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Regeleinrichtung für Turbomaschinen Die Regelung von Turbomaschinen
durch Drosselung des durchströmenden Mediums oder eines Teilstroms davon ist seit
langem bekannt, doch bedeutet jeder Drosselvorgang eine Verschlechterung des Gesamtwirkungsgrads.
Man ging daher in vielen Fällen zur Regelung durch Leit- oder Laufschaufelverstellung
über, doch erfordern die zur Feinregelung nötigen Pendelbewegungen ein ständiges
Verstellen der Leit- oder Laufschaufeln. Dadurch besteht die Gefahr, daß die Gleitstellen
im Verstellmechanismus relativ rasch abgenützt werden.
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Es sind auch Einrichtungen bekannt, bei welchen die Leit- oder Laufschaufelregelung
mit einer zusätzlichen Regelung verbunden ist. Hierbei wirken entweder beide Regeleinrichtungen
auf dasselbe Stellglied, oder es ist jede Regeleinrichtung nur für ein bestimmtes
Arbeitsgebiet im p-V-Diagramm vorgesehen, so daß jeweils nur eine Regeleinrichtung
in Tätigkeit ist. Auch bei diesen Ausführungen macht die Schaufelverstellvorrichtung
die kleinen Pendelbewegungen der Feinregelung mit.
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Die vorliegende Erfindung will diese Nachteile vermeiden. Sie betrifft
eine Regeleinrichtung für Turbomaschinen mit Leit- oder Laufschaufelregelung und
einer zusätzlichen Regelung und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Leit- oder Laufschaufelregelung
zur Grobeinstellung dient, während die zusätzliche Regelung die Feineinstellung
der Regelgröße durchführt.
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Der Aufgabenbereich dieser beiden Regelungen ist also verschieden;
die Grobregelung setzt erst ein, wenn die Feinregelung nicht mehr ausreicht. Auch
bei Kopplung der beiden Regelungen macht die Grobregelung die bei Regelvorgängen
auftretenden kleinen Pendelbewegungen nicht mit, solange diese von der Feinregelung
ausgeglichen werden können. Erst wenn das zusätzliche Regelorgan eine Grenzlage
erreicht, greift die Grobregelung ein.
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Gegenüber den bisher bekannten Schaufelregelungen bietet der Erfindungsgegenstand
den Vorteil, daß die durch Pendelbewegungen verursachten vermehrten Abnützungserscheinungen
nicht im Mechanismus der Schaufeherstellvorrichtung auftreten, sondern nur in einem
separat betätigten Regelorgan. Dieses kann von einfacher Konstruktion mit wenigen,
leicht auswechselbaren Teilen se-iii. Es kommen dafür ein- oder austrittseitige
oder in einer Umgehungsleitung angeordnete Drosselorgane in Frage, aber auch die
Vorleitreihe der Turbomaschine. Die gegenüber der reinen Schaufelregelung in Kauf
zu nehmende Wirkungsgradeinbuße fällt im Bereich der Feinregelung nicht ins Gewicht.
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Die Grobregelung tritt nur bei Änderung des Betriebspunkts in Tätigkeit,
so daß die schwer zugängliche Schaufelverstellvorrichtung geschont wird. Reparaturen,
die das Abstellen und teilweise Zerlegen der Maschine erfordern, sind viel seltener,
und es genügt im allgemeinen das Auswechseln abgenützter Teile anläßlich einer Gesamtüberholung,
um einen Stillstand wegen Schaden an der Grobregelung gänzlich zu vermeiden. Schäden
an den zusätzlichen Regielorganen können während des Betriebs oder mit viel kürzerem
Zeitaufwand als an der Schaufelverstellvorrichtung behoben werden.
