DE2604931C2

DE2604931C2 - Vorrichtung zum Vermeiden des Pumpens bei Kreiselverdichtern

Info

Publication number: DE2604931C2
Application number: DE19762604931
Authority: DE
Inventors: Miroslav Dipl.-Ing. Prag/Praha Hibs
Original assignee: STATNI VYZK U STAVBU STROJU
Current assignee: STATNI VYZK U STAVBU STROJU
Priority date: 1975-02-11
Filing date: 1976-02-09
Publication date: 1985-03-21
Also published as: CS175129B1; GB1536363A; DE2604931A1; CH614498A5

Description

pco-p

_bzw.

pco-pso

15

pco den Gestt-Jtdruck im Zwischenschaufelkanal,
pso den statischen Drück vor dem Schaufelrad, pi den Druck an einer Stelle, weiche die Entstehung einer Abtrennung empfindlich indiziert,

bedeutet, die Kanalsilhouette so gestaltet ist, daß auf einer von einer Eingangskammer (aa), in der der Gesamtdruck (pso) herrscht, in die Ausgangskammer (dd) fließenden Strömung senkrecht aus der Eingangskammer (bb) eine weitere Strömung trifft und an eine weitere Ausgangskammer (cc) ablenkt, die von der erstgenannten Ausgangskummer (dd) durch eine Verteilerschneide ge«"ennt ist, die unter einem Winkel (ß) zum Strom (B) aus der Eingangskammer (bb) verläuft, der durch dir Beziehung

gegeben ist, wobei

35

40

K den Berichtigungskoeffizienten,

β den Verteilungsschneidenwinkel,

b\ die lichte Weite der Hauptdüse,

bi die lichte Weite der Steuerdüse,

jPi, jP2 Geschwindigkeitskoeffizienten der Düsen,

C'pp den kritischen Druckkoeffizienten

bedeuten, wobei eine der Ausgangskammern (cc. dd) in die der abgelenkte Strom einfließt, an Arbeitsmittel des Regelkreises angeschlossen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckfühler am Kreiselverdichter mit den Kammern des Fluidik-Elementes (S) so verbunden sind, daß der Fühler für den Gesamtdruck (pco) mit der einen Eingangskammer (aa), statischen Druck (pso) mit der anderen Eingangskammer (bb), Druck (pi) an der Stelle der Abtrennung mit der einen Ausgangskammer (cc) verbunden ist, während die andere Ausgangskammer (dd) an den Druckfühler des Steuerkreises (/tyangeschlossen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- bo zeichnet, daß die Druckfühlcr am Kreiselverdichter mit den Kammern des Fluidik-Elemcntcs (S_-) so verbunden sind, daß der Fühler für den Gesamtdruck (pso,/mit der einen Eingangskammer (aa). Druck (pi) an der Stelle der Abtrennung mit der anderen F.in- μ gangskiunmcr (bb), statischen Druck (pso) mit der einen Ausgangskainmcr (cc) verbunden ist, während die andere Ausgangskammer (dd) an den Druckfüh

ler des Steuerkreises (R) angeschlossen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckfühler am Kreiselverdichter mit den Kammern des FIuidik-EIementes (SJ so verbunden sind, daß der Fühler für den Gesamtdruck (pco) mit der einen Eingangskammer (aa), statischen Druck (pso) mit der anderen Eingangskanvner (bb). Druck (pi) an der Stelle der Abtrennung mi. der einen Ausgangskammer (dd) verbunden ist, während die andere Ausgangskammer (cc) an den Druckfühler des Steuerkreises (R) angeschlossen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckfühler am Kreiselverdichter mit den Kammern des FIuidik-EIementes (S) so verbunden sind, daß der Fühler für den Gesamldruck (pco) mit der einen Eingangskammer (aa). Druck (pi) an der Stelle der Abtrennung mit der anderen Eingangskammer (bb), statischer Druck (pso) mit der einen Ausgangskammer (<A# verbunden ist, während «4ij> Λπ/Iara Λ iieitonnclOmmor frwt an fi&

UIV- Ot IVtWl W / tUJgUllgCnUIIIIIIVI !*"*"/ **'* "*"■»

ler des Steuerkreises (φ angeschlossen ist

Die Erfindung betriff;-eine Vorrichtung zum Vermeiden des Pumpens bei Kreisel Verdichtern, bestehend aus Druckfühlern und einem an diese angeschlossenen, zur Ermittlung eines Druckkoeffizienten dienenden Fluidik-Element, von dem aus der Istwert für die Regelanlage abgeleitet wird.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE-OS 19 00 144 bekanntgeworden. Die hier beschriebene Vorrichtung arbeitet mit Fühlern, die an bestimmten Stellen innerhalb des Kreiselverdichters angeordnet sind und mit einem Fluidik-Element verbunden sind, durch das ein Überdruckventil betätigt wird.

