DE2155311A1 - Vorrichtung zur steuerung eines turbokompressors - Google Patents
Vorrichtung zur steuerung eines turbokompressorsInfo
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
- F04D27/02—Surge control
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Steuern eines Turbokompressors, insbesondere für ein Gasturbinentriebwerk;,
Ein mit konstanter Drehzahl laufender Turbokompressor verdichtet ein durch seine Auslegung bestimmtes Luftvolumen
auf ein ebenso bestimmtes Druckverhältnis JC « PpZp1 (P1 m
Druck am Eintritt in den Verdichter; ρ » Druck am Ausgang
des Verdichters). Vermindert man die Fördermenge der Luft,, steigt dieses Druckverhältnis und nähert sich dabei einer
Grenze, bei der infolge partiellen oder vollständigen Abreißens der Strömung an den Verdichterschaufeln der Volumenstrom
im Kompressor gestört wird und gegebenenfalls ganz zusammenbricht. Meist äußert sich dies in schlagartigen,
periodisch aufeinander folgenden Stoßen. Man sagt dann, der Verdichter "pumpt". Seine Bauteile, besonders die Schaufeln,
können dadurch außerordentlich stark mechanisch beansprucht und unter Umständen ganz plötzlich zerstört werden.
Zu jeder Drehzahl eines Verdichters gehört ein bestimmter Luftdurchsatz und ein bestimmtes Druckverhältnis, bei dem
das Pumpen einsetzt. Verbindet man die entsprechenden Punkte
im Kennfeld, so erhält man die sogenannte "Pumpgrenze" des betreffenden Kompressors.
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Wegen der Gefährlichkeit des Pumpens hat es nicht an zahllosen
Versuchen gefehlt, eine wirksame Schutzeinrichtung gegen das Überfahren der Pumpgrenze zu schaffen. Es wurde
z.B. versucht, die Strömung entlang von Schaufelprofilen zu messen und die bevorstehende Strömungsablösung dabei zu
erfassen. Auch Messungen der Meridian-, Abström- und Anström geschwindigkeiten vor und nach einzelnen odor mehreren
Schaufelgittern im Innern eines Verdichters wurden wiederholt, beispielsweise mit Hitzdrahtsonden durchgeführt.
Weiterhin wurde versucht, die Machzahl (Mn-) am Korapressoraustritt
als Steuerparameter zu benutzen (DT-OS 1 601 560).
Eine Regelung ist aber dabei nur dann möglich, wenn die gemessene Machzahl mit einer vorgegebenen Soll-Machzahl verglichen
wird· Der Sollwert ergibt sich aus der theoretischen Vorausberechnung des Verhaltens des betreffenden Verdichters.
Daher werden Serien-Toleranzstreuungen, Anströmungsstörungen und dergleichen nur ungenügend erfaßt, was im praktischen
Einsatz zu erheblichen Störungen des Triebwerks führen kann.
Weiterhin wurde versucht» auf pneumatischem Wege ein Abblaseventil direkt anzusteuern (DT-^OS 1 6oi 6.37). Dieses Regelprinzip
benutzt ähnliche Elemente wie sie auch in der "Fluidic8"-Technik benutzt wurden. Es ist sehr aufwendig
und spricht erst an, wenn es zum Pumpen kommt. Außerdem
aind die dabei benötigten Elemente schwierig einzustellen. ™ Auch hier können sich Serien-Toleranzatreuungen, Anströmschwankungen
und dergleichen störend auswirken.
Eine weitere bekannte Vorrichtung (DTl 426 317) vermeidet zwar
die Nachteile, die mit der theoretischen V'orausbereclmung
der Verdichter-Pumpgrenze zwangsläufig entstehen, ist aber sehr kompliziert aufgebaut. Hierbei muß nämlich der Strömungszustand
an einer oder gar an mehreren Schaufeln erfaßt werden. Zusätzlich wird ein pneumatischer Impulsgenerator
als Vergleichs-Luftquelle benötigt. Das Anbohren von Schaufelprofilen
ist sehr schwierig und teuer, bei kleinen
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Maschinen unter Umständen sogar unmöglich.
Schließlich ist bei mehrstufigen Verdichtern kein wirksamer Pumpschutz gewährleistet, wenn man die Strömung nur an einer
seiner Stufen erfaßt. Das eingangs Gesagte gilt nämlich auch für jede Einzelstufe: In einem mehrstufigen Verdichter ist
diejenige Stufe am meisten gefährdet, die unter den jeweiligen Fahrbedingungen ihrer (Stufen-) Pumpgrenze am nächsten arbeitet.
