DE1428043B2 - Einrichtung zur Regelung eines Turboverdichters - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Regelung, vorzugsweise zur Pumpverhütung, eines von einem kompressiblen Betriebsmittel durchströmten Turboverdichters mit verstellbaren Leitoder Laufschaufeln und mit Messung eines charakteristischen Strömungswinkels des Betriebsmittels in einer Verdichterstufe durch eine Meßsonde, die bei Abweichung des Strömungswinkels von einem vorbestimmten Wert auf einen Regler einwirkt.

Es ist bekannt, Turboverdichter zur Regelung mit verstellbaren Leit- oder Laufschaufeln auszustatten. Durch Verstellung des Schaufelwinkels ist 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 Betriebspunkt kann sich der Pumpengrenze bis zur sogenannten Öffnungskennlinie nähern. Es ist das ungefähr eine Äquidistante zur Pumpgrenze mit größerer Fördermenge, bei der noch ein stabiles Arbeiten des Verdichters möglich ist. Überschreitet der Betriebspunkt die Öffnungskennlinie, z. B. bei kleiner werdender Verbrauchsmenge, so muß ein Arbeiten des Verdichters in seinem instabilen Betriebsbereich verhindert werden. Das wird durch öffnen eines Auslaßorgans in der Druckleitung des Verdichters erreicht, wodurch dieser weiterhin auf einem Punkte der Öffnungskennlinie arbeitet und die überschüssige Fördermenge abgeleitet wird.

Die Öffnungskennlinie wurde bisher durch eine Funktion aus dem Enddruck des Verdichters und einem Druckunterschied im Strömungsweg innerhalb des Verdichters als Kennwert der Fördermenge festgelegt oder durch Verbindung eines dieser beiden Meßwerte mit einem Verdichter-Stellglied wie Drehzahlverstellung, Saugdrosselklappe oder Schaufelverstellung. Aus diesen beiden Meßwerten wird im Regler z. B. durch eine Kurvenscheibe eine der gewünschten Öffnungskennlinie entsprechende Funktion gebildet. Durch Änderung der Form der Kurvenscheibe wird die Öffnungskennlinie unter Berücksichtigung der besonderen Betriebsverhältnisse jedem einzelnen Verdichter angepaßt.

Es ist noch ein weiterer Meßwert als Eingangsgröße für den Regler bekannt, nämlich der absolute Strömungswinkel nach der Laufschaufelreihe eines Turboverdichters, gemessen durch ein fest eingebautes Staudruckgerät. Dieser Meßwert kann mit Vorteil, da er eine Ähnlichkeitskenngröße darstellt, zusammen mit einer der obengenannten Größen zur Festlegung einer Betriebskennlinie herangezogen werden. Dieser Strömungswinkel hat außerdem die günstige Eigenschaft, für bestimmte Betriebskennlinien und Regelarten annähernd konstant zu sein, z. B. bei Drehzahländerung oder Saugdrosselung für eine Kennlinie optimalen Wirkungsgrades oder für die Öffnungskennlinie des Auslaßorgans entlang der Pumpgrenze. Dadurch genügt ein einziger Meßwert, 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 verstellbaren Leitschivjfeln betrachtet. In diesem Fall ändert sich der absolute Strömungswinkel nach der Laufschaufelreihe entlang der Pumpgrenze stark mit der Leitschaufelverstellung, so daß der Vorteil, mit einem einzigen Meßwert für die Pumpverhütung auszukommen, bisher nicht anwendbar war.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Regelung, insbesondere für die Pumpverhütung, zu schaffen, die entgegen den Regeleinrichtungen der eingangs erwähnten bekannten Art mit einem einzigen Meßwert arbeitet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Meßsonde verstellbar ist und ihre Verstellvorrichtung mit der Verstellvorrichtung der Schaufeln gekoppelt ist. Dadurch gelingt es, den Vorteil des relativ zur Leitschaufelstellung zumindest annähernd konstanten absoluten Strömungswinkels nach der Laufschaufelreihe entlang der Pumpgrenze zur Regelung auszunützen.

Da der charakteristische Strömungswinkel bei Drehzahländerung oder Saugdrosselung für die verschiedenen Betriebspunkte bestimmter anderer Kennlinien (z. B. die Kennlinie optimalen Wirkungsgrades) von Reynolds- und Machzahleinflüssen abgesehen, konstant ist, kann die Erfindung mit Vorteil ,.--. auch zur Regelung nach diesen Kennlinien ver- ' j wendet werden.

Die durch die vorliegende Erfindung erstmals auch für Verdichter mit verstellbaren Schaufeln anwendbare Methode der Regelung durch Messung eines charakteristischen Strömungswinkels des Betriebsmittels bietet eine Vereinfachung und damit Verbilligung der Regelgeräte, da die bisher notwendige Funktionsbildung aus zwei Meßgrößen entfällt. Darüber hinaus bietet sie den Vorteil, daß der gemessene Strömungswinkel eine Ähnlichkeitskenngröße darstellt, die unabhängig vom Ansaugedruck und von der Ansaugetemperatur ist.

