DE2448841A1

DE2448841A1 - Verfahren und vorrichtung zur ueberwachung von rueckschlaegen in einem verdichter

Info

Publication number: DE2448841A1
Application number: DE19742448841
Authority: DE
Inventors: Meherwan Phiroz Boyce
Original assignee: Howell Instruments Inc
Current assignee: Howell Instruments Inc
Priority date: 1973-10-23
Filing date: 1974-10-14
Publication date: 1975-04-24
Also published as: GB1481031A; US3901620A; CA1025694A; FR2248427B1; CH592819A5; JPS5073207A; FR2248427A1

Description

Patentanwälte Dipl.-Inc. R Wi-ickmann,

Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

DXV

8 MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 3921/22

HOWELL INSTRUMENTS INC. 3479 West Viekery Boulevard, Fort Worth, Texas, V.St.A.

Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung von Rückschlägen

in einem Verdichter

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Überwachung von sogenannten Rückschlag-Zuständen in Verdichtern, insbesondere zum Nachweis und zur Vermeidung oder Verzögerung von Verdichter-Rückschlägen, sowie auf Vorrichtungen zur Durchführung solcher Verfahren.

Der Begriff "Rückschlag" ("surge") ist im vorliegenden Zusammenhang definiert als die untere Grenze für einen stabilen Verdichterbetrieb; ein Rückschlag liegt dann vor, wenn das den Verdichter durchsetzende Medium seine Strömungsrichtung umkehrt. Es gibt viele Gründe für das Auftreten eines Rückschlages oder einer Strömungsumkehr, überwiegend stellt sich dieser Zustand jedoch aufgrund eines hohen Gegendrucks am Verdichteraustritt ein. Es ist wichtig, den Eintritt eines Rückschlages nachzuweisen und eine korrigierende Gegenmaßnahme einleiten zu können, weil Rückschlag-Zustände einem Kompressor großen Schaden zufügen können. Eine der Methoden, die man bislang zum Nachweis eines Rückschlages verwendet hat, besteht darin, Druck-

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Schwankungen im Verdichter zu registrieren, um damit den Eintritt des Rückschlags anzuzeigen. Ein solches Verfahren ist jedoch grundsätzlich in seiner Verwendungsbreite beschränkt, da verschiedene Verdichtertypen entsprechend verschiedene Kenngrößen für ihre Druckschwankungen haben und somit eine Standardisierung für jede Art von Nachweisgerät Schwierigkeiten bereitet.

Die vorliegende Erfindung steht daher vor der Aufgabe, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, mit dem ein drohender Rückschlag-Zustand zuverlässig angezeigt und darüberhinaus auch verzögert oder ganz verhindert werden kann. Das Verfahren soll dabei insbesondere standardisierbar sein und s±h in seinen Merkmalen nicht von Verdichter zu Verdichter ändern. Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Verfahren zum Nachweis eines drohenden Rückschlag-Zustandes in einem von einem Medium durchströmten Verdichter erfindungsgemäß vorgesehen, einen Geschwindigkeitssensor nahe der Wandung des Verdichteraustritts und nahe der Verdichterwandung in der Grenzschicht des Mediums anzuordnen und eine Strömungsumkehr in dieser Grenzschicht, die für einen drohenden Rückschlag-Zustand charakteristisch ist, nachzuweisen«»

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung, insbesondere die Ausbildung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zu einem selbsttätigen Uberwachungskreis und zweckmäßig gestaltete Vorrichtungen zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren, sind in den Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung soll nun anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren der Zeichnung mit weiteren Merkmalen und Einzelheiten näher erläutert werden. Es zeigen:

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Fig. 1:. diagrammartig eine Ansicht eines Kreiselverdichterteils j eingezeichnet sind ein Kreiselrad sowie Strömungsbilder vom Kreiselradaustritt, und zwar im Zustand vor dem Rückschlag, nahe einem Rückschlag und in einem potentiellen Rückschlag-Zustand;

Fig. 2: in ähnlicher Darstellungsweise wie Fig. 1 eine Vorrichtung zum Nachweis einer Strömungsumkenr in einem Kreiselverdichter, mit einer Steuerleitung, die den Eintritt des Rückschlags verzögert;

Fig. 3i diagrammartig ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, für einen Axialverdichter;

Flg. 4: in einer ebenfalls nur schematischen Darstellung eine Ausführung eines geeigneten Sensors zum Nachweis einer Strömungsumkehr.

