DE3343284A1

DE3343284A1 - Turbomaschine

Info

Publication number: DE3343284A1
Application number: DE19833343284
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl.-Ing. 7500 Karlsruhe Carolus
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-11-30
Filing date: 1983-11-30
Publication date: 1985-06-13
Also published as: DE3343284C2

Description

Turbomaschine Die Erfindung betrifft eine Turbomaschine mit frei wählbarer Druck-Massenstrom- oder Druck-Volumenst.rom-Kennlinie, mit einem Gehäuse, das eine Eintrittsöffnlzng sowie eine Austrittsöffnung für das durchströmende Medium besitzt, einem motorisch angetriebenen Laufrad mit Laufschaufeln und einer mittels StellPinrichtung verstellbaren mechanischen Rezeleinrin.htung.
Turbomasehinen finden in axialer und radialer Bauart z.B.
Verwendung als Ventilatoren, Pumpen, Verdichters Turbinen.
Aufgabe einer Turbomaschine ist es, einen bestimmten Massen- oder Volumenstrom eines Mediums durch eine Anlage gegen einen Druck zu fördern (Ventilator, Pumpe, Verdichter) oder einen bestimmten Druck eines durch eine Anlage strömenden Mediums in mechanische Energie umzuwandeln (Turbine). Turbomasohine und Anlage weisen je eine Druck-Massenstrom- oder Druck-Volumenstrom-Kennlinie auf. Der sich einstellende Betriebspunkt des Gesamtsystems ist immer der Schnittpunkt beider Kennlinien. Andert sich während des Betriebs die Druck-Massenstrom- oder Druck-Volumenstrom-Kennlinie der Anlage (z.B.
durch Öffnen oder Schließen eines Ventils), dann hangt das Betriebsverhalten des Gesamtsystems allein von der Druck-Massenstrom- oder Druck-Volumenstrom-Kennlinie der Turbomaschine ab. Zur Erreichung eines gewünschten Betriebsverhaltens muß die Druck-Massenstrom- bzw. Druci-Volumenstrom-Kennlinie der Turbomaschine eine zanzLbestimmte Form aufweisen.
Die Druck-Massenstrom- oder Druck-Volumenstrom-Kennlinie einer Turbpmaschine wird durch die Aerodynamik des Laufrades, dis Gehäuses und der mechanischen Regeleinrichtung sowie durch die Laufraddrehzahl bestimmt. Eine beliebige Anderung der Druck-Massenstrom-oder Druck-VolumXnstrom-Kennlinie ist bisher bei einer gegebenen Turbomaschine nicht möglich. Eine Änderung der Laufraddrehzahl oder der Stellung der mechanischen Regeleinrichtungz.B. ergibt lediglich ein für die betreffende Turbomaschine typisches Druck-Massenstrom- oder Druck-Volumenstrom-Keninienfeld mit einer Schar ähnlicher Kennlinien fest rorgegebener Form.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Turbomaschite der eingangs erwähnten Art zu schaffen, deren Druck-Massinstrom- oder Druck-Volumenstromkennlinie frei gewählt werden kann, ohne daß die konstruktive Gestaltung der Turbomaschine oder die Laufraddrehzahl geändert werden uß.
Diese Aufgabe wiSd erfindungsgemäß gelöst durch eine Turbomaschine gefäß dem ersten Patentanspruch. Im Gegensatz zum Stand der Technik handelt es sich nicht um eine einfache*Regelung des Druckes oder des Massen-bzw. Volumenstrois oder einer anderen Regelgröße. Vielmehr wird aufgrund der momentanen Signale des Meßwertaufnehmers und ds Positionsgebers fuir die Stellung der mechanischen RegSleinrichtung diese Regeleinrichtung laufend so eingettellt, daß sich alle resultierenden Betriebspunkte auf einer gewählten, in der elektri ° schein, programmierbaren Steuereinheit eingegebenen Kennlinie befinden.
Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß die Turbomaschine ohne Anderung ihrer konstruktiven Gestaltung frei wählbare Kennlinien aufweist. Weiterhin ist nicht notwendig die Drehzahl des Laufrades zu verändern, sodaß als Antriebsaggregat der erfindungsgemäßen Turbomaschine z.B. Asynchronmotoren ohne teure Getriebe eingesetzt werden können.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Steuereinheit die Merkmale gemäß Patentanspruch 2 auf.