Die Überschreitung der Gre-^ze, bt: der das so gefährliche Pumpen bei Kreiselverdichtern auftritt, nämlich unstabile Zustände beim Durchfluß der strömenden Gase durch den Kreiselverdichter mit der Folge einer verschlechterten Umwandlung der kinetischen Energie des strömenden Gases in die Druckenergie im Schaufelkanal, läßt sich mit genügender Zuverlässigkeit nur dann rechtzeitig erkennen, und es läßt sich ihr Überschreiten nur dann verhindern, wenn ein treffendes Kriterium ausgewählt ist, welches das Verhältnis zwischen Druck-, Temperatur-, Durchfluß- und Drehzahlgrößen des Betriebszustandes des Kreiselverdichters definiert. )e einfacher das Kriterium ist, desto mehr hängt es von der Auswahl der Abnahme der gewünschten physikalischen Größe ab. denn beim Durchfluß durch den Verdichter nehmen die Drucke (statischer, dynamischer oder auch der Gesamtdruck) und die Temperaturen an verschiedenen Stellen verschiedene Werte an. Der Erfolg des Einsatzes eines Kriteriums, das ist eine Fähigkeit, mit einem bestimmten Verlauf das drohende Pumpen vorherzusagen, hängt davon ab, wie genau die Erscheinungen erfaßt werden, die das Pumpen bedingen. Und diese Erscheinung ist das Abtrennen des Stromes von den Schaufeln des Verdichters.

Die DK-OS1428 260bcnulztalsKriteriumdicGröße

oder *"--£-.
Ap

ρ der Druckunterschied zum Beispiel am Drosselelement ist, welches der Messung des Massendurchflusses dient,

ρ der Gesamtdruck ist, der im Eingangs- oder Ausgangskanal des Verdichters gemessen wird

Die DE-OS 19 00 144 benutzt hingegen als Kriterium die Größe

in der

Pu ~Pn

Pic. Pn die Gesamtdrucke, die im Ausgangs- und Eingangskanal der Verdichter gemessen werden,

Ptx,Psx der gesamte und statische Druck, der im Eingangs- oder Ausgangskanal des Verdichters gemessen wird,

bedeuten.

Die DE-OS 16 28 269 definiert das von ihr benutzte Kriterium nicht, jedoch kann es gemäß der angewendeten Schaltung aufgrund der in den vorhergehenden Fällen gewonnenen Erkenntnisse folgendermaßen ausgedrückt werden

s.P >

Pl,

die statischen Drucke sind, die an der Oberfläche der Wand des Kreisringkanals der irgendwelchen Stufe in zwei Punkten gemessen werden, die voneinander um 30 bis 180° im Winkel entfernt sind,

der statische Druck, der an der Wand des Ausgangskanals des Verdichters gemessen wird.

bedeuten.

Mit diesen Kriterien läßt sich die Annäherung an die Grenze des Pumpens nicht mit ausreichender Zuverlässigkeit meiden und in einen Steuerungsvorgang umsetzen.

Die Erfindung vermeidet diese Nachteile. Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Kriterium zu schaffen, mit dem die Messung der Grenze des Pumpens mit hoher Zuverlässigkeit meßbar isi und eine Vorrichtung zu schaffen, mit der diese Messung so in den Regelvorgang eingebracht wird, daß der Kreiselverdichter ohne die Gefahr des Pumpens dichter an dieser Grenze arbeiten kann.

Die Erfindung besteht darin, daß als Fluidik-Element ein an sich bekanntes Proportionalverstärkerelement vorgesehen ist, bei welchem zur Ermittlung des Druckkoeffizienten

pco-pl

_bzw.

pso-pi pco-pso

wobei

pco den Gesamtdruck im Zwischenschaufelkanal,
pso den statischen Druck vor dem Schaufelrad,
pi den Druck an einer Stelle, welche die Entstehung einer Abtrennung empfindlich indiziert.