Der Sicherheitsabstand, d.h. der Abstand von Fahrlinie zu Pumpgrenze, ändert sich aber im Betrieb ständig, so daß
z.B. unter einer angenommenen Fahrbedingung χ die erste, unter einer anderen Bedingung y aber die letzte Stufe zuerst
ins Pumpen gerät. Wenn auch nur eine Stufe im Pumpbereich arbeitet, bringt sie damit im allgemeinen auch den gesamten
Verdichter zum Pumpen. Aus der Vielfalt der möglichen Fahrbedingungen,
unter die auch alle praktisch vorkommenden Fälle von Störungen der Anströmung vor dem Verdichter gezählt
werden müssen, ergibt sich zwangsläufig, daß eine ausreichende analytische Bestimmung derjenigen Stufe, die am meisten
gefährdet sein wird und an der logischerweise die Überwachungseinrichtung
angeordnet werden sollte, weder theoretisch noch praktisch (durch Vorvereuche) möglich ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten Pumpverhinderungsvorrichtungen zu vermeiden und eine Meßvorrichtung
zu erstellen, die mit einfachsten Mitteln größte Sicherheit gegen das Erreichen der Pumpgrenze bietet. Zur
Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung davon aus, daß sich alle Turbokompressoren ohne Rücksicht auf ihre Bauart oder
ihre Stufenzahl bei Annäherung an die Pumpgrenze ähnlich verhalten. Die beim Drosseln des Durchsatzes zunächst etwa
proportionale Zunahme des Druckverhältnisses wird nämlich
immer kleiner, je mehr man sich der Pumpgrenze nähert. Bei manchen Verdichtern nimmt das Druckverhältnis nach Erreichen
eines Maximums gegen die Pumpgrenze hin sogar wieder ab.
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In einem ganz bestimmten Abstand vox* der Pumpgrenze beginnende Ablösungserscheinungen an den Schaufeln haben
außerdem zur Folget daß Durchsatz und Austrittedruck zunehmend in Schwingungen versetzt werden, wobei sich insbesondere Amplitude und Frequenz in der vom Verdichter angesaugten oder abgegebenen Gesamtströmung, die auch bei
völlig gesunder Strömung mit leichten Druckschwankungen pulsiert, verändern«
Die vorgenannten Aufgaben werden durch die Erfindung dadurch gelöst, daß am Eingang und/oder Ausgang des Verdichters mindestens ein bzw» je ein elektrischer Druckgeber
angeschlossen ist, dessen bzw. deren mit hoher Abtastrate " abgegriffene Drucksignale eine elektrisch leitende Verbindung zu einem elektronisch arbeitenden Schaltgerät übermitteln, das bei Überschreiten eines Grenzwertes ein Warnsignal oder automatisch ein Regelgerät betätigt. Bei Verwendung von zwei Druckgebern, wobei einer am Eingang und
einer am Ausgang des Verdichters angeordnet ist, kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung das Verhältnis der
von den Druckgebern gemessenen Drücke *TC m ■ ■■ ermittelt
und die Abweichung im Anwachsen von ff gegenüber seiner
proportionalen Zunahme bei Drosselung der Fördermenge als Anlaß für die Auslösung eines Warnsignals oder einer
Regelfunktion verwendet werden. Andererseits kann die Vergrößerung der Amplitude und die Frequenzänderung der Druckschwankungen gegenüber einer mit leichten Druckschwankungen
pulsierenden "gesunden" Strömung als Anlaß für die Auslösung eines Warnsignals oder einer Regelfunktion verwendet
werden.
Die Meßeinrichtung kann so ausgestaltet sein, daß an Jedem
Druckgeber ein Umsetzer zur Aufbereitung des. Meßsignals angeschlossen ist und der oder die Umsetzer mit einem
Stufenraster zur Abtastung der Meßsignale verbunden sind,
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dem eine von Hand oder automatisch einstellbare Signalschwelle
und ein mit "Logik" bezeichneter Elektronikbaustein nachgeschaltet sind, der die Meßsignale miteinander oder mit
vorhergehenden vergleicht und bei Überschreitung von Grenzwerten die Warnsignalauslösung oder die Schaltung des Regelgeräts
veranlaßt.
Die Regelung der Fahrlinie eines Turboverdichtere bei vorgegebener
Drehzahl ist nur durch Beeinflussung des angesaugten oder abgegebenen Luftstroms möglichu Dazu gibt es
zahlreiche Regelungsmöglichkeiten (Erfassung von Drücken, Umsetzung der Druckanzeige in elektrische Meßsignale, Weiterverarbeitung
dieser Signale), denen gemeinsam ist, daß sie alle von der vorgeschlagenen Erfindung angesteuert
werden können.