Mit Vorteil kann die Verstellung der Meßsonde durch Drehen oder durch radiales Verschieben erfolgen. Da der Strömungswinkel nicht nur durch das Drehen der Schaufeln beeinflußt wird, sondern sich auch entlang einer Schaufel ändert, kann die Änderung des Strömungswinkels beim Drehen der Schaufeln durch eine radiale Bewegung der Meßsonde kompensiert werden, ohne sie drehen zu müssen. ( ^)

Die Verstellung der Meßsonde kann nach einer linearen oder beliebigen Funktion in Abhängigkeit vom Verstellwinkel der Schaufeln erfolgen, wobei die Meßsonde annähernd in der Mitte der axialen Erstreckung des beschaufelten Teils des Verdichters angeordnet ist.

Vorteilhaft ist die Anwendung von Zwei- oder Mehrloch-Winkelsonden.

Gegenüber den Staudruck-Meßsonden weist eine Lamellensonde eine größere Empfindlichkeit auf, ist nicht verschmutzungsanfällig und bietet außerdem den Vorteil, daß sie auch bei Rückströmung im Verdichter ein eindeutiges, richtiges Signal für die Regelung gibt.

Schließlich kann die Lamellensonde mit Dehnmeßstreifen ausgestattet sein.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele zum Erfindungsgedanken veranschaulicht und deren Anwendung schematisch dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 eine Verstellvorrichtung für die Meßsonde in Axialschnitt.

F i g. 2 eine Verstellvorrichtung für die Meßsonde in Radialschnitt,

F i g. 3 ein Regelschema,

Claims (9)

1. 3 4

   F i g. 4 eine Meßsonde in Draufsicht, welcher auf die Drehvorrichtung der Leitschaufeln,

   F i g. 5 eine andere Meßsonde im Längsschnitt, die bei 3 angedeutet sind, und auf die Verstellvor-

   F i g. 6 dieselbe Meßsonde nach dem Schnitt VI-VI richtung der Meßsonde 11 einwirkt. Diese beiden

   in F i g. 5. Vorrichtungen sind im Block 28 zusammengefaßt.

   In allen Figuren sind gleichen Teilen gleiche Hin- 5 Die von den Drücken in den Meßleitungen 12 und

   weiszeichen zugeordnet. 13 der Meßsonde 11 beidseitig beaufschlagte Mem-

   Nach F i g. 1 ist der Läufer 1 eines Axialver- bran 29 steuert über das Ventil 30 den Druck des dichters mit Laufschaufeln 2 versehen, zwischen die Öles, das durch die Blende 31 angespeist wird, für die Leitschaufeln 3 hineinragen. Diese sind drehbar den Kolben 32, der das Ventil 33 in der Ausblaseim Leitschaufelträger 4 gelagert. Ihre Achsen 5 io leitung 34 betätigt, sobald der Strömungswinkel an werden über Kegelräderpaare 6 durch eine Verstell- der Öffnungskennlinie und damit der Druckunterwelle 7 gedreht, deren Antrieb nicht gezeichnet ist. schied in den beiden Meßleitungen einen bestimmten

   Auf der Verstellwelle 7, die sich nicht über alle Grenzwert erreichen. Wenn der Druck in der Meß-Schaufelreihen erstrecken muß, sitzt ein weiteres leitung 13 überwiegt, öffnet das Ventil 30, der Kegelrad 8, das vorteilhafterweise nahe der Mitte des 15 Kolben 32 wird entlastet, das Ventil 33 öffnet, und beschaufelten Teils des Verdichters angeordnet ist die überflüssige Fördermenge bläst ab.
   und mit dem Kegelrad 9 in Eingriff steht. Dieses ist Bei Regelung des Verdichters nach einer anderen auf der drehbaren Hülse 10 befestigt, die gleichfalls Betriebskennlinie, beispielsweise nach einer Kurve im Leitschaufelträger gelagert ist und eine Meßsonde besten Wirkungsgrades, wirkt der gemessene Druck-11 mit den zugehörigen Meßleitungen 12 und 13 20 unterschied auf die Verstellvorrichtung der Verträgt. Die Meßleitungen bestehen zweckmäßig dichterschaufeln ein.

   außerhalb der Hülse 10 aus beweglichen oder In F i g. 4 ist eine an sich bekannte Zweilochelastischen Teilen. Beim Drehen der Verstellwelle 7 Winkelsonde dargestellt, die als Meßsonde 11 verwird die Meßsonde gleichzeitig mit den Leitschaufeln wendet werden kann. Die offenen Enden 35 und 36 verstellt, entweder um den gleichen Schwenkwinkel wie 25 der Meßleitungen 12 und 13 stehen wie üblich im diese oder in linearer Abhängigkeit von der Drehung, rechten Winkel zueinander. Trifft das Betriebsmittel je nachdem, ob die Kegelräder 8 und 9 ein gleiches symmetrisch zur Sonde auf, wie es durch die Pfeiloder unterschiedliches Übersetzungsverhältnis haben richtung angedeutet ist, dann ist der Staudruck in wie die Kegelräder 6. beiden Meßleitungen gleich groß und der Druck-