In Fig. 1 ist nur schematisch ein Verdichter (Kompressor) 11 dargestellt, tatsächlich eingezeichnet ist im wesentlichen nur ein Kreiselrad 12. Das Kreiselrad 12 hat ein Auge oder einen Eintritt 12a und einen mit dem Bezugszeichen 12b versehenen Austritt. Das Geschwindigkeitsprofil oder Strömungsbild des den Kompressor durchsetzenden Mediums ist als Kurve 13a am Kompressorausgang 12b eingetragen. Diese Kurve gibt das Strömungsbild im Zustand vor Eintritt des Rückschlags wieder. Der Kurve 13a benachbart ist eine Kurve 13b eingezeichnet, die das Geschwindigkeitsprofil oder Strömungsbild des das Kreiselrad durchsetzenden Mediums bei nahendem Rückschlag zeigt. Neben Kurve 13b ist schließlich noch eine Kurve 13c eingezeichnet, die das Geschwindigkeitsprofil oder Strömungsbild des aus dem Kreiselradaastritt 12b strömenden Mediums bei potentiellem Rückschlag darstellt. Ein Vergleich der Kurven 13a, 13b und 13c in Fig. 1 zeigt, daß bei Annähe-

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rung an den Rückschlag-Zustand die Geschwindigkeit der Grenzschicht von einem positiven Wert über Null zu einem negativen Wert übergeht. Bei Annäherung an die Rückschlagbedingungen erfolgt also in der Grenzschicht am Kreiselradausgang eine Strömungsumkehr. Die Abfolge der Strömungsbilder, wie sie in den Kurven 13a bis 13c wiedergegeben sind, ist durch an Kompressoren durchgeführte Versuche bestätigt worden.

Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die in einem Kompressor eingebaut ist und sich zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens besonders eignet. In beiden Figuren sind einander entsprechende Verdichterteile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Demnach enthält der in Fig. 2 nur schematisch dargestellte Kompressor 11 ein Kreiselrad 12 mit einem Auge bzw. Eintritt 12a und einem Austritt 12b. In der Wandung des Kompressors 11 ist nahe dem Kreiselradaustritt ein Sensor 14 angeordnet. Dieser Sensor ist mit einem Strömungsumkehr-Detektor 16 verbunden. Der Sensor 14 wirkt mit dem Strömungsumkehr-Detektor 16 derart zusammen, daß Geschwindigkeit und Richtung der der Kompressorwandung benachbarten Grenzschicht am Kreiselradausgang registriert werdeno Wie weiter unten beschrieben, kann der Sensor 14 ein einfaches Rohr mit einer Öffnung enthalten, die vom stromaufwärts gelegenen Kreiselradaustritt weg gerichtet ist. Bei hohen Grenzschicht-Geschwindigkeiten (kein Überschlag) wird vom Sensor 14 ein Saugdruck gemessen,und der Strömungsumkehr-Detektor 16 kann zur Schaffung einer Druckanzeige in einer einfachen Ausführung einfach ein Quecksilber-Manometer sein. Nähert sich das Strömungsbild der Grenzschicht dem Rückschlag-Zustand, so würde der vom Sensor 14 registrierte relative Druck (d.h., relativ bezüglich eines statischen Drucks) auf den Wert Null fallen; d.h., die Grenzschicht würde die Geschwindigkeit Null haben. Tritt dann

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ein potentieller Rückschlag ein, so erfolgt innerhalb der Grenzschicht eine Flußumkehr, und der Sensor 14 mißt einen positiven Druck. Somit weist der Sensor 14, zusammen mit einem geeigneten Strömungsumkehr-Detektor 16, eine Strömungsumkehr in der Grenzschicht nach und sorgt für die Anzeige bevorstehender Rückschlag-Bedingungen im Kompressor.

