß in der Leitung pE,s nur der
höchste der drei eingestellten Solldrücke herrscht. Dieser Solldruck wird z. B.
auf die eine Membranseite des Hauptdruckreglers 3 geführt, auf deren Gegenseite
der wirkliche. Enddruck pE steht. Dieser Regler 3 betätigt ein Ölventil, das einen
Steueröldruck pd in bekannter Weise so regelt, daß er nach Bild 7 zunimmt, wenn
die Regelabweichung pE,s--pE abnimmt oder allgemein, wenn der Enddruck zunimmt.
Der Steuerdruck pd wirkt gemäß Bild 6 und 7, in welchem der Druckregler 3 zunächst
als Proportionalregler angenommen ist, gestaffelt auf folgende Teile der Steuerung
--- entsprechend den vorher erläuterten Arbeitsbereichen BI bis BIIi: I. auf einen
Umkehrdruckwandler 13 durch ein mit Hilfe eines federbelasteten Kolbens betätigtes
Steuerventil 13a, das mit steigendem Steuerdruck pd (z. B. für
0 < pd
< 1,5 atü) den Zusatzöldruck pz absenkt (z. B. von 5 auf 0 atü) (Arbeitsbereich
BI) ,-Il. auf den federbelasteten Kolben 8a zur Schaufelverstellung 8 am Verdichter.
Bei weiter steigendem Steueröldruck pd
(z. B. 1,5 < pd
< 3 atü)
bewegt der Kolben 8a (unter Zwischenschaltung eines nicht gezeichneten Kraftverstärkers)
die Schaufeln in Schließstellung bis zur kleinsten Öffnung a,";" (Arbeitsbereich
Blj) ; III. auf das Ausblaseventil 6, dessen Hub h6 bei weiter steigendem Steuerdruck
pd
(z. B.
3,0<pd<4,5 atü) von der Schließstellung aus zunimmt (Arbeitsbereich
BIII).
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Die Frischdampfzufuhr zur Turbine wird durch die federhydraulische
Betätigung der Frischdampfventile 4 vom Drehzahlregler 10 aus geregelt, der in bekannter
Weise bei steigender Drehzahl durch Öffnen des Ölabflusses hinter einer Blende den
Steueröldruck pF absenkt. Der Sollwert der Drehzahl wird in an sich bekannter Weise
durch eine Verstellbüchse 11 verstellt, wobei jeder Stellung der Büchse 11 eine
annähernd konstante Drehzahl entspricht. Diese Büchse 11 ist erfindungsgemäß mit
einem Stufenkolben versehen, der zwei Wirkflächen hat, auf welche getrennt zwei
Öldrücke entgegen der Kraft der Gegenfeder einwirken, nämlich der Öldruck p",s,g
zur Grundeinstellung des Sollwertes der Drehzahl n und ferner der Zusatzöldruck
pz.
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Der Druck p""" wird mit Hilfe eines Zuordnungsdruckwandlers 12 so
eingestellt, daß jedem Sollwert pE,s eine bestimmte Grund-Solldrehzahl ns,g zugeordnet
ist, solange der Zusatzöldruck p.=0 ist. Diese Zuordnung geschieht mit Hilfe des
Steuerwandlers 12 und der Feder unter der Büchse 11, unter Berücksichtigung der
Hubcharakteristik des Drehzahlreglers 10, und zwar so, daß z. B. nach Bild 5 einem
Druck pE,s = p1 gerade etwa diejenige Grund-Solldrehzahl n1 zugeordnet ist, bei
welcher bei kleinster Schaufelöffnung am;" der Druck p1 gerade noch mit Sicherheit
pumpfrei erreicht wird. Dies ist in Bild 5 z. B. der Fall im Punkt A, welcher Glicht
neben dem Schnitt der Drehzahlpumpgrenze
b.;, bzw. im Schnitt aiit der
| Kurve ami" für kleinste Schaufelöffnung amit der |
Linie pl=const. liegt.
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Der auf die zweite Wirkfläche der Büchse 11 wirkende Zusatzöldruck
p, wird, wie unter I beschrieben, im Umkehrdruckwandler 13 z. B. von 5 auf etwa
0 atü abgesenkt, wenn gleichzeitig der Steuerdruck pd z. B. von 0 auf 1,5 atü zunimmt.