DerEinsatz von Analog-Digital-Wandlern ermöglicht die digitale Weiterverarbeitung der analogen Signale des Meßwertaufnehmers und des Positionsgebers in einem Milcrorechner mit Speicher. Im Speicher des Mikrorechners ist neben dem für die jeweilige Turbomaschine typischen Druck-Massenstrom- bzw. Druck-Volumenstrom-Kennlinienfeld ein Rechenprogramm abgespeichert, mit dem der Mikrorechner aus den Signalen des Meßwertaufnehmers und des Positionsgebers entsprechend der ebenfalls abgespeicherten, frei gewählten Kennlinie laufend ein Steuersignal errechnet, das über eine Ansteuereinrichtung und Stelleinrichtung die mechanische Regeleinrichtung so einstellt, daß die Turbomaschine die frei gewählte Druck-Massenstrom- oder Druck-Volumenstrom-Kennlinie aufweist. Der Einsatz eines Mikrorechners besitzt insbesondere Vorteile hinsichtlich Kosten und Flexibilität. Die Eingabe der gewählten Druck-Massenstr om- oder Druck-Volumenstrom-Kennlinie oder eine Anpassung an verschiedene Turbomaschinentypen ist leicht und billig möglich.
Zweckmäßig-findet gemäß Patentanspruch 5 als mechanische Regeleinrichtung ein in der Eintrittsöffnung des Gehäuses angebrachter Drallapparat mit verstellbaren Leitschaufeln Anwendung. Als mechanische Regeleinrichtung kann auch gemäß Patentanspruch 4 eine mechanische Laufschaufelverstelleinrichtung zur Anwendung kommen.
Der Vorteil dieser beiden Ausführungsformen besteht darin, daß gute Wirkungsgrade für jede gewählte Druck-Massenstrom- oder Druck-Volumenstr om-Kennlinie zu erreichen sind.
Die Anwendung einer Drossel als mechanische Regelt in richtung gemäß Patentanspruch 5 ist mechanisch einfach und daher sowohl zuverlässig als auch kostengünstig.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel erläutert.
Es zeigen Fig. 1 eine schematische, perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Turbomaschine mit Drallapparat,und und Druckmeßwertgeber Fig. 2 ein Blockschaltbild der Turbomaschine gem. Fig. 1 Fig. 3 schematisch vier frei gewählte Kennlinien im Druck-Volumenstrom-Kennlinienfeld der Turbomaschine gem. Fig. 1.
In Fig. 1 ist eine radiale Turbomaschine dargestellt, die ein Gehäuse 1 mit Eintrittsöffnung 2 und Austrittsöffnung 3, ein mit konstanter Drehzahl von einem Motor 4 angetriebenes Laufrad 5 mit Laufschaufeln 6 sowie einen Drallapparat 7 mit Leitschaufeln 8, die durch ein Signal von der Steuereinheit 9 über die Stelleinrichtung 10 verstellt werden können, besitzt. Die Position der Leitschaufeln 8 wird durch einen Positionsgeber 11, der Druck am Gehäuseaustritt durch einen Druckmeßwertgeber 12 registriert und laufend an die Steuereinheit 9 übermittelt.
Gemäß Fig.2 besteht die Steuereinheit 9 aus zwei Analog-Digital-Wandlern (13, 14) einem Mikrorechner mit Speicher (15)> z.B. einem handelsüblichen Einplatinenrechner, und einer Ansteuereinrichtung 16. Als Stelleinrichtung 10 kann z.B. ein Elektromotor mit Getriebe zur Anwendung kommen; als Ansteuereinrichtung 16 ist dann eine entsprechende Motoransteuerung erforderlich, die die Rechnerausgangssignale in für die gewünschte Bewegung des Motors nötige Signale umwandelt.
Jede Änderung des Signals des Druckmeßwertgebers 12 veranlaßt den Mikrorechner zu einem Rechenvorgang, der als Ergebnis unter Zuhilfenahme des abgespeicherten Druck-Massenstrom- oder Druck-Volumenstrom-Kennlinienfeldes der Turbomaschine, der einzezebenen, frei gewählten Kennlinie und der aktuellen Position des Drallapparates 7 der Ansteuereinrichtung 16 den Befehl zu einer Neueinstellung des Drallapparates 7 so gibt, daß der neue Betriebspunkt des Gesamtsystems auf der gewählten Druck-Massenstrom- bzw. Druck-Volumenst.rom-Kennlinie liegt.
In Fig. 3 sind das bei konstanter Drehzahl des Laufrades 5, aber mit verschiedenen konstanten Positionen des Drallapparates 7 erreichbare Druck-Volumenstrom-Kennlinienfeld mit der begrenzenden Kennlinie 17 sowie beispielhaft vier verschiedene, frei wählbare Druck-Volumenstrom-Kennlinien 18, 19, 20, 21 der erfindungsgemäßen Turbomaschine dargestellt.