bedeuten, die Kanalsilhouette so gestaltet ist, daß auf einer von einer Eingangskammer, in der der Gesamtdruck herrscht, in die Ausgangskammer fließenden Strömung senkrecht aus der Eingangskammer eine weitere Strömung trifft und an eine weitere Ausgangskammer ablenkt, die von der erstgenannten Ausgangskammer durch eine Verteilerschneide getrennt ist, die unter einem Winkel β zum Strom aus der Eingangskammer verläuft, der durch die Beziehung

c_PP~JL

gegeben ist, wobei

K den Berichtigungskoeffizienten,

β den Verteilungsschneidenwinkil,

b\ die lichte Weite der Hauptdüse,

tn die lichte Weite der Steuerdüse,

q>\,qh. Geschwindigkeitskoeffiziente.i »!er Düsen,

C'pp den kritischen Druckkoemzienten

bedeuten, wobei eine der Ausgangskammern, in die der abgelenkte Strom einfließt, an Arbeitsmittel des Regelkreises anschlössen ist

Unter Zugrundelegung des genannten Druckkoeffizienten kann der Kreiselverdichter dicht an der Grenze des Pumpens arbeiten, ohne diese Grenze zu überschreiten, so daß die zur Verfügung stehende kinetische Energie des Druckmediums besser nutzbar ist

Der Anschluß der Druckfühler an das Fluidik-Element kann grundsätzlich in zweierlei Weise erfolgen:

Die eine Möglichkeit besteht darin, daß die Druckfühler am Kreiselverdichter mit den Kammern des Fluidik-Elementes so verbunden sind, daß der Fühler für den Gesamtdruck mit dsr einen Eingangskammer, statischen Druck mit der anderen Eingangskammer, Druck an der Stelle der Abtrennung mit der einen Ausgar^skammer, verbunden ist, während die andere Ausgangskammer an den Druckfühler des Steuerkreises angeschlossen ist.

Die andere Möglichkeit besteht darin, daß die Druckfühler am Kreiselverdichter mit den Kammern des Fluidik-Elementes so verbunden sind, daß der Fühler für den Gesamtdruck mit der einen Eingangskammer, Druck an der Stelle der Abtrennung mit der anderen Eingangskammer, statischen Druck mit der einen Ausgangskammer verbunden ist, während die andere Ausgangskammer an den Druckfühler des Steuerkreises angeschlossen ist.

Das Wesen der Erfindung ist nachstehend anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführung^beLpUlen näher erläutert. Es aeigt

Fig. I ein Diagramm mit der Grenzkurve, oberhalb derer das Pumpen auftritt,

F i g. 2 ein Diagramm, aus dem der Wert des Druckkoeffizienten in Abhängigkeit vom Gasdurchfluß dargestellt ist,

F i g. 3 den Wertverlauf des charakteristischen Parameters zur Anzeige des Pumpens in Abhängigkeit vom Durchfluß des Gases durch den Verdichter,

F i g. 4 ein Blockschaltbild der Vorrichtung zur Vermeidung des Pumpens bei Kreiselverdichtern mit einer Darstellung der Silhoue'te des Fluidik-Elementes,
F i g. 5 schematische Darstellungen von vier verschiedenen Anschlußmöglichkeiten des Fluidik-Elementes.

In Fig. I ist im Diagramm die Grenze, bei der das Pumpen des Kreiselverdichters beeinnt. durch die Kur-

ven P dargestellt Der Kreiselverdichter arbeitet einwandfrei in dem Arbeitsbereich A. Zwischen der Grenze P, bei der das Pumpen anfängt und dem Arbeitsbereich A läßt man eine Reservezone B, die bei den verschiedenen Vorrichtungen unterschiedlich groß ist, um mit Rücksicht auf die Ungenauigkeit und beschränkte Empfindlichkeit der Regelvorrichtungen das Pumpen eines Kreiselverdichters mit Sicherheit zu vermeiden. Diese Reservezone B soll durch die vorliegende Erfindung besonders klein gemacht werden.

Das geschieht durch Benutzung eines Druckkoeffizienten K

pco-pi

bzw.

pso - pi pco -pso

wobei

is

pco den Gesamtdruck im Zwischenschaufelkanal, pso den statischen Druck vor dem Schaufelrad,

pi den Druck an einer Stelle, welche die Entstehung einer Abtrennung empfindlich indiziert

bedeuten.