Wesentlich ist bei der Erfindung, daß die Regelung unabhängig von Toleranzeinflüssen, von Anströmungsstorangen,
von klimatischen und Höheneinwirkungen u.dgl. ist. Ablösungserscheinungen an den Schaufeln und damit das Auftreten
größerer Schwingungen vor der Pumpgrenze bleiben im ganzen Drehzahlbereich des Verdichters charakteristisch
erhalten und unabhängig von äußeren Einflüssen, wie dem Umgebungsdruck, unter dem der Verdichter arbeitet. Zu erwähnen
ist in diesem Zusammenhang noch, daß die Ablösungserscheinungen'
bei schneller Drosselung eher, d.h. in einem etwas größeren Abstand vor der Pumpgrenze einsetzen als bei
langsamer Drosselung·
Ein Vorteil ist, daß sich die Reaktionsschwelle für den Druck
oder die beiden zu erfassenden Drücke innerhalb der Elektronik jedem einzelnen Verdichtertyp genau anpassen läßt und
gegebenenfalls auch empirisch nachgestellt werden kann, so daß der damit gegebene Pumpschutz über dem gesamten
Arbeitsbereich des Kompressors wirksam bleibt, beispielsweise auch während des Anlassens von Gasturbinen, beim Start oder
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der Landung von Plugzeugen· Auch Störungen der Verdichteranströmung,
z.B. Unsymmetrie, verlieren ihren schädlichen Einfluß auf den Verdichter, da sie sich im Kernfeld ähnlich
wie eine Drosselung auswirken und damit von der vorgeschlagenen Pumpwarn- bzw. -Verhinderungsanlage unter
Kontrolle gehalten werden.
Zur Erfassung der Drücke am Einlauf und nach Austritt des Verdichters werden bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
keine Staurohre oder sonstige in den Strömungskanal hineinragende Teile verwendet, sondern elektrische Druckgeber
handelsüblicher Bauart. Diese sind unempfindlich gegenüber ^ mechanischen Beanspruchungen. Durch sie können auch Schaufeln
des Kompressors nicht beschädigt werden, wie dies früher oft durch abbrechende Staurohre und dergleichen der
Fall war. Die gesamte vorgeschlagene Warn- bzw. Pumpverhinderungsanlage ist einfach im Aufbau, wirtschaftlich
in der Herstellung und dabei sehr wirkungsvoll.
In der Zeichnung ist ein Axialströmungskompressor mit einer daran angeschlossenen elektronisch arbeitenden Schalteinrichtung
schematisch dargestellt.
Am Eingang und am Auegang des in der Zeichnung schematisch dargestellten Axialströmungskompressors 1 sind handelsübliche
elektrische Druckgeber 2 und 3 angeschlossen. Von diesen führen Leitungen 4 und 5 zu je einem Umsetzer 6 und
zur Aufbereitung der von den Druckgebern 2 und 3 abgegebenen Meßsignale. Diesen Umsetzern ist ein Abtastgerät 8 zur Abtastung
der von den Umsetzern kommenden Meßsignale, ein sogenannter Stufenraster, nachgeschaltet· Dem Stufenraster
folgt eine Signalschwelle 9t die von Hand oder für automatischen
Betrieb so einstellbar ist, daß sie Signale weitergibt, die durch vorbestimmte Grenzwerte überschreitende
Drücke entstanden sind. Diesem Gerät ist ein Elektronikbaustein, eine sogenannte "Logik" H nachgeschaltet, die
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die in zeitlich sehr kurzen Abständen nacheinander am Eingang und am Ausgang des Verdichters abgetasteten Signale
beider Druckgeber 2 und 3 miteinander vergleicht und einen
Impuls gegebenenfalls an das nachgeschaltete Warnsignal 12 oder das nachgeschaltete Regelgerät 13 weitergibt. Mit dem
Regelgerät 13 kann in üblicher Weise auf die Steuerung des Verdichters eingewirkt werden) bei einem im Zusammenhang
mit einem Gasturbinentriebwerk arbeitenden Kompressor, gegebenenfalls dadurch, daß die Brennstoffzufuhr zur Brennkammer geregelt wird* Im anderen Falle kann der Kompressor
beispielsweise dadurch gesteuert werden, daß eine an ihm vorgesehene Öffnung Ik im Kompressormantel mehr oder weniger
geöffnet oder geschlossen wird« Die Öffnung ik kann an einen
Bypass 15 angeschlossen werden, mit dem die durch diese
Leitung aus dem Kompressor austretenden Gase dem Gasstrom an geeigneter Stelle nach dem Verdichter wieder zugeleitet
werden.