Claims

Patentansprüche 1. Turbomaschine mit frei wählbare Druck-Massenstrom- oder Druck-Volumenstrom-Kennlinie, mit einem Gehäuse, das eine Eintrittsöffnung sowie eine Austrittsöffnung fur das durchströmende Medium besitzt, einem motorisch angetriebenen Laufrad mit Laufschaufeln und einer mittels Stelleinrichtung verstellbaren mechanischen RegRleinrichtung, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) wenigstens einen Meßwertaufnehmer (12) im Bereich der Austrittsöffnung ()) zur Erfassung des momentanen Drucks oder Massen- bzw. Volumenstroms des das Gehäuse (1) durchströmenden Mediums, b) einen Positionsgeber (all), der die jeweilige Stellung der mechanischen Regeleinrichtung aufnimmt, c) eine elektronische, programmierbare Steuereinheit (9), die aus den elektrischen Signalen des Meßwertaufnehmers (12) und des Positionsgebers (11) anhand einer ihr eingegebenen Druck-Massenstrom- oder Druckvolumenstrom-Kennlinie am Ausgang ein Steuersignal erzeugt, gemäß dem die Stelleinrichtung (10) die mechanische Regeleinrichtung laufend so einstellt, daß die Turbomaschine eine Druck-Massenstrom- oder Druck-Volumenstr om-Kennlinie aufweist, die der ge -gewählten, eingegebenen Kennlinie entspricht.
2. Turbomaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Steuereinheit (9) folgende Merkmale aufweist: a) wenigstens zwei Analog-Digital-Wandler (1D, 14), die die analogen Signale des Meßwertaufnehmers (12) und des Positionsgebers (11) jeweils in digitale Signale umwandeln, b) einen diesen (13, 14) nachgeschalteten Mikrorechner (15) mit mindestens einem Speicher, der aus den Signalen deb beiden Analog-Digital-Wandler (1D, 14) anhand der in den Speicher eingegebenen Kennlinie und dem abgespeicherten Druck-Massenstr om- oder Druck-Volumenstrom-Kennlinienfeld nach einem ebenfalls abgespeicherten Rechenprogramm ein Steuersignal errechnet, c) eine nachfotgende Ansteuereinrichtung (16) zur Ansteuerung der Stelleinrichtung (10).
3. Turbomaschine nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß die mechanische Regeleinrichtung ein in der Eintrittsöffnung (2) angebrachter Drallapparat (7) mit in ihrem Amstellwinkel verstellbaren Leitschaufeln (b) ist.
4. Turbomaschine nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß als mechanische Regeleinrichtung eine mechanische Lafschaurelverstelleinrichtung zur Verstellung des Anstellwinkels der Laufschaufeln (6) zur Anwendung komm'.
5. Turbomasehine tach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß ajs mechanische Regeleinrichtung eine in der Eintrittsöffnung (2) oder in der Austrittsöffnung ()) angebrachte verstellbare Drossel Verwendung findet