Fig. 2 veranschaulicht darüberhinaus noch ein anderes Merkmal einer erfindungsgemäßen Ausführung, nämlich den Einsatz einer Steuerleitung 17, die von einem Ort nahe dem Kreiselradausgang zurück zu einem Ort nahe dem Auge oder Kreiselradeintritt 12a führt. In Fig. 2 ist außerdem ein in die Steuerleitung 17 eingesetztes Ventil 18 dargestellt. Das Ventil 18 kann über einen Steuerkreis 19 gesteuert werden, der vom Strömungsumkehr-Detektor 16 betätigt wird.

Im Betrieb der Vorrichtung wird eine Strömungsumkehr in der Grenzschicht - sie zeigt, wie nochmals erwähnt, einen drohenden Rückschlag im Kompressor an - vom Sensor 14 registriert und vom Strömungsumkehr-Detektor 16 angezeigt. Der Strömungsumkehr-Detektor 16 betätigt daraufhin über einen Steuerkreis 19 das Ventil 18, das daraufhin seinerseits die Steuerleitung 17 öffnet, so daß ein Teil der rückströmenden Grenzschicht vom Austritt oder Ausgang des Verdichters zurück in das Auge oder den Eintritt des Kreiselrades 12 geführt wird. Die Rückführung dieser unter hohem Druck stehenden Grenzschicht des Mediums bei eingetretener Strömungsumkehr zum Kompressoreintritt baut den hohen Druck an der Grenzschicht beim Kompressorausgang ab und beendet dadurch die Strömungsumkehr. Diese Maßnahme bewirkt, daß sich der Eintritt von Rückschlag-Bedingungen im Kompressor verzögert. Gemäß der Erfindung braucht nur ein kleiner Teil des unter hohem Druck stehenden Mediums (beispielsweise Luft) am Kreiselradausgang über die Steuerleitung zurückgeführt zu werden. In Versuchen,

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die im Zusammenhang mit der Erfindung durchgeführt wurden, wurde gefunden, daß die Rückführung von 2 - 3# des unter hohem Druck stehenden Mediums am Kreiselradaustritt das Einsetzen des Rückschlags tatsächlich hinausschiebt. Selbstverständlich kann der Strömungsumkehr-Detektor 16 abgesehen von seiner automatischen Betätigung der Steuerleitung 17 über das Ventil 18 auch ein geeignetes Alarmorgan darstellen, das einen Betriebsführer oder ein Steuerzentrum vor einem drohenden Rückschlag im Verdichter warnt.

Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung beispielhaft, wie die Erfindung im Falle eines Axialverdichters angewendet und ausgeführt werden kann. Der in der Figur schematisch gezeichnete und mit dem Bezugszeichen 21 versehene Axialverdichter enthält einen Stator 22 und einen Rotor 23. In der Figur ist ein Sensor 24 in der Kompressorwandung nahe der Rotorspitze 23a eingezeichnet. Dieser Sensor dient genau dem gleichen Zweck wie im Falle des Kreiselverdichters der Fig. 1 und 2; d.h., die Probe 24 registriert eine Strömungsumkehr in der Grenzschicht an der Ausgangsseite der Rotorschaufelspitze 23a. Der Sensor 24 ist wie zuvor mit einem Strömungsumkehr-Detektor 26 verbunden. Wie im Falle der zuvor beschriebenen Ausführung kann der Sensor 24 ein einfacher Drucksensor mit einer stromabwärts gerichteten Ausnehmung sein, wobei der Strömungsurakehr-Detektor in seiner einfachsten Form ein Druck-Manometer ist. In Ausgestaltung der Erfindung ist auch im Falle eines Axialkompressors eine Steuerleitung 27 mit einem Ventil 28 vorgesehen. Das Ventil 28 kann über einen Steuerkreis 29 vom Strömungsumkehr-Detektor 26 betätigt werden. Wenn also der Strömungsumkehr-Detektor 26 eine Strömungsumkehr in der Grenzschicht nahe der Ausgangsseite der Rotorschaufelspitze 23a feststellt wird das Ventil 28 geöffnet, so daß das unter hohem Druck stehende Medium an der Ausgangsseite der Rotorschaufelspitze über die Steuerleitung