   Mit dieser Vorrichtung ist es möglich, den Druck- 30 unterschied Null. Weicht die Strömungsrichtung von unterschied in den beiden Meßleitungen der Meß- der Symmetrieebene ab, so wird der Staudruck in den sonde entlang den obenerwähnten Betriebskenn- beiden Meßleitungen unterschiedlich, und es tritt ein linien des Verdichters konstant, bei Anwendung der positiver oder negativer Druckunterschied auf, der Nullmethode gleich Null zu halten und damit den ebenso wie der Nullwert als Sollwert für die Verdichter zu regeln. Weicht der als Regelgröße 35 Regelung dienen kann. — Gleicherweise sind Mehrausgewählte charakteristische Strömungswinkel von loch-Winkelsonden verwendbar,
   einem vorbestimmten Wert ab, was sich in einer Eine für die Durchführung des Erfindungs-Änderung des gemessenen Druckunterschiedes an- gedanken besonders geeignete Lamellensonde ist in zeigt, so wirkt der Regler auf ein Stellglied ein, bis den F i g. 5 und 6 veranschaulicht. In einem Schlitz sich der vorbestimmte Strömungswinkel wieder ein- 40 des Sondenkörpers 37 ist die Blattfeder 38 zwischen stellt. den verengten Mündungen der Meßleitungen 39 an-

   F i g. 2 zeigt eine andere Ausführung der Sonden- geordnet, die über Blenden 40 mit sauberer Luft Verstellvorrichtung. An Stelle eines Kegelrades sitzt konstanten Druckes bei 41 angespeist werden. Beauf der Verstellwelle 7 eine Kurvenscheibe 14 und findet sich die Blattfeder in der Mittellage, so sind bewegt durch ihre Drehung eine Schieberstange 15, 45 beide Drücke an den Mündungen der Meßleitungen die durch einen Federkolben 16 geführt und über gleich. Wird die Feder durch Strömungskräfte aus eine Rolle 17 gegen die Kurvenscheibe gedrückt der Mittellage ausgelenkt, dann wird der Abströmwird. Ein an der Schieberstange 15 angebrachter querschnitt der einen Mündung vergrößert, der Stift 18 greift in einen Hebel 19, der auf der Hülse andern verkleinert. Es entsteht dadurch ein Druck-10 befestigt ist und dadurch eine Verstellung der 50 unterschied, der der Durchbiegung der Blattfeder Meßsonde 11 bewirkt. und somit der Winkelabweichung der Strömung an-

   Mit Hilfe der Kurvenscheibe 14 kann jede be- nähernd proportional ist. Der Druckunterschied

   liebige Funktion zwischen Meßsondenverstellung wirkt auf die Membran 29 ein, die mit einem Stell-

   und Leitschaufeldrehung gebildet werden. Dies ist glied verbunden ist.

   dann nötig, wenn der Strömungswinkel längs der 55
   gewünschten Betriebskennlinie nicht konstant ist und

   daher der eingestellte Sollwert einer Korrektur be- Patentansprüche:
   darf.

   Fig. 3 zeigt als Anwendiingsbeispiel ein Regel- 1. Einrichtung zur Regelung, vorzugsweise zur schema für einen Verdichter mit Leitschaufelver- 60 Pumpverhütung, eines von einem kompressiblen stellung, konstantem Förderdruck und Pumpver- Betriebsmittel durchströmten Turboverdichters hütung durch Messung des Strömungswinkels. Der mit verstellbaren Leit- oder Laufschaufeln und Verdichter 20, der vom Motor 21 angetrieben wird, mit Messung eines charakteristischen Strömungsfördert das Betriebsmittel von der Ansaugleitung 22 winkeis des Betriebsmittels in einer Verdichterin die Druckleitung 23. Der Federbalg 24, der mit der 65 stufe durch eine Meßsonde, die bei Abweichung Druckleitung 23 in Verbindung steht, steuert über des Strömungswinkels von einem vorbestimmten das Ventil 25 den Druck des Öles, das durch die Wert auf einen Regler einwirkt, dadurch Blende 26 angespeist wird, für den Steuerkolben 27, gekennzeichnet, daß die Meßsonde ver-

   stellbar ist und ihre Verstellvorrichtung mit der Verstellvorrichtung der Schaufeln gekoppelt ist.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonde drehbar ist.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonde radial verschiebbar ist.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonde in linearer Abhängigkeit vom Verstellwinkel der Schaufeln verstellt wird.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonde mit Hilfe einer Kurvenscheibe nach einer beliebigen Funktion in Abhängigkeit vom Verstellwinkel der Schaufeln verstellt wird.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonde annähernd in der Mitte der axialen Erstreckung des beschaufelten Teils des Verdichters angeordnet ist.
7. 7. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Zwei- oder Mehrloch-Winkelsonde als Meßsonde.
8. 8. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Lamellensonde als Meßsonde.
9. 9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellensonde mit Dehnmeßstreifen ausgestattet ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen