DE1428043A1 - Einrichtung zur Regelung eines Turboverdichters - Google Patents

Description

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Aktiengesellschaft Brown» Boverl ft CIe., Baden (Schweiz) Einrichtung zur Regelung eines Turboverdichters

PIe Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Regelung, vorzugsweise zur PumpenverhUtung, eines von einem kompressiblen Betriebsmittel durchströmten Turboverdichters mit drehbaren LeIt- oder Laufschaufeln und mit Nessung eines charakteristischen Stromungswinkels des Betriebsmittel In einer Verdichterstufe durch eine Messonde, die bei Abweichung des Strömungswinkels von einem vorbestimmten Wert auf einen Regler einwirkt.

Es 1st bekannt, Turboverdichter zur Regelung mit drehbaren LeIt- oder Laufschaufeln auszustatten. Durch Verstellung des Sohaufelwlnkels 1st es möglich, die Fördermenge und das Druckverhältnis des Verdichters an den Jeweils gewünschten Betriebspunkt anzupassen. Dies hat sich vor allem bewährt, wenn der Verdichter mit konstanter Drehzahl angetrieben wird. Der Betriebepunkt kann sich der Pumpgrenze bis zur sogen. Oeffnungskennllnle nähern. Es 1st das ungefähr eine Aequldlstante

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zur Pumpgrenze mit grösserer Fördermenge, bei der noch ein stabiles Arbeiten des Verdichters möglich ist. Ueberschreitet der Betriebspunkt die Oeffnungskennlinie, z.B. bei kleiner werdender Verbrauchsmenge, so muss ein Arbeiten des Verdichters in seinem instabilen Betriebsbereieh verhindert werden. Das wird durch Oeffnen eines Auslassorgane in der Druckleitung des Verdichters erreicht, wodurch dieser weiterhin auf einem Punkte der Oeffnungskennlinie arbeitet und die überschüssige Fördermenge abgeleitet wird.

Die Oeffnungskennlinie wurde bisher durch «Ine Funktion aus dem Enddruck des Verdichters und einem Druckunterschied im Strömungeweg innerhalb aea Verdichters als Kennwert der Forderraenge festgelegt oder durch Verbindung eines dieser beiden Messwert· mit einem Verdichter-Stellglied wie Drehzahlverstellung, Saugdrosselklappe oder Schaufelverstellung. Aus diesen beiden Nesswerten wird im Regler x.B. durch eine Kurvenscheibe eine der gewünschten Oeffnungekennlinie entsprechende Funktion gebildet. Durch Aenderung der Form der Kurvenscheibe wird die Oeffnungskennlinie unter Berücksichtigung der besonderen Betriebsverhältnisse jedem einzelnen Verdichter angepasst.

Es ist noch ein weiterer Messwert als Elngangsgrösse für den cn Regler bekannt, nämlich der absolute Strömungswinkel nach der ^³ Laufschaufelreihe eines Turboverdichters, gemessen durch ein

τ- fest eingebautes Staudruckgerät. Dieser Messwert kann mit Vor-

teil, da er eine Aehnilchkeitskenngrösse darstellt, zusammen ο

mit einer der obengenannten Grossen zur Festlegung einer Betriebskennlinie herangezogen werden. Dieser Strömungswinkel hat

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ausserdem die günstige Eigenschaft, für bestimmte Betrlebskennlinien und Regelarten annähernd konstant zu sein, z.B. bei Drehzahländerung oder Saugdrosselung für eine Kennlinie optimalen Wirkungsgrades oder für die Oeffnungskennlinie des Auslassorgans entlang der Pumpgrenze. Dadurch genügt ein einziger Hesswert und die Regelung vereinfacht sich, da die Funktionsbildung unnötig wird.

Wird der Verdichter durch Schaufelverstellung geregelt, so ist diese günstige Eigenschaft nicht mehr vorhanden. Als Beispiel hierfür sei die Pumpverhütung eines Axialverdichters mit drehbaren Leitschaufeln betrachtet. In diesem Fall ändert sich der absolute Strömungswinkel nach der Laufschaufelreihe entlang der Pumpgrenze stark mit der Leitschaufelverstellung, sodass der Vorteil, mit einem einzigen Messwert für die Pumpverhütung auszukommen, bisher nicht anwendbar war.

firfindungsgemäss wird nun die Nessonde verstellbar ausgeführt und ihre Verstellvorrichtung mit der Drehvorrichtung der Schaufeln gekoppelt. Dadurch gelingt es im Falle des vorstehenden Beispiels, den Vorteil des relativ zur Leitschaufelsteilung zumindest annähernd konstanten absoluten Strömungswinkels nach der Laufschaufelreihe entlang der Pumpengrenze zur Regelung auszunützen.

Entsprechende Ueberlegungen können auch für alle anderen A ,en von Turboverdichtern und Schaufelverstellungen und für bestimmte Betriebskennlinien, z.B. die Kennlinie optimalen Wirkungsgrades, gemacht werden.

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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele zum Erfindungsgedanken veranschaulicht und deren Anwendung sohematisch dargestellt.

Es zeigen

Fig. 1 eine Verstellvorrichtung für die Messende in Axial-

schnitt;
Fig. 2 eine andere Verstellvorrichtung für die Messonde in

Radialschnitt;
Fig. 5 ein Rege!schema;
Fig. 4 eine Messonde in Draufsicht;
Fig. 5 eine andere Messonde im Längsschnitt; Fig. 6 dieselbe Messonde nach dem Schnitt VI-VI in Fig. 5,

In allen Figuren sind gleichen Teilen gleiche Hinweiszeichen zugeordnet.

Nach Fig. 1 ist der Läufer 1 eines Axialverdichters mit Ta-: schaufeln 2 versehen, zwischen die Leitschaufeln 3 hineinragen. Diese sind drehbar im Leitschaufelträger 4 gelagert. Ihre Achsen 5 werden "über Kegelräderpaare β durch eine Verstellwelle 7 gedreht, deren Antrieb nicht gezeichnet ist.

Auf der Verstellwelle 7* die sich nicht über alle Schaufelreihen erstrecken muss, sitzt ein weiteres Kegelrad 8, das vorteilhafterweiae nahe der Mitte des beschaufelten Teils des Verdichters angeordnet ist und mit dem Kegelrad 9 in Eingriff steht. Dieses iet auf d«r drehbaren HUles 10 befestigt, die gleichfalls im Leitsehaufelträger gelagert let und ein#

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11-mit den zugehörigen Messleitungen 12 und 13 trägt. Die Messleitungen bestehen zweckmässig ausserhalb der Hülse 10 aus beweglichen oder elastischen Teilen. Beim Drehen der Verstellwelle 7 wird die Messonde gleichzeitig mit den Leitschaufeln verstellt, entweder um den gleichen Schwenkwinkel wie diese oder In linearer Abhängigkeit von deren Drehung, Je nachdem, ob die Kegelräder 8 und 9 ein gleiches oder unterschiedliches Uebersetzungsverhältnis haben wie die Kegelräder

Mit dieser Vorrichtung ist es möglich, den Druckunterschied in den beiden Messleitungen der Messonde entlang den obenerwähnten Betriebekennlinien des Verdichters konstant, bei Anwendung der Nullmethode gleich null zu halten und damit den Verdichter zu regeln. Weicht der als Regelgrösse ausgewählte, charakteristische Strömungswinkel von einem vorbestimmten Wert ab, was sich In einer Aenderung des gemessenen Druckunterschiedes anzeigt, so wirkt der Regler auf ein Stellglied ein, bis sich der vorbestimmte Strömungswinkel wieder einstellt.

Fig. 2 zeigt eine andere Ausführung der Sonden-Verstellvorrichtung. Anstelle eines Kegelrades sitzt auf der Verstell— welle 7 eine Kurvenscheibe 14 und bewegt durch ihre Drehung eine Schieberetange 15, die durch einen Federkolben 16 geführt und Über eine Rolle 17 gegen die Kurvenscheibe gedrückt wird. Ein an der Sohleberetange 15 angebrachter Stift lB greift in einen Hebel 19« der auf der Hülse 10 befestigt ist und dadurch eine Verstellung der Messonde 11 bewirkt.