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In der Zeichnung ist die Erfindung in mehreren Ausführungsbeispielen
schematisch dargestellt. Es wurde dazu eine Regeleinrichtung zur Konstanthaltung
des Fördervolumens von mehrstufigen Axialverdichtern bei gleichbleibender Drehzahl
gewählt. Die Erfindung läßt sich aber bei sämtlichen ein- oder mehrstufigen Turbomaschinen
axialer oder radialer Bauart verwenden, bei denen eine Regelung durch Schaufelverstellung
in Frage kommt. Die Fig. 1 bis 3 zeigen die Anwendung verschiedener zusätzlicher
Regelorgane, während Fig.4 eine Möglichkeit der automatischen Kopplung von Grob-
und Feinregelung zeigt.
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In Fig. 1 wird der Verdichter 1 vom Elektromotor 2 mit konstanter
Drehzahl angetrieben. Die Leitschaufel-Verstellvorrichtung 3 dient zur Grobeinstellung,
die beispielsweise von Hand erfolgen kann. Das Venturirohr 4, das im vorliegenden
Falle druckseitig eingebaut ist, gibt in bekannter Weise über die Leitung 5 einen
Impuls an den Regler 6, der zur Feineinstellung eine Drosselklappe 7 betätigt, die
hier saugseitig angeordnet ist.
Der Regelbereich der Drosselklappe
4 kann nach Beliehen gewählt lverden, doch Wird die obere Grenze
immer bei
der vollen Klappenöffnung liegen. Da das Drosseln mit Strömungsverlusten verbunden
ist, wird man den Regelbereich der Drosselklappe möglichst klein. also die Mittelstellung
möglichst nahe der vollen Klappenöffnung wählen. Anderseits muß der Regelbereich
doch so groß sein, daß alle Pendelbewegungen von der Drosselklappe 7 übernommen
und nur größere Regelabweichungen durch die Leitschaufel-@"erstellvorrichtung 3
ausgeglichen werden.
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Es ändert sich nichts an der Wirkungsweise der Regeleinrichtung, ob
nun das Venturirohr und die Drosselklappe saug- oder druckseitig angeordnet sind.
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Fig. 2 zeigt eine Regeleinrichtung, bei welcher der Regler 6 auf die
Verstellvorrichtung 8 der ersten Leitschaufelreihe des Verdichters 1 einwirkt. Es
ergibt sich auch hier der Vorteil, daß der Großteil der Leitschaufeln nur bei stärkerer
Veränderung der Regelgröße verdreht wird und die Pendelschwingungen der Feinregelung
nur von einer Leitschaufelreihe ausgeführt werden.
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In Fig. 3 wirkt der Regler 6 auf ein Drosselorgan 9 in der Umgehungsleitung
10. Je nach Erfordernis kann die Umgehungsleitung auch so angeordnet werden, daß
sie nur eine einzelne Stufe oder eine Stufengruppe überbrückt. Auch ist es möglich,
in die Umgehungsleitung eine Rekuperationsturbine einzuschalten, die ihre Leistung
an einen Generator oder auch an die Verdichterwelle selbst abgehen kann.
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Sowohl die in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Grobeinstellung mit Handrad
und mechanischer Kraftübertragung als auch die Feineinstellung mittels einer Kombination
voll Venturirohr und hydraulisch ge-@;teuertem Regler sind nur als Beispiele anzusehen.
Es kann auch jede andere bekannte Antriebsart zur Grob- und Feineinstellung verwendet
werden.
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In Fig.4 ist beispielsweise die automatische Koppelung einer elektrisch
angetriebenen Leitschaufel-Verstellvorrichtung mit den zusätzlichen Regelorganen
dargestellt. Der Verdichter 1 wird vom Elektromotor 2 mit konstanter Drehzahl angetrieben.
Änderungen des Druckunterschieds im Venturirohr 4 werden vom Impulsverstärker 11
hydraulisch auf den Stellmotor 14 übertragen. Überschreiten die Öldruckschwankungen
im Leitungssystem 13 die vorbestimmten Grenzen, so wird mit Hilfe der Öldruckschalter
15, 16, 17 und der Relais 21, 22 der Leitschaufel-Verstellniechanismus 3 in Bewegung
gesetzt.
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Die dargestellte Regelung ist derart ausgebildet, daß die Leitschaufeln
immer so lange verstellt werden, bis die Drosselklappe 7 wieder ungefähr in ihrer
Mittellage ist. Diese Einrichtung soll verhindern, daß sich die Drosselklappe längere
Zeit in der Nähe einer ihrer beiden Grenzlagen befindet und ein Teil der zur Feinregelung
nötigen Pendelbewegungen auf die Leitschaufelverstellung übertragen wird. Der Regelbereich
der Drosselklappe, ausgedrückt im Steueröldruck des Leitungssystems 13, erstreckt
sich z. B. von 0 bis 3 atü, mit 1.5 atü als Mittellage. Die Leitschaufel-Verstellung
wird dann derart abgestimmt, daß bei Absinken des Öldrucks auf 0,1 atü, bzw. bei
Ansteigen auf 2.9 atü, der Leitschaufel-Verstellmechanismus in Bewegung gesetzt
und so lange betätigt wird, bis der Druck des Steueröls wieder auf 1,4 angestiegen,
l;zw. auf 1,6 atü abgesunken ist. Es sei dazu bemerkt, daß diese Druckwerte nur
als Beispiel dienen und frei angenommen sind.
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Im folgenden sei der genannte Bereich von 1,4 bis 1,6 atü als innerer,
der Bereich von 0,1 bis 2,9 atü als äußerer Regelbereich der Drosselklappen-Verstellrorrichtung
bezeichnet.
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Die Ölpumpe 27, die aus dem Ölbehälter 28 gespeist wird, setzt das
Leitungssystem 13 unter Druck, der durch das Sicherheitsventil 29 begrenzt wird.
Das gewünschte Fördervolumen des Verdichters kann durch das Regelventil 30 eingestellt
werden. Wenn nun z. B. das Fördervolumen ansteigt, dann nimmt der Druckunterschied
im Venturirohr 4 zu, und der Impulsverstärker 11 beginnt den Drosselschieber 12
zu schließen. Der Öldruck im Leitungssystem 13 steigt an, und der Kolben des Stellmotors
14 beginnt die Drosselklappe 7 zu schließen. Wird der innere Regelbereich überschritten,
d. h. übersteigt der Öldruck 1,6 atü, so wird vom Öldruckschalter 15 der Stromkreis
23 bis auf die Unterbrechung im Relais 21 geschlossen. Übersteigt der Öldruck den
äußeren Regelbereich, d. h. 2,9 atü, so schließt der Druckschalter 16 den aus der
Batterie 18 gespeisten Hilfsstromkreis 25, der wiederum über das Relais 21 den aus
der Batterie 20 gespeisten Stromkreis 23 des Leitschaufel-Verstellmotors 31 vollends
schließt. Nun «-erden die Leitschaufeln im Sinne einer Verminderung des Fördervolumens
verdreht, der Druckunterschied im @'enturirohr 4 nimmt ab, und der Öldruck im Leitungssystem
13 beginnt zu sinken. Sobald er 2,9 atü erreicht, also beim Eintritt in den äußeren
Regelbereich, wird der Hilfsstromkreis 25 durch den Öldruckschalter 16 wieder ausgeschaltet.
Der Stromkreis 23 bleibt aber durch das Relais 21 noch immer geschlossen, und die
Leitschaufeln drehen sich weiter im Sinne einer Verminderung des Fördervolumens.
Gleichzeitig wird mit sinkendem Öldruck die Drosselklappe 7 gegen ihre Mittelstellung
hin geöffnet. Erreicht der Öldruck im Leitungssystem 13 den inneren Regelbereich
bei 1,6 atü, dann wird durch den Öldruckschalter 15 der Stromkreis 23 unterbrochen,
das Relais 21 öffnet sich dadurch, und die Bewegung der Leitschaufeln hört auf.
Die Drosselklappe 7, die sich jetzt im inneren Regelbereich in der Nähe ihrer Mittelstellung
befindet, übernimmt nun wieder allein die Regelung.
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Ein Absinken des Fördervolumens wirkt sich analog aus, wobei nun der
Öldruckschalter 17, der Hilfsstromkreis 26, das Relais 22 und der Stromkreis 24
in Funktion treten.