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Sicherheitsvorrichtung für Axialverdichter Der Erfindungsgegenstand
bezieht sich auf eine Sicherheitsvorrichtung für einen insbesondere mit anderen
Verdichtern in eine gemeinsame Luftsammelleitung fördernden Axialverdichter zur
Verhinderung eines längeren Arbeitens des Verdichters im labilen Arbeitsbereich
mit einer zwischen Druckleitung und Luftsammelleitung angeordneten Rückschlagklappe
sowie einem beim Arbeiten des Verdichters im labilen Arbeitsbereich betätigten Ausblaseventil,
das geöffnet wird, um dadurch ein längeres Arbeiten des Verdichters in diesem Bereich
zu verhindern.
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Ein längerer Betrieb des Axialverdichters im labilen Arbeitsbereich
muß vermieden werden, um Zerstörungen des Verdichters durch Überhitzung und ähnliche
Überlastungen zu verhindern. Beim Betrieb von Axialverdichtern können Pumpschwingungen
auftreten, bei denen ein Wechsel zwischen positiver und negativer Förderung des
Verdichters auftritt. Eine weitere Störung sind die rotierenden Abreißerscheinungen
(brotating stall). Derartige Abreißerscheinungen treten an den Schaufeln von Axialverdichtern
auf und bewegen sich relativ zu den Schaufelgittern. Durch diese rotierenden Abreißströmungen
kann es leicht zu einer Zerstörung des Verdichters kommen, weil neben einer Erhitzung
im Inneren des Verdichters an den Schaufeln stoßweise Belastungen auftreten, die
zu einem Abbrechen der Verdichterschaufel bei längerem Betrieb im Bereich der rotierenden
Abreißströmung führen können. Es ist daher darauf zu achten, daß Pumpschwingungen
und rotierende Abreißströmungen beim Betrieb eines Axialverdichters vermieden werden.
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Zur Vermeidung der Pumpschwingungen sind Pumpverhütungsvorrichtungen
bekannt, durch die der durch den Verdichter strömende Luftstrom immer etwas größer
als der Luftstrom gehalten wird, bei dem die unerwünschten Pumpschwingungen auftreten.
Außerdem wird durch die bekannten Pumpverhütungsvorrichtungen der Luftdruck am Druckstutzen
des Verdichters so geregelt, daß er nicht unter den Luftdruck in der Verbraucherluftleitung
absinkt.
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Bekannt sind weiterhin zur Verhinderung der rotierenden Abreißströmung
Anzeigevorrichtungen, die das Auftreten von Abreißerscheinungen anzeigen und in
diesem Fall den Schnellschluß der den Verdichter antreibenden Dampfturbine auslösen.
Bekannt sind ferner Vorrichtungen, bei denen bei Auftreten von Abreißerscheinungen
die Leit- oder Laufschaufeln im Sinne einer Verringerung des Anstellwinkels verstellt
werden. Dies führt zu einer Beseitigung der Abreißerscheinungen. Bekannt sind weiterhin
Vorrichtungen, durch die beim Auftreten von Abreißerscheinungen, ähnlich wie bei
der Schnellschlußauslösung, die Drehzahl des Verdichters vermindert wird. Mit den
bekannten Pumpverhütungsvorrichtungen lassen sich die bei rotierender Abreißströmung
auftretenden Erscheinungen nicht beheben.
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Die bekannten Vorrichtungen zur Verhinderung eines längeren Arbeitens
des Axialverdichters im Bereich der rotierenden Abreißströmung haben den Nachteil,
daß nach einer Schnellschlußauslösung oder einer anderweitig durchgeführten Drehzahlsenkung
etliche Minuten vergehen, bis die Turbogruppe wieder auf das Luftnetz geschaltet
werden kann. Während dieser Zeit kann daher die gesamte Druckluftversorgung zusammenbrechen.
Die Einrichtungen mit Verstellschaufeln bedingen einen großen Herstellungsaufwand
und haben den Nachteil der großen Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Störungen.
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Es sind weiterhin zur Erfassung des Arbeitens des Verdichters bei
rotierender Abreißströmung Temperaturmeßeinheiten oder Meßanordnungen für den statischen
Druck, der vor, in oder hinter dem Verdichter erfaßt wird, bekannt. Die bekannten
Temperatur- oder Druckmessungen zeigen jedoch ein Arbeiten des Verdichters bei rotierender
Abreißströmung nur ungenau an. Es ist auch bereits bekannt, als Anzeigevorrichtung
Hitzdraht-Meßgeräte zu verwenden, die aber einen erheblichen Bauaufwand erfordern
und außerdem unzuverlässig sind.
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Der Gegenstand vorliegender Erfindung betrifft eine derartige Sicherheitsvorrichtung,
mit der man die rotierende Abreißströmung innerhalb eines Axialverdichters genau
erfassen und damit schädigende Einflüsse dieser Strömung auf den Verdichter selbst
ausschließen kann. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Sicherheitsvorrichtung
anzugeben,
bei der die Nachteile der Zur Erfassung der rotierenden
Abreißströmung bekannten Anordnungen vermieden werden.