Der Wert des Druckkoeffizienten Cp hängt bei wenig veränderlichem Gesamtdruck pco teils von dem pso Druck, teils vom pi Druck ab, welcher sich bedeutend ändert besonders wenn das Gebiet des getrennten Stromes in der Richtung von der Profilabflußkanlc zur Stelle dessen maximaler Dicke verbreitet wird. Dies wird in der Fig.3 veranschaulicht zusammen mit Maßangabc für das Gebiet der getrennten Strömung beim Verdichterbetrieb in der Nähe des Nennpunktes, wo die Zuflußgeschwindigkeit die Größe W und die durch Winkel « gegebene Richtung aufweist. Der entsprechende Ver- !auf des statischen Druckes entlang der Profiloberfläche wird dann durch Kurve a dargestellt Sobald jedoch der Betriebszustand des Verdichters vom Nennstand stark abweicht wird sich auch der Vektor der Zuflußgeschwindigkeit beträchtlich ändern, und das Gebiet der getrennten Strömung verbreitet sich gegen die Richtung der Umströmung. Diesem das Profil umgebenden Strömungsfeld entspricht der durch Kurve b schematisch dargestellte Druckverlauf pi. Beim Vergleich der Kurven a und Vergibt sich, daß die Größe der Änderung mit der Lage des Druckabnahmepunktes pi zusammenhängt

Die Fig.2 zeigt den informativen Wertverlauf des empfohlenen charakteristischen Parameters für den Pumpenfühler in Abhängigkeit vom Durchfluß des Gases Gdurch den Verdichter. In diesem Diagramm ist der zulässige Wert und der Grenzwert des Druckkoeffizienten C'pp und C'pm aufgezeichnet welcher für den Gasdurchnuß vor und bei dem Pumpenbeginn (an der Pumpengrenze) zuständig ist Das Diagramm zeigt daß bei einer entsprechend gewählten Lage der Druckabnahme pi der Druckkoeffizient einen ziemlich wenig veränderlichen Wert (Kurve c) in dem breiten Arbeitsgebiet des Verdichters aufweist in .der Nähe der Pumpengrenze dagegen ändert sich sein. Wert mit dem großen Gra- &o dient. Die Kurve d zeigt den Verlauf des Druckkoeffizienten für einen anderen Punkt der Druckabnahme von der Schaufelobcrfläche, welcher für den Anschluß des PunipenfühlsrE nicht geeignet ist

Aus der Definition des Druckkoeffizienten ergibt sich, daß es um eine dimensionslose Größe geht deren Wert teils von den Eingangsstromparametern pco, pso, teils vom Bild des Stromfeldes pi abhängt Dabei ist es wich tig, daß der Wert dieser Größe während der Zustandsveränderungen grundsätzlich unverändert bleibt, soweit der Durchflußcharakter aufrechterhalten wird, das kommt /.. B. in dem die Schaufel umgebenden Stromfeld vor, wo das Trennstromgebiet durch ständige Größe und Lage gekennzeichnet wird.

Diese bedeutende Eigenschaft der empfohlenen charakteristischen Größe erlaubt es, einen Pumpenfühler zu konstruieren, welcher den laufenden Wert Cp mit dem eingestellten zulässigen Wert vergleicht, indem er ein Ausgangssignal in den (logischen oder analogischen) Stcuerkreis übermittelt, sobald sich beide Werte angenähert oder gleichgesetzt haben. Deshalb zeichnet sich das empfohlene System durch eine Einfachheit aus, auf deren Grund man sehr verläßliche, präzise, schnelle, billige und leichte Steuersysteme der Pumpenverhütung bei Schaufelverdichtern entwerfen kann.

Zur Realisierung eines Druck

kann man übliche Prinzipien anwenden, wie pneumatisehe oder fiuidische. Dieses letzte ist für den verfolgten Zweck besonders geeignet, denn es erlaubt den Fühler der Größe, welche eigentlich ein Verhältnis von zwei Differenzen darstellt, sehr leicht zu lösen.