Bei der Verwendung der in der Zeichnung dargestellten beiden Druckgeber 2 und 3 am Eingang und am Ausgang des Kompressors 1 wird das Verhältnis der von ihnen gemessenen Drücke
*Ti " Po : P* ermittelt und die Abweichung im Anwachsen
von <JJ~ gegenüber seiner proportionalen Zunahme bei Drosselung
der Fördermenge als Anlaß für die Auslösung des Warnsignals durch die Warnvorrichtung 12 oder für die Auslösung einer
Regelfunktion durch das Regelgerät 13 verwendet.
Wird nur ein einziger Druckgeber eingesetzt, der beispielsweise am Ende des Kompressors angeordnet ist, dann werden
durch die Elektronik die Vergrößerung der Amplitude und die Frequenzänderung der Druckschwankungen gegenüber einer
mit leichten Druckschwankungen pulsierenden "gesunden" Strömung überwacht und im gegebenen Falle als Anlaß für die Auslösung eines Warnsignale oder einer Regelfunktion benutzt.
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Die Vergrößerung der Amplitude und die Frequenzänderung
der Druckschwankungen können selbstverständlich auch bei
der Verwendung der Druckgeber 2 und 3 zur Auslösung von
Warnsignal oder Regelfunktion herangezogen werden.
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Claims (1)
- - 9 - Daim 9134/4Ansprüche[ 1.) Vorrichtung zur Steuerung eines Turbokompressors, insbesondere für ein Gasturbinentriebwerk, dadurch gekennzeichnet, daß am Eingang und/oder am Ausgang des Kompressors (l) ein bzw. je ein oder mehrere elektrische Druckgeber (2, 3) angeschlossen sind, dessen bzw« deren mit hoher Abtastrate abgegriffene Drucksignale eine elektrisch leitende Verbindung einem elektronisch arbeitenden Schaltgerät (6 - 11) übermitteln, das bei Überschreitung eines Grenzwertes ein Warnsignal (12) oder automatisch ein Regelgerät (13) betätigt.2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Druckgeber (2, 3) oder, bei Anordnung mehrerer Geber pro Ebene, an jeder - in geeigneter Form schaltungsmäßig zusammengefaßten - Druckgebergruppe (2, 3) ein Unsetzer (6, 7) zur Aufbereitung des Meßsignals angeschlossen ist und der oder die Umsetzer (6, 7) «it einem Stufenraster (8) zur Abtastung der Meßsignale verbunden sind, dem eine von Hand oder automatisch einstellbare Signalschwelle (9) und ein mit "Logik" bezeichneter Elektronikbaustein (ll) nachgeschaltet sind, der die Meßsignale miteinander oder mit vorhergehenden vergleicht und bei Überschreitung von Grenzwerten die Auslösung des Warnsignals (12) oder die Schaltung des Regelgerätes (13) veranlaßt.3· Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von zwei oder mehreren Druckgebern (2, 3) das Verhältnis der von ihnen gemessenen Drücke TT* ι ermittelt und die Abweichung309819/0617- 10 - Daim 9134/4im Anwachsen von 1JC gegenüber seiner proportionalen Zunahme bei Drosselung der Fördermenge als Anlaß für die Auslösung eines Warnsignals (12) oder einer Regelfunktion (13) verwendet wird· -4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergrößerung der Amplitude und die Frequenzänderung der Druckschwankungen gegenüber einer mit leichten Druckschwankungen pulsierenden "gesunden" Strömung als Anlaß für die Auslösung eines Warnsignals (12) oder einer Regelfunktion (von 13) verwendet wird.5· Vorrichtung zur Steuerung des Kompressors für ein Gasturbinentriebwerk nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor (l) durch Steuern der Brennstoffzufuhr zur Brennkammer regelbar ist.6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor (l) durch Offnen und Schließen einer Öffnung (l4) im Kompressormantel regelbar ist.7· Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an die Öffnung ein Bypass (15) anschließbar ist.309819/0617
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19712155311 DE2155311A1 (de) | 1971-11-06 | 1971-11-06 | Vorrichtung zur steuerung eines turbokompressors |
GB5082972A GB1364785A (en) | 1971-11-06 | 1972-11-03 | Method for controlling a turbo compressor |
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DE19712155311 DE2155311A1 (de) | 1971-11-06 | 1971-11-06 | Vorrichtung zur steuerung eines turbokompressors |
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DE2155311A1 true DE2155311A1 (de) | 1973-05-10 |
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DE (1) | DE2155311A1 (de) |
GB (1) | GB1364785A (de) |
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- 1971-11-06 DE DE19712155311 patent/DE2155311A1/de active Pending
-
1972
- 1972-11-03 GB GB5082972A patent/GB1364785A/en not_active Expired
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
GB1364785A (en) | 1974-08-29 |
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