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Bei der erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung für einen Axialverdichter
geschieht dies dadurch, daß zur Verhinderung eines längeren Arbeitens des Verdichters
im Bereich der rotierenden Abreißströmung ein Impulsgeber vorgesehen ist, der auf
die bei der rotierenden Abreißströmung im Verdichter auftretenden ungleichmäßigen
Strömungserscheinungen, Druck- oder Temperaturänderungen des Fördermittels anspricht
und beim Eintreten der rotierenden Abreißströmung über eine Steuervorrichtung ein
in der Druckleitung angeordnetes, die gesamte Förderluftmenge ablassendes Ausblaseventil
öffnet und dieses nach Wiedereintritt in den normalen Betriebszustand wieder schließt.
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Der wesentliche Fortschritt der erfindungsgzmäßen. Ausführungsform
liegt darin, daß ein längeres Arbeiten des Verdichters im Abreißgebiet mit den damit
verbundenen unangenehmen Folgen verhindert wird, wozu die bekannten Pumpverhütungsvorrichtungen
nicht in der Lage sind. Außerdem wird bei der erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung
das Ausbiaseventil erst dann geöffnet, wenn die unerwünschten Strömungszustände
eingetreten sind. Bei den bekannten Pumpverhütungsvorrichtungen hingegen wird schon
bei normaler Arbeitsweise des Verdichters Luft abgelassen und somit ein zusätzlicher
Energieverlust in Kauf genommen.
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Gemäß Weiterbildung der Erfindung besteht der Impulsgeber aus einem
an sich bekannten, vorn offenen Staurohr, das feststehend vor einem Laufschaufelkranz
im Bereich der äußeren Laufschaufelenden mit gegen die Umlaufrichtung des Laufrades
gerichteter Öffnung angeordnet ist und den beim Arbeiten des Verdichters im Gebiet
der rotierenden Abreißströmung an dieser Stelle auftretenden, wesentlich erhöhten
Staudruck erfaßt. Durch dieses, als Impulsgeber verwendete Staurohr wird die rotierende
Abreißströmung sicher festgestellt und durch Öffnen des Ausblaseventils der Verdichter
in den normalen Betriebsbereich wieder übergeführt.
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Die Steuervorrichtung nach der Erfindung kann mechanisch, hydraulisch,
pneumatisch, elektrisch oder beliebig kombiniert arbeiten. Außerdem enthält die
Steuervorrichtung erfindungsgemäß eine Verzögerungseinrichtung, durch welche die
Schließzeit des Ausblaseventils einstellbar ist.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand des in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispieles näher erläutert. Dabei zeigt A b b. 1 ein Diagramm, bei dem
die Drosselkurve eines Axialverdichters für die konstant bleibende normale Betriebsdrehzahl
aufgetragen ist, A b b. 2 a einen Axialschnitt durch die erste Stufe des betrachteten
mehrstufigen Axialverdichters, A b b. 2 b einen Schnitt nach der Linie
A -A gemäß Abb.2a. A b b. 2 c einen Schnitt nach der Linie B-B gemäß Abb.2a,
A b b. 2 d die Steuervorrichtung zur Beeinflussung des Ausblaseventils.
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Gemäß A b b.1 liegt in dem Diagramm, das die Förderhöhe
H in Abhängigkeit vom Förderstrom V zeigt, der normale Arbeitsbereich bei
gesunder Durchströmung des Verdichters zwischen den Punkten 1 und 2, das Abreißgebiet
zwischen Punkt 3 und Punkt 4. Die Kurven a und b sind Kennlinien der
Ausblasevorriehtung bei verschiedenen Drosselstellungen des Ausblaseventils. Der
übergang vom normalen Arbeitsbereich zum Abreißgebiet kann plötzlich von 1 nach
5 und umgekehrt von 4 nach 6 erfolgen. Dieser Hysteresisvorgang kann, er muß aber
nicht eintreten. Die dem Druck in der Luftsammelleitung entsprechende Förderhöhe
ist in A b b. 1 mit c bezeichnet. Es wird angenommen, daß der Verdichter, der die
in A b b. 1 dargestellte Kennlinie hat, gemeinsam mit anderen Verdichtern auf die
Luftsammelleitung arbeitet. Bei ordnungsgemäßem Betrieb arbeitet dann der Verdichter
in Punkt 7. Nun kann es vorkommen, daß der Betriebspunkt 7 auf den im Abreißgebiet
gelegenen Punkt 8 überspringt, wobei die Ursache hierfür beispielsweise sein kann
ein vor dem Luftsaugeschacht vorbeifahrender Lastwagen, wodurch der durch den Verdichter
strömende Luftstrom für Bruchteile einer Sekunde saugseitig gedrosselt wird, oder