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Die weitere Wirkungsweise ist folgende: Bei Vollbetrieb aller drei
Konverter arbeitet der Verdichter in Punkt C (Bild 5) mit voller Leitschaufelöffnung
a
| und höchster Drehzahl nmax n1, die durch untere |
| Hubbegrenzung der Büchse 11 eingestellt werd |
kann. Dabei ist pd - 0, pz
- pmax (Bereich BI).
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Wird ein Konverter abgestellt oder gedrosselt, jedoch bei gleichbleibendem
Solldruck pE,v so wird finit zunächst leicht ansteigendem Istdruck pE der Öldruck
pd durch den Druckregler 3 vom Wert 0 aus gesteigert (Bild 6 und 7). Dabei senkt
der Umkehrdruckwandler 13 den Druck pz ab, und die Büchse 11
verschiebt
sich im Sinne abnehmender Drehzahl, bis bei pZ=0 die Grund-Solldrehzahl (z. B. ns.g=nl)
erreicht ist (s. Punkt D, Bild 5). Diese Grund-Solldrehzahl ist dabei eingestellt
durch den auf die zweite Wirkfläche der Büchse 11 wirkenden Druck prs,s,g, der seinerseits,
wie erläutert, über den Zuordnungsdruckwandler 12 vom eingestellten Solldruck pE,
abhängt. Wird z. B. durch Drosseln oder Abstellen des zweiten Konverters der Luftverbrauch
bei gleichbleibendem Solldruck pE,s weiter vermindert, so schließt der Kraftkolben
8a, dessen Feder entsprechend vorgespannt ist, unter dem Einfluß des mit steigendem
Enddruck pE ansteigenden Steuerdrucks pd> 1,5 atü die Leitschaufeln 8 vom Höchstwert
a,""" aus so weit, als zur Aufrechterhaltung des Enddruckes pE notwendig
ist (Arbeitsbereich BII).
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Die Schaufeln werden im Grenzfall nicht vollständig, sondern nur bis
zu einem Kleinstwert x ",i" verstellt, der z. B. durch Hubbegrenzung am Kolben 8a
festgelegt werden kann. Dieser Wert wird z. B. in Punkt A"' (Bild 5) erreicht. Steigt
bei weiterer Verminderung des Luftverbrauchs der Enddruck pE-und damit der Steueröldruck
pd - noch weiter an (z. B. p,>3,0 atü, Arbeitsbereich BIII), so öffnet das
Ausblaseventil 6 entsprechend der Vorspannung und Kennlinie seiner Kraftkolbenfeder.
Sein Hub h6 erreicht den Höchstwert bei z. B. pdm"x N 4,5 atü. Ist
das Ventil 6 so bemessen, daß es bei vollem Hub beim Druck p, mindestens den Strom
entsprechend Punkt A durchläßt, so kann die Anlage bei vollem Druck pE automatisch
pumpfrei bis zum Luftverbrauch 0 herunter betrieben werden.
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Auch bei Verstellung des (bisher als konstant angenommenen) Sollwerts
pE,s wirkt die Regelung sinngemäß richtig.
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Wird dieser Wert z. B. von der Konverterbühne aus plötzlich erniedrigt,
so ist der Istdruck pE zunächst zu groß; der Regler 3 erhöht dann den Druck pd,
und die Drehzahl wird abgesenkt auf den dem neuen Wert pE"2 zugeordneten Wert n2.
Vorübergehend können dabei auch die Schaufeln 8 schließen und das Ausblaseventil
6 öffnen, was zur raschen Verminderung von pE sinngemäß richtig ist. Ist der neue
Solldruck pE,s2 im Netz erreicht, so schließt das Ventil 6 und öffnen die Schaufeln
8, und gegebenenfalls wird auch die Drehzahl wieder etwas erhöht, wenn der neue
Betriebspunkt im Arbeitsbereich BI liegt. Umgekehrt wird bei rascher Erhöhung des
Solldrucks pE, die Drehzahl vorübergehend stark erhöht, gegebenenfalls bis zum Grenzwert
n,""x, und gleichzeitig werden die Schaufeln voll geöffnet. Hierdurch wird das Netz
sehr rasch auf den erhöhten Solldruck aufgefüllt und die Stellzeit entsprechend
niedrig gehalten.