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Mit Hilfe der Kurvenscheibe 14 kann jede beliebige Funktion zwischen Messündemcerstellung und Leitschaufeldrehung gebildet werden. Dies ist dann nötig, wenn der Strömungswinks1 längs der gewünschten Betriebskennlinis nicht konstant ist und daher der eingestellte Sollwert einer Korrektur bed&r-f».

Pig, 3 zeigt als Anwendimgsbeispial sin Hegelschema für einer* Verdichter mit Leitschaufelverstellung, konstantem Pcrderdrtielc und Pumpverhütung durch Messung des Strömung&winkels» De;* Verdichter 2G-- der vom Motor 21 angetrieben wird, fördert das Betriebsmittel von der Ansaugleitung 22 in die Druckleitung 25-Der Federbalg 24, der mit der- Druckleitung 23 in Verbindung steht, steuert über das Ventil 25 den Ei-txck des Gelss, das durch die Blende 26 angespeist wird, für den Steuerkolben. 2?jweloher auf die Drehvorrichtimg der Leitschaufel^ die bei 3 angedeutet sind, und auf dis Verstellvorrichtung der P?esFond& tl einwirkt. Biese beiden Vorrichtungen sind im Block 28 zusaw::;*}-« gefasst.

Die von ά&η Drücken in den Meesleitungen 12 und 13 der Messonde 11 beidseitig beaufschlagte Membran 29 steuert über das Ventil 30 den Druck des Oeles, das durch die Blende 31 angespeist wird, für den Kolben 32, der das Ventil 33 in der Ausblaseleitunß J>k betätigt, sobald der Strömungswinkel an der Qeffmmgskennlinie und damit der Druckunterschied in den beiden Messleitungen einen bestimmten Grenzwert erreichen. Wenn der Druck in der M«e*Uitung 13 Überwiegt, öffnet dae Ventil 30 der Kolben 32

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wird entlastet, das Ventil 33 öffnet und die überflüssige Fördermenge bläst ab.

Bei Regelung des Verdichters nach einer anderen Betriebskennlinie, beispielsweise nach einer Kurve besten Wirkungsgrades, wirkt der gemessene Druckunterschied auf die Drehvorrichtung der Verdichterschaufeln ein.

In Flg. 4 ist eine an sich bekannte Zweiloch-Winkelsonde dargestellt, die als Messonde 11 verwendet werden kann. Die offen«- Enden 35 und 36 der Messleitungen 12 und 13 stehen wie Üblich j im rechten Winkel zueinander. Trifft das Betriebsmittel symmetrisch zur Sonde auf, wie es durch die Pfeilrichtung angedeutet 1st, dann 1st der Staudruck in beiden Messleitungen gleich gross und der Druckunterschied null. Weicht die Strömungsrichtung von der Symmetrieebene ab, so wird der Staudruck in den beiden Messleitungen unterschiedlich und es tritt ein positiver oder negativer Druckunterschied auf, der ebenso wie der Nullwert als Sollwert für die Regelung dienen kann. - Gleicherweise sind Mehrloch-Winkelsonden verwendbar. |

Eine für die Durchführung des Erfindungsgedankens besonders geeignete Lanellensonde 1st In den Fig. 5 und 6 veranschaulicht. In einem Sohlitz des Sondenkörpers 37 ist die Blattfeder 38 zwischen den verengten Mündungen der Messleitungen*39 angeordnet» die Über Blenden 40 mit sauberer Luft konstanten Druckes bei 41 engespeist werden. Befindet sich die Blattfeder in der Mittellag·, so sind beide Drücke an den Mündungen der Mets« leitungen gleich. Wird die Feder durch Strömungekräfte aus der Mlttellafe ausgelenkt« dann wird der Abströmquerschnitt der einen MOndung vergrössert, der andern verkleinert. Ef entsteht

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dadurch eirx Druckunterschied, der der Durchbiegung der Blattfeder und somit der Winkelabwrtßehung der Strömung annähernd proportional ist. Der Druckunterschied wirkt auf die Membran 29 ein, die mit einem Stellglied verbunden ist.