eine kurzzeitige Drehzahlabsenkung, die durch ein kurzzeitiges Ausbleiben der Antriebsleistung
verursacht wurde. Der Betrieb in Punkt 8 ist stabil, d. h. ohne Pumpschwingungen,
da in 8 die Drosselkurve bei kleiner werdendem Förderstrom ansteigt. Der übergang
von Punkt 7 auf Punkt 8 kann in der Regel durch eine eingebaute Pumpverhütungsvorrichtung
nicht verhindert werden. Falls keine Sicherheitsvorrichtung zur Verhütung eines
längeren Arbeitens des Verdichters im Bereich der rotierenden Abreißströmung vorhanden
ist, wird der betrachtete Verdichter unverändert in Punkt 8 weiterarbeiten, da der
Luftdruck c in der Luftsammelleitung von den anderen parallel arbeitenden Verdichtern
aufrechterhalten wird. Es besteht bei längerem Betrieb in Punkt 8 die große Gefahr,
daß der Verdichter infolge der im Abreißgebiet auftretenden hohen Temperaturen oder
infolge der dort auftretenden stoßartigen Belastung der Schaufeln durch die Abreißzone
Schaden nimmt. Ist jedoch die erfindungsgemäße Einrichtung eingebaut, wird nach
Erreichen des Betriebspunktes 8 das Ausblaseventil voll geöffnet, so daß zunächst
bei normaler, unveränderter Verdichterdrehzahl der Luftdruck am Druckstutzen des
Verdichters unter den normalen Druck in der Luftsammelleitung absinkt und so die
Rückschlagklappe zwischen Luftsammelleitung und Druckstutzen schließt. Die vom Verdichter
in Punkt 8 geleistete Förderhöhe ist nun größer als sie von der Ausblasevorrichtung
zum Ausblasen des Förderstromes V von Punkt 8 benötigt wird. Diese Differenz der
vom Verdichter geleisteten spezifischen Arbeit und der von der Ausblasevorrichtung
benötigten spezifischen Arbeit kann sich nur in einer Beschleunigung der durch den
Verdichter strömenden Luftmasse auswirken. Dadurch vergrößern sich die Durchflußgeschwindigkeiten
der Luft durch den Verdichter, wobei die Anstellwinkel zwischen Strömung und Schaufeln
sich verkleinern und so die als »Abreißen« bezeichneten Ablösungserscheinungen an
den Verdichterschaufeln beseitigt werden. Der Betriebspunkt des Verdichters wandert
dabei von Punkt 8 über Punkt 5 nach Punkt 4 und springt zum Punkt 6 in den normalen
Arbeitsbereich über. In Punkt 6 ist der Druck in der Verdichterdruckleitung größer
als der in der Luftsammelleitung, wodurch die Rückschlagklappe wieder geöffnet wird
und der Betriebspunkt nun von Punkt 6 nach Punkt 7 hinüberwandert. Nach Erreichen
eines Betriebspunktes im
normalen Arbeitsbereich wird das Ausblaseventil
wieder geschlossen.
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Gemäß A b b. 2 a ist zwischen Eintrittslehrad und Laufrad ein vorn
offenes Staurohr 9 eingeführt (vgl. auch Ab b b. 2 b und 2 c). Wenn der Verdichter
in das Abreißgebiet kommt, entsteht an der Stelle, an der das Staurohr 9 eingebaut
ist, ein Wirbelgebiet, das mit großer Umfangsgeschwindigkeit von den Laufschaufeln
mitgerissen wird. Im Staurohr entsteht somit bei Betrieb im Abreißgebiet ein hoher
Staudruck, der auf eine Membran 10 drückt (A b b. 2 d), wodurch ein Steuerkolben
11 nach unten verschoben wird. Dadurch wird ein Pumpenölzulauf 12 zunächst etwas
freigegeben. Der Druck über dem Steuerkolben 11 steigt an und schiebt den
Steuerkolben 11
rasch so weit nach unten, bis bei 12 ein großer Querschnitt
für den Pumpenölzulauf zur Verfügung steht. Das Pumpenöl fließt durch eine Rohrleituna
13 zu einem Ölkolben 14 des Ausblaseventils und reißt dieses auf. Unabhängig von
dem vom Staurohr 9 abgenommenen Impulsdruck, d. h. unabhängig von dem Druck auf
die Membran 10 bleibt der Steuerkolben 11 in der unteren Lage, weil der Druck über
dem Steuerkolben 11 größer als der Druck unter dem Steuerkolben 11 ist. Langsam
füllt sich nun durch die Bohrung im Steuerkolben 11 ein Windkessel 15 mit Öl. Wenn
der Druck im Windkessel 15 annähernd den Pumpenöldruck erreicht hat, kann
eine Feder 17 den Steuerkolben 11 hochziehen und den Pumpenölzulauf 12 absperren.
Das Ausblaseventil schließt, wobei das Steueröl über eine Blende 16 abfließt. Der
Windkessel 15 entleert sich über die Bohrung im Steuerkolben 11 und die Blende 16.
Die Zeit dieses Steuervorganges ist einstellbar durch die Größe der Bohrung im Steuerkolben
11, durch die Größe des Windkessels 15 und durch die Größe der Ablaufblende 16.