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27 zurück zur Eintrittsseite der Rotorschaufelspitze 23a geführt wird· Dieser Vorgang baut den hohen Druck an der Ausgangsseite der Rotorschaufelspitze ab, beendet die Strömungsurakehr und verzögert somit das Einsetzen eines Rückschlags. Wie zuvor kann die Steuerleitung 27 einen solchen Durchmesser aufweisen, daß 2-3% des unter hohem Druck stehenden Mediums an der Ausgangsseite der Rotorschaufelspitze zur Eintrittsseite der Rotorschaufelspitze zurückströmen. Selbstverständlich kann das Ventil 28 ein Typ mit veränderbarem Durchsatz sein, so daß die Menge des rückgespeisten Mediums in Abhängigkeit vom Ausmaß der Strömungsumkehr, wie es vom Sensor 24 registriert wird, variieren kann.

Fig. 4 zeigt eine einfache Ausführung eines Sensors, der in der beschriebenen Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt werden kann. Der dargestellte Sensor enthält ein einfaches Rohr 31 mit einer Öffnung 32 im Rohrmantel. Der Sensor wird im Kompressor in eine solche Lage gebracht,, daß die Öffnung stromabwärts in die Richtung der erwünschten Kompressorströmung weist. Somit ist jeder positive Druck (relativ zu einem statischen Druck) auf die Öffnung 32 ein Anzeichen für Strömungsumkehr. Gemäß der Erfindung^ ist der Sensor nahe dem Ausgang einer Kompressorstufe angeordnet und so plaziert, daß er sich in der Grenzschicht der Strömung am Kompressorstufenausgang befindet. In einer speziellen Ausführung der Erfindung ragte ein Sensor in einem Kreiselverdichter mit einer 5-cm(2-inch)-öffnung oder -Kreiselradausgang 0,5 cm (0,2 inch) weit in die Verdichteröffnung hinein. Bei diesen Größenverhältnissen befand sich der Sensor in der Grenzschicht des strömenden Mediums an der Verdichteröffnung. Selbstverständlich sind bei Kompressoren mit größeren Öffnungen die Grenzschichten breiter, und bei Kompressoren mit kleineren Öffnungen die Grenzschichten schmaler. Die Größe der Grenzschichten hängt auch außerdem von den Drücken und Geschwindigkeiten ab, mit

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denen der Kompressor betrieben wird. Daher muß die richtige Sensorplazierung, in der der Sensor innerhalb der Grenzschicht des strömenden Mediums am Kompressorstufenaüsgang zu liegen kommt, für den Einzelfall erst ermittelt werden; derartige Ermittlungen können von einem auf dem einschlägigen Gebiet tätigen Fachmann ohne weiteres durchgeführt werden.

Neben den bisher beschriebenen Ausführungen sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch andere Varianten möglich, die zur Verhinderung von Rückschlägen beitragen können. Typischerweise wird in einem Hochdruck-Verdichter ein Rückschlagventil eingesetzt. Das Rückschlagventil kann entweder eine vollständige Entlastungsleitung ("bypass") betätigen, so daß der Verdichter zur Vermeidung von Rückschlägen überbrückt wird, oder beispielsweise Luft vom Kompressoraustritt an die Atmosphäre über ein Abblassystem abgeben, so daß stets genügend Luft den Verdichter durchsetzt, um ihn in seinem stabilen Bereich fern von Rückschlagsbedingungen zu halten. Typischerweise wird ein Rückschlagventil mittels eines Sensors für statischen Druck betätigt, welcher der Ausgangsseite des Kompressors benachbart angeordnet ist. Wenn nun der Sensor für statischen Druck registriert, daß sich ein Hochdruck bis zu einer Größe aufbaut, die für den Kompressor schädlich sein könnte, so wird das Rückschlagventil betätigt, um entweder den Kompressor vollständig zu überbrücken oder die unter hohem Druck stehende Luft an der Austrittsseite des Motors in die Atmosphäre abzublasen, so daß sich der Druck an der Austrittsseite des Motors verringert. In Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann ein derartiges Rückschlagventil über den erfindungsgemäß vorgesehenen Mechanismus eines Strömungsumkehr-Nachweises gesteuert werden. D.h., das Rückschlagventil wird in Abhängigkeit von der in der Grenzschicht nahe dem Motorausgang beobachteten Strömungs-

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umkehr betätigt, nicht aber von einem statisch aufgebauten Druck, der von einem der vielen Ruhedruck-Sensoren gemessen wird. Die Registrierung der Strömungsumkehr zur Betätigung des Rückschlagventiles stellt ein sehr viel genaueres Verfahren zur Vermeidung von Rückschlägen dar als Methoden, die auf der Messung eines kritischen Ruhedrucks beruhen, denn ein solcher Druckwert kann von Verdichter zu Verdichter schwanken.