Statt der Ausführung mit Messleitungen können auf der Blattfeder zur Bestimmung ihrer Durchbiegung: Dehnungsmessstreifen, auch unter dem Namen "strain gauges" bekannt, angebracht werden, wodurch ein verzo-jenrngsfreies elektrisches Signal erhalten wird, das als Eing-angsgrösse für den Regler dient.

Gegenüber den Staudruck-Messonden weist die Lamellensonde eine grössere Empfindlichkeit auf, ist nicht versehmutzungsanfällig und bietet ausserdem den Vorteil, dass sie auch bei Rüekströrnung im Verdichter ein eindeutiges, richtiges Signal für die Regelung gibt.

Die Verstellung der .Messonde kann, wie es in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, durch Drehen, aber auch durch ein radiales Verschieben erfolgen. Da der ötrömungswinkel nicht nur durch das Drehen der Schaufeln beeinflusst wird, sondern sich auch entlang einer Schaufel ändert, kann die Aenderung des Strb'-mungswinkels beim Drehen der Schaufeln durch eine radiale Bewegung der Messonde kompensiert werden, ohne sie drehen zu müssen.
Die Koppelung zwischen Sonden- und Schaufelstellung kann auf

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verschiedene Welse erfolgen, z.B. mechanisch, hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch. Ein Sonderfall entsteht, wenn die Messonde mit den drehbaren Schaufeln baulich vereinigt wird.

Die Messende kann nach einer Leit- oder einer Laufschaufelreihe eingebaut werden, ferner kann sie von aussen zwischen die Schaufelrelhen eingeführt oder mitrotierend angeordnet werden.

Die durch die vorliegende Erfindung erstmals auch für Verdichter mit drehbaren Schaufeln anwendbare Methode der Regelung durch Messung eines charakteristischen Strömungswinkels des Betriebemittels bietet eine Vereinfachung und dami. Verbilligung der Regelgeräte, da die bisher notwendige Punktionsbildung aus zwei Messgröesen entfällt. Darüber hinaus bietet sie den Vorteil, dass der gemessene Strömungswinkel eine Aehnlichkeitskenngrösse darstellt, die unabhängig vom Ansaugedruck und von der Ansaugetemperatur ist.

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Claims (1)

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   1. _;Einrichtung xur Regelung, vorzugsweise iur Pumpverhütung,

   •ines von einem kompres«iblen Betriebemittel durchströmten Turboveniiehters mit drehDaren Leit« oder Laufschaufeln und nit Messung eines charakteristlachen Strömung·«ink«le de· Betriebsmittels-In einer Verdichterstufe durch eine Meßsonde, die bei Abweichung de« ^trüwungswiiikele von einem vorbestlaater. Wert *uf einen Begier einwirkt, daduroh gekennzeichnet, dien die Kenternde verstellbar Int und Ihre Verstellvorrichtung nlt der Drehvorrichtung der Schaufeln gekoppelt 1st.

   2. Einrichtung nach Anspzwh 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Measonde drehbar ist.

   Jt, Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gakennseiahnet, das« 41« Heaaond« radial verschiebbar 1st»

   4, Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das· die Messond« In linearer Abhlnglgkelt von der Drehung der

   Schaufeln verstellt wird.

   5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da·· die Hessono· nach einer Funktion in Abhängigkeit von der Drehung der Schaufeln verstellt wird»

   υ. Einrichtung nach Anspruch 1 ■■ ϋ!·5» dadurch gekennzeichnet, da·· die Messend« annXhernd in der Mitte de· be-•ohaufelten Teils de· Verdichteremn^eordnet let.

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   7. Einrichtung nach Anspruch I₁ gekennzeichnet durch eine Zwei- oder Mehrloch-Winkelßonde als Meεsonde.

   8. Einrichtung nach Anepruch 1« gekennzeichnet, durch eine Lainellensonde ale Meeeonde.

   9.,Ei^rJ₅ChtungnaQh Anepruch B, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasaellensonde QiIt Dehnmessstreifen ausgestattet 1st,

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