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Es hat sich gezeigt, daß mit dieser Regelung, deren Einzelausführung
z. B. durch Ersatz von hydraulischen Steuermitteln durch pneumatische oder elektrische
beliebig variiert werden kann, die Anforderungen an einen pumpfreien Betrieb bei
raschesten Änderungen von Luftverbrauch und Solldruck in vollkommener Weise erfüllt
werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann auch erreicht werden,
daß im Bereich B,1, in welchem nach der bisherigen Darstellung im wesentlichen nur
die Leitschaufeln als Stellglied der Regelung benutzt werden, die Drehzahl nicht
mehr genau konstant auf dem Wert der Grundsolldrehzahl ns,g gehalten wird. In geringem
Umfang steigt die Drehzahl ohnehin auch bei festgehaltener Drehzahlverstellbüchse
11 bei abnehmendem Luftverbrauch dadurch, daß mit diesem auch ein kleinerer Leistungsbedarf
verbunden ist. Da der Drehzahlregler üblicherweise als Proportionalregler ausgeführt
wird, steigt die Drehzahl bei abnehmender Belastung entsprechend dem Ungleichförmigkeitsgrad
des Drehzahlreglers 10.
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Dies ist an sich anzustreben in Anbetracht der obenerwähnten Tatsache,
daß nach Bild 2, 4 und 5 die Schaufelpumpgrenzen cl, c2 und c3 für jeweils konstante
Drehzahlen n1, 112 und n3 nach links abfallen. Es ist daher wünschenswert, im Bereich
BI, der Schaufelverstellung die Drehzahl mit abnehmender Fördermenge ein wenig zu
erhöhen.
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Zusätzlich kann man in diesem Bereich noch einen weiteren Korrekturimpuls
auf die Drehzahl geben in dem Sinne, daß z. B. von einem bestimmten Winkel x' an
- entsprechend einem zugehörigen Steuerdruck pd' - bei weiterer Schließbewegung
der Schaufeln die Drehzahl wieder erhöht wird. Dies kann z. B. dadurch erreicht
werden, daß man nach Bild 6a mit dem Steuerwandler 13 außer dem normalen Abflußventil
13a, dessen Steuerkante mit zunehmendem Steuerdruck pd öffnet, ein zweites Abflußventil
13b
verbindet, das dem Ventil 13 a vor- oder nachgeschaltet ist und dessen
Steuerkante oberhalb des einstellbaren Druckes pd' entsprechend einem Schaufelwinkel
z " den Ölabfluß aus dem Zusatzdrucksystem p, wieder schließt und damit diesen Druck
und die Drehzahl wieder erhöht. Durch die einstellbare obere Hubbegrenzung 13c des
Wandlers 13 kann erreicht werden, daß diese Drehzahlerhöhung nur in einem Teilgebiet
des Arbeitsbereichs BI, stattfindet und beim Übergang in den Bereich BIII wieder
aufhört. Durch diese zusätzliche Drehzahlerhöhung im Bereich kleiner Schaufelöffnungen
kann eine weitere Verschiebung des Arbeitsbereichs BIII der Schaufelregelung nach
links (Bild 5) erreicht - und damit die Wirtschaftlichkeit erhöht werden. Es kann
dann auch z. B. der Drehzahl n1 ein höherer Solldruck p1 zugeordnet werden, wodurch
der Wirkungsgrad im Bereich großer und mittlerer Schaufelöffnungen gleichfalls verbessert
werden kann. Diese zusätzliche Beeinflussung der Drehzahl im Bereich kleiner Schaufelöffnungen
kann auch auf andere Weise, z. B. durch ein besonderes Steuerventil mit federbelastetem
(lkolben, erreicht werden, das, abhängig vom Steueröldruck pd, auf den Zusatzöldruck
pz oder auf den Öldruck p""-, in dem vorher erläuterten Bereich im Sinne einer Drehzahlerhöhung
einwirkt.
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Ferner kann der Sollwert des Enddruckes pE,s auch eine andere Größenordnung
haben als der Istdruck pp.
Dann müssen die Wirkflächen am Regler 3 oder, z.
B. bei Verwendung von Strahlrohrreglern, die Hebelarme für Soll- und Istwert entsprechend
angeglichen werden. Die den Sollwert pE.s vermittelnde Größe kann z. B. auch ein
Öldruck oder eine elektrische Größe sein.
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Man kann auch den Sollwert pp-, benutzen als Ausgangsgröße
für einen weiteren Regler, z. B. für die obenerwähnte Regelung auf konstanten -Nutzförderstrom.
Ein Beispiel für eine solche Regelung ist in Bild 61) als Variante zu Bild
6 dargestellt. Hier wird der Solldruck pE,s über eine Blende mit an das Hauptölsystem
angeschlossen und entweder bei geschlossenem Ventil 16b mit Hilfe des Handventils
16a jeweils von Hand eingestellt (was der vorher beschriebenen Betriebsweise entsprechen
würde) oder aber bei offenem Ventil 16 b als Ausgangsgröße eines Förderstromreglers
15 geregelt. Dieser ist in Bild 61) beispielsweise als Differenzdruckregler
dargestellt, der an eine Meßdüse 14 in der Nutzluftleitung angeschlossen ist und
vom Differenzdruck .' pp beeinflußt wird, der
seinerseits sich quadratisch
mit dem -Nutzstrom Q" und umgekehrt proportional zu l'- E ändert. Der Einfluß
des Enddrucks pE kann dabei nötigenfalls durch entsprechend steife Gegenfedern im
Regler 15 oder durch andere bekannte :Mittel kompensiert werden, so daß die Regelung
im p-Q-Schaubild nach Bild 8 angenähert längs der Vertikalen q1 entsprechend dem
eingestellten Sollwert Q1 erfolgt. Dieser Sollwert kann durch Federverstellung am
Regler 15 eingestellt werden. Nimmt der Förderstrom Q und damit d pQ ab,
so schließt der Regler 15 das mit ihm gekuppelte Ölventil und erhöht damit den Sollöldruck
pE,s , der seinerseits in der vorher beschriebenen Weise die Solldrehzahl erhöht.
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Aus Bild 8 ist die Arbeitsweise z. B. eines Hochofengebläses bei Regelung
auf konstanten Förderstrom längs der Linie q, zu entnehmen. Die Betriebsbereiche
BI, BI, und BIII entsprechen, wie durch Schraffur gekennzeichnet, ebenso wie in
Bild 4 der gegebenen Beschreibung.
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Ein Betriebspunkt P3 möge zunächst im Arbeitsgebiet BI auf der p-Q-Kennlinie
für voll geöffnete Schaufeln und Drehzahl ia, liegen. Dieser Betriebspunkt entspricht
sehr leichtem Ofengang, d. h. großen Öffnungsquerschnitten des Hochofens und seiner
Füllung. Wenn der Ofengang schwerer wird, d. h. wenn diese Ouerschnitte sich verengen,
so müßte der Enddruck 7E bei gleicher Fördermenge Q z. B. bis zum Punkt P2
erhöht werden. Dabei nimmt zunächst der Differenzdruck dpo etwas ab; dadurch erhöht
der Regler 15 den Sollöldruck pE" , und gleichzeitig erhöht auch der Zuordnungssteuerwandler
12, abhängig vom Solldruck p""', den Druck p"",g zur Einstellung der Grundsolldrehzahl
%,s z. B. auf A,,1,1,2. Der steigende Solldruck pE" vermindert aber auch
gleichzeitig über den Hauptdruckregler 3 den Steueröldruck pd. Dadurch wird gemäß
Bild 6 und 7 zunächst über den Umkehrdruckwandler 13 der Zusatzöldruck p, erhöht
und hierdurch der Drehzahlregler 10 über seine Büchse 11 zusätzlich im Sinne steigender
Drehzahl beeinflußt; gleichzeitig werden aber auch die Schaufeln 8 durch den Kolben
8a vorübergehend weiter geöffnet bzw. ganz offen gehalten.
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Diese Bewegungen sind sinngemäß zunächst richtig, da sie die gewünschte
Erhöhung der Drehzahl und des Istdrucks pE beschleunigen, wobei das Drucknetz rasch
aufgefüllt wird. Wenn nun die Drehzahl auf den notwendigen Wert n2 gestiegen ist,
so würde bei voller Schaufelöffnung a der Schnittpunkt der p-Q-Kennlinie n2 mit
der Regellinie Q, zu hoch, d. h. über dem Punkt P 2 liegen. Dies wird jetzt vom
Hauptregler 3 verhindert, der bei genügend angestiegenem Druck pE den Steuerdruck
pd wieder erhöht. Dadurch wird zunächst der Zusatzdruck p, mit Hilfe des Umkehrdruckwandlers
13 wieder abgesenkt (gegebenenfalls bis auf 0), so daß der Sollwert der Drehzahl
nur noch vom Zuordnungssteuerwandler 12 und dem Druck p""" bestimmt wird. Weiter
werden aber bei steigendem Steuerdruck pd die Leitschaufeln 8 vom Kraftkolben 8
a teilweise geschlossen, bis bei der Drehzahl sag der richtige Druck p2 erreicht
ist, der zur Aufrechterhaltung des Förderstroms Q notwendig ist. Bei weiterer Erschwerung
des Ofengangs kann sich der Betriebspunkt z. B. bis zum Punkt P1 und höher verschieben.
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Bild 8 zeigt, daß, je schwerer der Ofengang ist und je höher dementsprechend
der Druck pE sein muß, um so höher auch die Drehzahl. um so enger aber auch im Bereich
BI, der Schaufelwinkel a sein muß. Werden die Ofenquerschnitte wieder größer, so
verläuft der Vorgang sinngemäß in umgekehrter Richtung. Bei sehr raschen Regelvorgängen,
z. B. bei raschem Absinken des Gegendrucks bei gleichem Förderstrom, können vorübergehend
die Schaufeln 8 bis zum Anschlag geschlossen, und das Ausblaseventil 6 kann geöffnet
werden, was im Sinne möglichst kleiner Stellzeiten gleichfalls richtig ist.
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Das Beispiel nach Bild 6 1) zeigt ganz allgemein die Möglichkeit,
durch Überordnung eines weiteren Reglers 15 über den Hauptdruckregler 3 eine andere
Größe als Hauptregelgröße einzusetzen. Bild 9 zeigt eine andere Möglichkeit der
sinngemäßen Anwendung der Grundsätze dieser Erfindung, wobei die Aufgabe die gleiche
sein soll wie nach Bild 61i. Abweichend von diesen ist jedoch in Bild 9 der Förderstromregler
15 dem Druckregler 3 nicht übergeordnet, sondern über die Handventile 16a
und 16b steuerölseitig wahlweise parallel geschaltet. Bei Regelung auf konstanten
Enddruck pE regelt bei geöffnetem Handventil 16 d der Hauptdruckregler 3, dessen
Sollwert in diesem Fall durch Vorspannung einer Gegenfeder mittels Handrad 3 a eingestellt
- wird. Die Drehzahlverstellbüchse 11 des Drehzahlreglers 10 hat in diesem Fall
einen Verstellkolben mit nur einer Wirkfläche, auf die der Druck p"" zur Einstellung
der Solldrehzahl geführt wird. Dieser Öldruck p",, wird vom Ölventil des Hauptdruckreglers
3 in bekannter Weise gesteuert, so <iaß bei zu hohem Enddruck pE der Druck p",5,
und dadurch auch die Drehzahl n, abgesenkt wird. Der Druckregler 3 kann auch direkt
auf das pE der Frischdampfventile 4 in gleichem Sinne einwirken, wobei der Drehzahlregler
10 als oberer Grenzregler eingestellt ist. Die grundsätzliche Aufgabe, im Arbeitsbereich
BII nach Bild 5 oder 8 die Drehzahl angenähert konstant dem Enddruck pE des Verdichters
zuzuordnen, übernimmt bei der Anordnung nach Bild 9 der Zuordnungsdruckregler 19
zusammen mit dem Drehzahlmeßwerk 17. Dies kann z. B. eine Zentrifugalpumpe oder
ein in einem Ölring laufender Kamm oder eine Ölkapsel auf der Verdichterwelle sein,
von denen ein Oldruck p", Ist erzeugt wird, der sich angenähert quadratisch
mit der Drehzahl ändert. Dieser Öldruck wird z. B. auf die untere Seite eines Ölkolbens
im Zuordner 19 geführt, auf dessen Oberseite über eine Membran mit entsprechend
reduzierter Wirkfläche der Verdichterenddruck pE geführt ist. Der Zuordner 19 betätigt
ein Ölventil im Abfluß aus dem Steuerölsystem pd. Der Steuerdruck pd wird z. B.
erhöht, wenn die Drehzahl n und damit der Öldruck p", Ist zu klein sind gegenüber
p". Der Druck pd bewirkt in gleicher Weise wie nach Bild 6 ansteigend zunächst eine
Schließbewegung der Leitschaufeln 8 über den federbelasteten Kraftkolben 8 a (z.