Das fiuidische Prinzip beruh! auf der Ausnutzung der Eigenschaften der strömenden Flüssigkeit, der Eigenschaften der eng aneinanderstoßenden Flüssigkeitsströme sowiei';m Zusammenwirken der Flüssigkeitsströme mit den umströmten Wänden. Für den Bedarf der Pumpenfühler erscheint das fiuidische Element der Bewegungsgrößen sehr geeignet, es ist realisiert durch den Zusammenstoß von zwei Strömen und durch Ablenkung des resultierenden Stromes gemäß der Einwirkung der Teilbewegungsgrößen. Dieses Element ist in der Fluidik prinzipiell bekannt und wird oft als Proportionaiverstärker benutzt. Für den Bedarf des Pumpenfühlers ist jedoch eine spezielle Gestaltung notwendig. Gemäß der in Fig.4 entworfenen Kanalsilhouette des Fluidik-Elementes ist der Nenner der Koeffizienten c'p durch Anschluß des Druckgefälles (pco—pi) zwischen einem Eingangs- (aa) und einem Ausgangskanal (cc) gegeben. Ferner ist der Zähler des Koeffizienten c'p durch Anschluß des Druckgcfälles pso—pt zwischen dem zweiten Eingangs- (bb) und dem zweiten Ausgangskanal (cc) ausgedrückt. Dadurch werden im fluidischen Element zwei Ströme (A. B) gebildet, die im Schnittpunktraum der Düsen Ai. b₂ zusammenstoßen, sich verbinden und weiterlaufen in der Richtung, deren Neigungswinkel mit ursprünglichen Bewegungsgrößen zusammenhängt. Der Ablenkungswinkel des resultierenden Stromes modelliert dabei den laufenden Wert cses Druckkocffizicntcn c'p. Die Erreichung des zulässigen Wertes des Druckkoeffizienten c'pp kann man dann einfach durch Einstellung des Winkels in der Vcrteilerschneide.^vorsehen, so daß es zum Umkippen des resultierenden Stromes in dem zweiten Ausgangskanal kommt Die früher erwähnte Spezialgestaltung bezieht sich also auf die Neigung der Kanalwände und vor allem auf den Winkel der Verteilerschneide ß, für den man eine beiläufige Beziehung

ableiten kann, wo

K [-] den Berichtigungskoeffizienten, ß[°] den Verteilungsschneidewinkel, bei dem es nach Erreichung c'p = c'pp zum Umkippen

7

des Stromes von dem einen in den zweiten Ausgangskanal kommt,

b\ [m] die lichte Weite der Hauptdüse, bi fm] die lichte Weite der Steuerdüse,

<j>\, g>7 ["] den auch die Druckverluste entlang des fluidisehen Elementes beachtenden Geschwindigkeitskoeffizienten der Düsen

bedeuten.

Der fluidischc Pumpenfühler (Fig.4) wird aus einer Metallplatte S hergestellt, in der die Kanulsilhouetlc beispielsweise ausgeschnitten, ausgepreßt oder ausgeätzt worden ist. Auf beiden Seiten dieser Funktionsplattc 5 werden Deckplatten C. D beigelegt, nach deren Zusammenbau sich einzelne Kammern bilden. An die Ein- bzw. Ausgänge zu diesen Kammern werden Rohr- fj

slut/cn angeschlossen, welche beispielsweise senkrecht <ij

in die obere Deckplatte eingesetzt werden. Diese Rohr- jj

stutzen a. b, c. d, vi, v₂ besorgen die Verbindung mit den f

z. B. am Verdichtermanlei angebrachten Druckfühlern in Form von Abnahmestutzen pso, pea, pi sowie mit dem Steuerkreisstutzen oder mit dem clektrisch-pneumalischen Umsetzer.

Fig.4 zeigt auch eine Anschlußmöglichkeit des Fluidik-Elementes, welche bestimmten aerodynamischen Eigenschaften der Beschaufelung entspricht. In der Praxis werden freilich für die Schaufelverdichter je nach dem Zweck der Maschine verschiedene Schaufelprofile benutzt, welche in die Schaufelgitter mit verschiedenem Stromanlaufwinkel und verschiedener Schaufelteilung zusammengesetzt werden. Für alle möglichen Varianten der Schaufelgitter kann man jedoch immer eine entsprechende Kanalsilhouette des Fluidik-Elementes finden, die man in einigen Fällen noch durch Lüftungskanäle vi oder V2 oder v\, vj zweckmäßig ergänzen kann.

Es ist zweckmäßig, in jedem konkreten Fall mit Rücksicht auf ein gemeinsames Verhältnis der Einzeidruckhöhenlagen zu überlegen, welche Druckanschlußkombination an die Anschlußstutzen des Fluidik-Elementes am besten sein kann. Vier verschiedene Möglichkeiten, die in den Ansprüchen 2 bis 5 gekennzeichnet sind, sind in F i g. 5 dargestellt.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

50

55

60

65

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Vermeiden des Pumpens bei Kreiselverdichtern, bestehend aus Druckfühlern und einem an diese angeschlossenen, zur Ermittlung eines Druckkoeffizienten dienenden Fluidik-Element, von dem aus der Istwert für die Regelanlage abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Fluidik-Element ein an sich bekanntes Proportional-Verstärkerelement vorgesehen ist, bei welchem zur Ermittlung des Druckkoeffizienten