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Claims

Patentansprüche

/1.)Verfahren zum Nachweis eines drohenden Rückschlag-Zustandes in einem von einem Medium durchströmten Verdichter, gekennzeichnet durch die Anordnung eines Geschwindigkeitssensors nahe der Wandung des Verdichteraustritts und nahe der Verdichterwandung in der Grenzschicht des Mediums und durch den Nachweis einer Strömungsumkehr in dieser Grenzschicht, die für einen drohenden Rückschlag-Zustand charakteristisch ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine nachgewiesene Strömungsumkehr hin ein Teil der Grenzschicht vom Verdichteraustritt zurück zum Verdichtereintritt geführt wird, wodurch sich das Einsetzen eines Rückschlags verzögert.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine nachgewiesene Strömungsumkehr hin ein Rückschlagventil betätigt wird, derart, daß das strömende Medium den Verdichter vor Einsetzen eines Rückschlags umgeht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch· gekennzeichnet, daß auf eine nachgewiesene Strömungsumkehr hin ein Rückschlagventil betätigt wird, derart, daß hohe Drücke am Verdichterausgang abgebaut werden, so daß eine Strömungsumkehr in der Grenzschicht vermieden und damit das Einsetzen eines Rückschlags verzögert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des zurückgeführten Mediums 5% oder weniger, vorzugsweise 2-3%, vom Durchsatz am Verdichterausgang beträgt.

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6β Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Geschwindigkeitssensor (14), der in einem Verdichter (11, 21) mit einer Stufe (12, 23), die einen Eintritt (12a) und einen Austritt (I2t>) enthält und die Strömung eines fluiden Mediums durch den Verdichter gestattet, nahe der Wandung des Verdichters und nahe seinem Austritt angebracht ist und sich in der Grenzschicht des den Kompressor durchströmenden Mediums befindet, sowie durch ein Anzeigeorgan (Strömungsumkehr-Detektor 16, 26), das mit dem Sensor verbunden ist, die Umkehr der Strömungsrichtung in der Grenzschicht anzeigt.

7« Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine mit einem Ventil (18, 28) versehene Steuerleitung (17, 27) zwischen dem Ausgang (12b) der Verdichterstufe (12, 23) und dem Eintritt (12a) der Verdichterstufe erstreckt und daß der Strömungsumkehr-Detektor (16, 26) im Betrieb der Vorrichtung das Ventil derart ansteuert, daß bei Eintritt der Strömungsumkehr ein Teil des strömenden Mediums vom Verdichteraustritt zurück zum Eintritt fließt, wodurch die Flußumkehr verhindert und das Einsetzen eines Ruckschlag-Zustandes verzögert wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf den Strömungsumkehr-Detektor (16, 26) ansprechender Steuerkreis (19, 29) ein Rückschlagventil betätigt, derart, daß Hochdruckzustände am Austritt (12b) der Verdichterstufe (12, 23) abgebaut werden_e

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Geschwindigkeitssensor (14, 24) ein drucksensitives Rohr (31) mit einer Öffnung (32) enthält, die stromabwärts bezüglich der erwünschten Verdichterströmung gerichtet ist, und daß der Strömungsumkehr-Detektor (16, 26) ein drucksensitives Organ umfaßt.

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10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, gekennzeichnet durch ihre Verwendung in einem Kreiselverdichter (11), wobei der Geschwindigkeitssensor (14) nahe dem Kreiselradausgang (12b) der Verdichterstufe (12) angebracht ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, gekennzeichnet durch ihre Verwendung in einem Axialverdichter (21), wobei der Geschwindigkeitssensor (24) nahe der Ausgangsseite der Rotorschaufelspitzen (23a) angeordnet ist.

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