B. 0,5 < pd < 2,5 atü) (Arbeitsbereich BII) ; bei weiterem Anstieg
(z. B. 2,5 < pd < 4,5 atü) öffnet das Ausblaseventil 6 (Bereich
BIII). Der Zuordner 19 und der Druck pd arbeiten hier also nur in den beiden Arbeitsbereichen
BI, und BIII, wobei ihr Arbeitsbeginn längs der Kurve f in Bild 5 und 8 dadurch
bestimmt ist, daß der Öldruck p, "t unter dem Ölkolben des Zuordners
19 gerade im Gleichgewicht ist mit dem Enddruck pE über dem Kolben bzw. über der
oberen Membran.
-
Durch geeignete Abstufung der beiden Wirkflächen im Zuordner 19 für
p","t und pE und nötigenfalls durch geeignete Abänderung des Wertes pE, z. B. mit
Hilfe einer Blende und eines Abflußveiitils in der Impulsleitung zur Enddruckmembran,
kann man die Zuordnung des Drucks pE zu p",Ist und zu der Drehzahl ta für
den Ansprechbeginn des Zuordners 19 so einstellen,
daß längs der
Kurve f angenähert dieselben Wertpaare pE und n einander zugeordnet sind wie längs
der Drehzahlausblasegrenze a,";" für kleinste Schaufelöffnung a,";". Auf diese Weise
kann dieselbe Wirkung der Regelung und Steuerung erreicht werden wie nach Bild 6.
Im Arbeitsbereich BI wird bei Regelung auf konstanten Enddruck pE wiederum nur die
Drehzahl vom Hauptdruckregler 3 über den Kraftkolben 11 und den Drehzahlregler
10 oder durch direkte Einwirkung auf die Frischdampfventile 4 verstellt.
Sobald mit abnehmendem Förderstromverbrauch und etwas ansteigendem Enddruck pE die
Drehzahl so weit abgesenkt ist, daß die Ansprechgrenze des Zuordners 19 gemäß der
eingestellten Kurve f erreicht wird, beginnt der Zuordner 19 als Grenzdruckregler
zunächst die Leitschaufeln 8 zu schließen und - bei weiterer Abnahme des Verbi-
auchs - das Ausblaseventil 6 zu öffnen. Der Zuordner 19 ersetzt dabei den Hauptdruckregler
3 bzw. kommt er diesem zuvor, so daß dieser keinen Anlaß hat, den Druck pE,s bzw.
pE und damit die Drehzahl ra z, 'i verstellen. Diese bleibt vielmehr im Arbeitsbereich
des Zuordners 16 im wesentlichen konstant. Um ein gleichzeitiges oder phasenverschobenes
Arbeiten des Druckreglers 3 und des Zuordners 19 - und etwa damit verbundene Pendelungen
- zu verhindern, ist es zweckmäßig, den Hauptregler 3 als P-Regler oder als P-I-Regler
mit großem vorübergehendem Proportionalitätsbereich auszuführen, den Regler 19 dagegen
als I-Regler oder als P-7-Regler mit kleinerem Proportionalitätsbereich und kleineren
Stehzeiten.
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Wahlweise zum Druckregler 3 kann durch Schlielien des Handventils
16a und Öffnen des Ventils 16h der Förderstromregler 15 die Hauptregelung über-Die
Wirkungsweise ergibt sich dabei ent-@=prechend der Beschreibung zu Bild 61) und
Bild 9. Das Handventil 16c in Bild 9 erlaubt den Betrieb mit reiner Drehzahlregelung
bei einem einstellbaren Sollwert.
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Die beschriebenen Ausführungen geben nur einige Beispiele für die
:Möglichkeiten der Anwendung der Erfindung. Wenn die Verdichter durch Elektromotoren
angetrieben werden, so kann als Stellglied für die Änderung der Drehzahl der Antriebsmaschine
ein veränderlicher Widerstand, z. B. im Läuferkreis eines Asynchronmotors oder im
Erregerkreis eines Gleichstrommotors, benutzt werden. Auch kann, wie bereits erwähnt,
das hier erläuterte hydraulische System ganz oder teilweise durch pneumatische oder
elektrische Systeme ersetzt werden.
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Insbesondere ist die Erfindung nicht auf die Verstellmöglichkeit für
die Leitschaufeln im zweiten Betriebsbereich beschränkt, sondern es ist auch an
die gegebenenfalls zusätzliche Verstellung der Laufschaufeln vor allem bei Axialverdichtern
gedacht.